（电机与电器专业论文）基于分裂线圈法螺杆泵用新型节能电机性能数值计算.pdf

堕垒堡璺苫查兰三篁塑圭兰堡鎏兰 n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf o rp e r f o r m a n c eo fn o v e l e n e r g ys a v i n gm o t o ru s e di ns c r e wp u m p b a s e do nc o i ls p l i tm e t h o d a b s t r a c t s i m p l ei ns t r u c t u r e ，s m a l li nv o l u m e ，l i g h ti nw e i g h t ，l i t t l ei ne n e r g yl o s s ， s c r e wp u m po i ls y s t e mc o u l dd e c r e a s eo i lc o s t ，i m p r o v ee f f i c i e n c y ，a n db eo f w i d e l yp r o s p e c t t o t a le f f i c i e n c yo fs c r e wp u m po i ls y s t e md r i v e db yc o m m o n m o t o rw a sh i g h e rt h a nb e a m p u m p i n gu n i t ，b u ts i m i l a rt ot h em o t o ru s e di n b e a m p u m p i n gu n i t ，i ta l s o e x i s t t e de n e r g yl o s sp h e n o m e n o n t os e t t l e t h e p r o b l e m ，an o v e le n e r g y s a v i n gm o t o ru s e di ns c r e wp u m pw a sd e s i g n e d ，a n dt h i s m o t o rc o u l dm a k ee f f i c i e n c yo fs c r e wp u m po i ls y s t e mi m p r o v e da n dv a r i a b l e s p e e dd e v i c ed e c r e a s i n g i nt h i sp a p e r ，a r r a n g e m e n ts c h e m eo fan o v e lm u l t i - s t a rp h a s es h i f t e dp o l e c h a n g i n gc o i l w a sg i v e na n dt h em e t h o d st od e t e r m i n ec o t l s p l i tr a t i ow e r e a n a l y z e d a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y ，2 de l e c t r o m a g n e t i cm a t h e m a t i c a l m o d e li nw h i c hs t a t o rw i n d i n g sw e r es p i r t e dc o i lw a sd e v e l o p e d ，a n dm a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h en o v e lm o t o ra t s t a r t i n gw a ss o l v e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，s t a r t i n gp e r l e r m a n c eo fm o t o rw a sc a l c u l a t e d b a s e do ne n e r g ym e t h o d ， r o t o rs l o tl e a k a g er e a c t a n c eu n d e rd i f f e r e n tp o l e sa n dd i f f e r e n tl o a d sw e r e c a l c u l a t e d ，a n dt h ev a r i a t i o no fr o t o rs l o tl e a k a g er e a c t a n c ew i t hl o a d sw a sg o t t e n b a s e do nt i m e s t e pf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d i s t r i b u t i o no fb r a n c hc u r r e n ti ns t a t o r w i n d i n g sa n do p e r a t i n gp e r f o r m a n c ew e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e dw h e nb r a n c h w a su n b a l a n c e ，t h em e t h o dt oc a l c u l a t ec i r c u l a t i n gl o s si ns t a t o rw i n d i n g so f n o v e lm u l t i - s t a rp h a s es h i r e dp o l ec h a n g i n gm o t o rw a sg i v e n ，a n dt h ee f f e c t so f t h el o a d sv a r i a t i o na n dd e g r e eo fu n e q u i l i b r i u mo nc i r c u l a t i n gl o s si ns t a t o r w i n d i n g sw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d i nt h ep r o c e d u r eo f f i n i s h i n gt h i sp a p e r ，s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed o n es ot h a t t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e dr e s u l t sc o u l db et e s t e d b yc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n g a b o v e ，s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r eg o t t e n ，w h i c hc o u l db er e f e r r e d b y e n g i n e e r i n gd e s i g n i i 竺堑堡竺三銮耋三耋堡圭兰竺丝塞 k e y w o r d ss p l i tc o i lm e t h o d ；s c r e wp u m p ；p h a s e - s h i f t e dp o l e - c h a n g i n g ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；c i r c u l a t i n gl o s s i 竺堑堡墨三盔兰三兰堡圭兰堡篁兰 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 目前，螺杆泵采油技术在国外几个主要螺杆泵制造和应用公司已取得了不 少的成功经验。特别是地面驱动螺杆泵采油系统具有设备简单、廉价、易管理 和节能的优点，2 0 世纪8 0 年代中期，我国各大油田也相继进行了该技术的应用 研究，尤其是近年来，在稠油井、含砂油井和低产油井等的开采中，特别是在 游梁式抽油机无法正常生产的油井中，螺杆泵在增产节能方面日益显示出巨大 的优越性。“”。1 。另外，它还可用于中后期水驱油田的采油，而且比游梁式抽油 机和电潜泵都更为经济。因此，螺杆泵在油田的用量也在逐渐扩大，近几年一 直呈增长趋势，大庆油田2 0 0 2 年增装螺杆泵装置约1 7 0 0 多台套，2 0 0 3 年又增装 t 2 3 0 0 多台套“。 美国a m o c o 公司从1 9 9 1 年开始，在南部二叠系盆地高含水油井用螺杆泵进 行采油实验，目的是比较在相同或相近的井况下螺秆泵、游梁式抽油机、电潜 泵等不同采油设备的电力消耗及机械效率，以便优选出这一地区最为经济的人 工举升措施。实验结果表明，螺杆泵装置的平均总系统效率达6 3 4 ，它比游 梁式抽油机高出1 3 ，比电潜泵高出5 0 ”1 。由此可见，螺杆泵装置具有明显 的优势，因为它不仅节能，而且效率高，用它取代游梁式抽油机和电潜泵在高 含水油井中采油，必然是最经济合理的选择。 我国许多大油田陆续步入高含水甚至特高含水期，生产井含水普遍偏高， 油的含量逐步降低，这种状况使得许多高含水油井的开采形成高投资低收益的 局面，折算下来，几乎失去开采价值。事实上，一个油田相当一部分储量要在 高含水期开采，为了开采这一部分石油，采用螺杆泵采油装置是目前最为的合 理方案。我国在2 0 世纪8 0 年代中期开始引进、使用螺杆泵采油系统。与游梁式 抽油机管式泵采油系统相比，螺杆泵作为一种新型采油系统，具有结构简单、 体积小、重量轻、维护保养方便等优点，特别适合高粘稠油井，以及高含气、 高含砂、高含水油田的原油开采，能有效的克服气锁、砂卡等现象，具有很好 的节能效果。 虽然螺杆泵总体效率要比游梁式抽油机效率高，但因为其本身正常工作 时，处于低负荷状态，而起动时又需高起动转矩，因此与之相配套的y b 系列 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 防爆电动机功率大、效率低。通过大量实验结果表明，电动机功率因数c o s 9 在 o _ 3 o 5 之间，电动机效率在4 0 6 0 之间，低效费能，即也存在与游梁式抽 油机用电动机类似的“大马拉小车”现象”。为了解决螺杆泵装置中电动机 “大马拉小车”的问题，通常采用多功率档电机，并通过智能控制装置使电机 功率档选取和负载变化相匹配，来起到节能效果。 此外，在螺杆泵采油生产中会出现的许多问题，如：1 ) 地面驱动螺杆泵 起动时，转速瞬间提高，抽油杆产生很大的惯性扭矩，导致抽油杆承受的扭矩 大于额定扭矩，抽油杆易拧断；2 ) 螺杆泵停机时，抽油杆的扭矩载荷瞬时释 放，抽油杆快速倒转，容易造成抽油杆脱扣；3 ) 螺杆泵常通过更换皮带轮， 改变生产参数，不便管理等“。为克服这些问题，可采用变频自动控制装 置，或变极电机驱动螺杆泵。变频自动控制装置的采用既可避免螺杆泵转速变 化过快带来的弊端，又可减少或不用变速装置，但变频装置价格昂贵，它的使 用将增大采油成本。 为了既消除普通螺杆泵用电机存在的“大马拉小车”现象，又克服螺杆泵 采油生产中出现的问题，课题来源项目提出了螺杆泵用高效节能节材电机及其 智能控制系统。本文主要研究螺杆泵用高效节能节材电机，该电机采用分裂线 圈法变极方案，不但成本低，操作方便，丽且与采用传统变极方法的电机相 比，变极前后电机绕组均具有很高的绕组利用率，节距选择方便，可获得合适 的磁密比，具有很好的起动与运行性能“”1 ，既消除了“大马拉小车”问 题，又克服螺杆泵在生产中出现的许多问题。这种新型高效节能节材电机具有 比同容量普通y b 系列防爆电动机高出1 3 个功率等级的起动转矩，而运行时 比原y b 系列防爆电动机节电9 2 2 左右，功率因数提高0 2 o 4 左右。该新 型电机不但可节约大量的电能。还可为电机制造厂和变压器制造厂节约大量的 材料，大幅度降低生产成本，又可为油田降低一次性投资。同时，还能大大节 约无功功率，减少对电网的污染。 与螺杆泵用新型高效节能电动机配套的智能控制柜，可根据油甩负荷变化 情况，自动调节电机转速，适应不同负载的要求，既达到节能、节材的目的， 又能保证电机的安全运行，另外该系统还可以直接或稍做改进后，广泛用于游 梁式抽油机、输油泵、风机、水泵、空气压缩机、冶金、矿山等多种行业和场 合。因此，开发螺杆泵专用新型节能节材电动机不但具有巨大的经济效益，而 且还有重大的社会效益和十分广阔的市场前景。 综上所述，本课题的研究成功将为我国石油及相关工业节约大量的能源费 用，具有巨大的经济和社会效益。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 螺杆泵采油系统 1 2 1 螺杆泵采油系统国内外水平及发展趋势 国外对螺杆泵采油技术的研究已持续7 0 多年。螺杆泵问世于上世纪3 0 年 代，1 9 3 0 年5 月1 3 日，r n e n ej l m o i n e a u 在法国首先获得了螺杆泵的第一个 专利。美国最早把螺杆泵应用于石油工业。从1 9 3 6 年起就开始从事深井采油用 螺杆泵的尝试和研究，用并下潜油电动机作动力源。2 0 世纪5 0 年代中期又应用 螺杆泵的原理开发钻井用的螺杆钻具，并由s m i t hi n t e r n a t i o n a l 公司率先取得成 功，命名为d y n ad r i l l 。前苏联的全部石油地质储量中，有一半是高粘稠油， 用常规方法( 有杆泵和电动潜油离心泵) 难以开采，2 0 世纪5 0 年代末就设计出 了井下驱动的三螺杆泵，用来开采稠油。1 9 7 0 年，前苏联钻井泵专门设计局成 功地试制出了井下电动潜油泵单螺杆泵，并很快形成了单螺杆、双螺杆和三螺 杆三大系列产品。法国虽是最先制造螺杆泵的国家，但把它应用到石油工业上 却很晚，2 0 世纪6 0 年代末，才在s o l a i e 蹄场完成井下采油螺杆泵的台架试验和 取得开采高粘原油现场试验的成功“3 。图1 1 给出了地面驱动螺杆泵在不同时期 和不同领域的应用。 1 矗 一 鬻l o i 口 0 1 9 蝈1 1 l 蚰619110挎孵 图1 - 1地面驱动螺杆泵在不同时期的应用领域 f i g 1 lt h ea p p l i c a t i o nf i e l d so f s c r e w - p u m pw i t hs u r f a c ed r i v i n gi nd i f f e r e n tp e r i o d r o b b i n s & m y e r s 公司是美国制造井下螺杆泵历史最长和技术力量最雄厚的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 厂家，该厂在生产井下采油螺杆泵的同时，仍坚持不懈的进行用高强度抽油杆 替代潜油电动机的地面驱动螺杆泵的研究，累计耗资数千万美元。尽管期间几 经波折，曾一度停顿l o 年多，但终于在2 0 世纪8 0 年代一举成功。地面驱动螺杆 泵不用井下潜油电动机和电缆，将动力源由井下移到地面，直接用加强级抽油 杆传递旋转动力，这样与常规抽油机一管式泵采油系统相比，大幅度的降低了 成本和故障率，从而使地面驱动螺杆泵得到成功的应用，成为现代采油技术的 一大突破。目前，地面驱动螺杆泵在美国、加拿大、法国、独联体、德国等国 已得到大范围的推广使用。国外从事该类泵生产的厂家很多，其中闻名的有美 国的r o b b i n s & m y e r s 公司和g e n t r i l i f t h u g h e s 公司、法国的g r i f f i n 联合公司等5 家。r o b b i n s & m y e r s 公司的实验表明，对于不能自喷的油井，地面驱动螺杼泵 比抽油机提高产油率2 3 5 。 图1 - 2 地面驱动螺杆泵采油现场 f i g 1 - 2w o r k i n gs t a t u so f t h es c r e w - p u m pw i t hs u r f a c ed r i v i n g 国内引进、研究螺杆泵采油系统及相关设备已经近2 0 年。大庆油田1 9 8 6 年 6 f 采用法国g r i f f i n 公司的2 台4 1 8 型地面驱动螺杆泵与5 型抽油机及4 5 6 抽油泵 系统进行了对比实验：在采油三厂的北4 3 7 2 井，前者日产液量提高2 8 5 7 ， 日产油量提高6 6 6 ，泵效达9 1 3 ，电动机功率减少5 5 8 8 ，每吨液量耗电减 少2 6 8 ，抽油机重量减少9 0 1 4 ；在采油六厂的喇9 3 2 6 6 井，前者日产液量 提高1 2 3 ，日产油量提高2 5 0 ，泵效为9 3 1 ，电动机功率减少5 5 8 8 。图1 - 4 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 为大庆油田螺杆泵采油设备的现场情况。 地面驱动螺杆泵重量轻，一次性投资少，与抽油机秆式泵系统比，成本 低，收效快，被西方国家称为“经济泵”，相对于其它现有机械采油设备来 说，具有良好的市场竞争能力。若考虑到老井设备的更新，地面驱动螺杆泵自 身的折旧和报废等因素，预计满足油田采油设备发展所需要的年生产能力应在 4 0 0 0 台( 套) 以上，目前我国正在使用的地面驱动螺杆泵相对游梁式抽油机而言 比例很小，缺口颇宽，市场潜力很大，具有光明的开发前景”1 。 1 2 2 地面驱动螺杆泵的工作原理 1 - 防滑卡瓦；2 一防扭# 瓦：3 减速器；4 - 螺旋密封；5 一密封盒；6 一出e l - - 通；7 一支架 8 - 油管；9 - 抽油杆；1 0 - 对接器；l i 上接管；1 2 转子；1 3 定子：1 4 卜接管； 1 5 - 限位销；1 6 - 尾管；1 7 - 花管；1 8 封隔器；1 9 千斤支座；2 0 防爆电机 图l 一3 地面驱动螺杆泵采油系统结构简图 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r ef i g u r eo f s c r e ww e l lp u m pp r o d u c t i o ns y s t e mw i t hs u r f a c ed r i v i n g 哈匀 滨理1 ：大学工学硕十学位论文 螺杆泵采油系统目前有两种类型，即地面驱动螺杆泵和井下驱动螺杆泵。 前者的动力机组、减速器置于地面，通过抽油杆带动螺杆泵转子旋转，将油举 升到地面。后者的动力机组、减速器置于地下，直接驱动螺杆泵转子旋转，将 油举升到地面。在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也比较成熟， 但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失，设备也比较少，具有较高的采油效 率，国内下处于试验阶段，因此，国内各油田现用的螺杆泵采油系统，一般都 选取地面驱动方式。为了便于对工作原理的介绍，先介绍一下地面驱动螺杆泵 系统的结构。 1 地面驱动螺杆泵采油系统的基本结构 地面驱动螺杆泵采油系统的基本结构如图1 - 3 ，主要由地面设备和井下设 备组成。井下设备有螺杆泵和锚定工具，地面设备主要有驱动头、动力设备及 井口。现将这一系统的主要设备做一简介1 。 1 ) 动力源 螺杆泵采油系统采用的动力源有电机、柴油机、液压马达等，其中电机通 过皮带轮将动力传至驱动装置，操作简便、易于管理，是应用最广泛的一种： 柴油机通过皮带将动力传给驱动装置，这种方式可用在无电网地区，但管理费 也相应增加，国内有些油田已采用。 2 ) 驱动头 驱动头是一个减速装置，他将动力源的高转速降低到适合螺杆泵及抽油杆 柱的转速，一般为1 5 5 0 0 r m i n ，目前应用的驱动头结构形式主要有偏置 式、平衡式和一体式。其中平衡式稳定性好，油田应用较多。 3 ) 井口密封 螺杆泵抽吸的液体到达井口，流入集油管线，其井口回压一般应保持1 0 m p a 左右，以保证液体流送到计量间。从工程应用角度考虑，井口盘根密封最 低压力不应小于1 o m p a ，由于洗井解堵时压力可达1 0 o m p a ，因此井口密封的 短期最大压力应达1 0 o m p a 。 4 ) 防反转机构 螺杆泵在运转后，井下抽油杆柱积累了一部分变形能量，再加上液面深度 与油管内液体的高度差，在螺杆泵停机时，抽油杆柱将高速反转，若不加以限 制，势必会造成抽油杆的脱扣。因此，在螺杆泵驱动装置上应安装防反转机构 或采取其他措施。 5 ) 螺杆泵 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 螺杆泵是井下的主要设备，它由定子和转子组成。其中定子是由橡胶衬套 粘接在钢体外套内形成的，转子是由合金钢调质后经防腐耐磨处理的。定子的 磨损程度直接影响着螺杆泵的使用寿命。 6 ) 防转锚 为了实现螺杆泵的定子和转子间的相对转动，在定子下端必须安装防转 锚。当螺杆泵正常运转抽油时，抽油杆柱带动转子正转，并通过摩擦力带动定 子和油管柱正转，此时连接在定子上的防转锚牙块伸出，与套管咬死，阻止油 管杆和定子正转，从而实现螺杆泵定子和转子的相对运动；反之，当油管柱受 到反力矩时，牙块缩回，与套管松开，不限制油管柱和定子的运动，可进行起 下油管柱作业。 7 ) 防脱器 在下泵过程中，先将定子和油管杆下井后，再将转子和抽油杆柱下井。此 时，由于转子外形为螺旋线，在下放过程中会发生旋转，而转予和抽油杆柱又 连接在一起，若抽油杆柱不旋转势必会导致抽油杆脱扣。为此，在抽油杆和转 子之间需安装防脱器或采取其他措施来解决这一问题。 8 ) 扶正器 为了使螺杆泵和抽油杆柱保持稳定运转、不发生振动和杆管柱磨损，需在 油管柱和抽油杆上分别安装扶正器。扶正器是螺杆泵采油系统中不可缺少的井 下配套工具，可选用金属材料和非金属材料进行制造，其中金属材料的耐磨件 一般应低于抽油杆、油管或套管，通常选为球墨铸铁，而非金属材料通常为尼 龙或橡胶。 2 地面驱动螺杆泵采油系统的工作原理 电动机通过三角窄v 胶带传动减速器，经螺旋圆锥齿轮减速后将动力传给 垂直的空心轴，在空心轴上端设置有防扭卡瓦和防滑卡瓦，分别用于传递扭矩 和承受抽油杆的重量。当空心轴转动时，带动卡瓦转动，与卡瓦连接的抽油杆 旋转而带动井下螺杆泵工作。当转子在定子中旋转时，由于定子比转子多1 条 螺旋线，所以，在转子与定子之间形成了许多密封腔。这些密封腔随着转子的 旋转而不断变换位置，并成周期性地重复出现，而且转子沿着自身轴线旋转的 同时，平行于定子轴线，并沿一定半径的圆周滚动，从而将井内的液体由底部 密封腔逐级推向顶部密封腔，并且逐级提高压力，于是，把井内液体连续不断 地升举到地面。通过更换减速器的胶带轮分别使螺杆泵得到1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、 2 5 0 、3 0 0 r m i n 五种转速，从而实现调节油井产量的目的。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 3 地面驱动螺杆泵的优缺点 螺杆泵被用作石油工业中的人工举升设备开始于2 0 世纪8 0 年代初期， k o i s & m y e r s 公司率先在采油工程莫依诺原理应用于人工举升，制造了首批采油 螺杆泵，并把螺杆泵作为一种新型的人工举升技术推向市场。进入2 0 世纪9 0 年 代，嫘杆泵的研究与应用得到快速发展，许多技术规范已经制定出来，每年都 有一此新工艺、新技术进入应用领域。目前，螺杆泵举升技术和其他举升技 术一样，已被国内外各油田广泛采用。 地面螺杆泵采油系统与其他机械采油设备相比，具有以下优点“： 1 ) 节省一批投资。螺杆泵与电动潜油泵、水力活塞泵、游梁式抽油机 相比，结构简单、价格低。 2 ) 地面装置结构简单，安装方便，可直接接在井口套管四通上，占地面 积小。 3 ) 泵效高、节能、管理费用低。由于螺杆泵是容积泵，流量无脉动，轴 向流动连续、流速稳定，因此它与游梁式抽油机相比，没有液柱和机 械传动的惯性损失，是现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机 种之一。 4 ) 适应于高含砂井。般情况下，在原油含砂量高( 最大含砂量可达到 4 0 ) 的条件下螺杆泵能够正常工作。 5 ) 适应于粘度变化范围较大的井，可以举升稠油。一般来说，螺杆泵可 以举升粘度为8 0 0 0 m pa s ( 5 0 ) 以下的各种含原油流体。 6 ) 适应于高含气井。螺杆泵不会气锁，比较适合于油气混输，但井下泵 入口的游离气体会占据一定的泵容积，降低泵效。 7 ) 允许井口有较高的回压。在保证正常抽油生产情况下，井口回压可控 制在1 5 w p a 内或更高，因此对边远井的集输很有利。 8 ) 由于井口设备占地面积小，适用于海上油田的丛式井和水平井。 虽然螺杆泵采油具有很多优点，但某些方面也存在一定的缺点，具体是： 1 ) 定子为橡胶材料，最容易损坏。若定子寿命低，会导致检泵次数增 多，螺杆泵举升技术的经济效益就会下降。 2 ) 泵需要流体润滑，如果在缺少足够量的液体润滑和散热的情况下工 作，则泵会因过热而引起定子弹性体老化，甚至烧毁。 3 ) 定子橡胶不适合在注蒸汽井中工作。 4 ) 与有杆泵相比，总压头较小。目前大多数油田应用在井深1 0 0 0 m 左右 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 的井，当下泵深度大于2 0 0 0 m 时，扭矩大、杆脱断事故率比较高，技 术还不过关。 综上所述，螺扦泵采油技术也和其他举升方法一样，都有其优缺点和使用 条件，各油田可根据开发区块的实际情况进行选择。但是，螺杆泵利用旋转运 动实现抽油，可以弥补其他举升技术的不足，具有良好的经济效益和广阔的应 用前景。 1 3 课题来源及工作 本课题来源于2 0 0 4 年哈尔滨市重点科技攻关项目“螺杆泵用高效节能节材 电机及智能控制系统”，项目编号为：1 0 5 4 1 2 0 0 8 。 本课题系统地介绍了基于分裂线圈法新型多星形移相变极的绕组排列方 案，进一步研究了线圈分裂比( 未移出线圈匝数与已移出线圈匝数的比值) 的 确定方法，利用有限元法计算分析了样机的起动和运行性能，给出了计算支路 不平衡引起的定子绕组环流损耗的方法。 本文的工作主要包括以下几个方面： 1 ) 实地探测螺杆泵用电机的运行工况，了解螺杆泵抽油机的工作原理、 国内外发展状况、应用前景及采油生产过程中出现的问题。 2 ) 了解变极技术的发展状况，以及各种变极方案的优缺点，深入研究分 裂线圈法新型多星形移相变极绕组的排列方案，掌握绕组排列方法。 3 ) 进一步分析分裂线圈法新型多星形移相变极绕组中线圈分裂比的确定 方法。 4 ) 根据电磁场理论，建立定子为分裂线圈绕组的新型多星形移相变极电 机二维电磁场数学模型，采用有限元法计算电机性能。 5 ) 分析定子绕组支路不平衡时，支路电流的分布情况，给出新型多星形 移相变极电机定子绕组环流损耗的计算方法，并研究分析定子绕组环 流损耗与负载的变化关系，以及支路不平衡度大小和定予绕组环流损 耗的关系。 6 ) 完成大量的相应实验，主要有：空载试验，堵转试验，模拟油井的运 行性能试验，附加损耗试验，定子绕组环流损耗试验。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 第2 章新型多星形移相变极方案 新型多星形移相变极方案是基于分裂线圈法思想，通过对部分线圈分裂并 移相，使得相绕组支路不平衡度大大减小，绕组被全部利用，绕组利用率得到 有效提高，提高了电机性能，且线圈节距选择灵活度高，容易取得适当的磁密 比，具有很好的应用前景。但是针对该方法较为系统的论述及线圈分裂比的准 确确定，均未有介绍。本章将对新型多星形移相变极绕组设计方案作较为详细 的介绍，并对线圈分裂比的确定方法作了理论分析。 2 1 变极技术及其发展 对工农业中用得最多的三相鼠笼式异步电动机，最简单、有效的调速方法 是在定子上采用极数可以改变的变极绕组。交流绕组的变极方法是多种多样 的。从所装绕组套数来看，如果在定子上装两套极对数不同的绕组，每次用其 中一套，即构成所谓双绕组变极；如果只装一套定子绕组而用改变绕组连接法 来获得两种或多种极对数，则构成所谓单绕组变极。 与单绕组变级相比较，双绕组变极具有下列优点：每套绕组都是f 常分布 的绕组，可按常用的6 0 0 相带绕组连接，接线简单，跨接线很少。如果每套绕 组按槽数为l 2 计算出来的每极每相槽数q 都是整数或分母为2 的分数，则两套 绕组的磁动势都不存在“次谐波”，因而没有由“次谐波”引起的振动和由损 耗引起的发热问题。 但双绕组变极也存在一系列缺点”“： 1 ) 两套绕组每次只用一套，与单绕组变极比较，定子用铜量约增加一 倍，因此大大降低了电机的有效材料消耗指标。 2 ) 在每一运行工况中，槽内上、下层线体一冷一热产生相对运动，因此 绕组的端部固定和槽内线棒间的磨损是两个突出问题。 3 ) 由于增加一套绕组，势必增加槽深，引起定子漏抗加大，并因此导致 电机的瞬变电抗x 。，变大。众所周知，漏抗加大将降低异步电动机的 过载能力，而x 变大则将降低同步电机的动态稳定性。 4 ) 由于每套绕组的槽内有效散热面减少，双绕组变极方案的定予铜温往 往要比单绕组铜温高。 5 ) 由于双绕组变极时每套绕组相当于只占一半槽数的双层绕组，因此在 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 某些情况下，与单绕组变极相比较，双绕组变极方案的磁动势谐波含 量反而较多，且幅值较大，因而引起振动和损耗发热问题”。 由上分析可见双绕组变极的缺点多于其优点，因此只在特殊情况下爿采 用，具有较大实际意义的是单绕组变极法。 单绕组变极主要类型有：反向法、换相法和不等匝法。反向法变极是指在 实现单绕组变极时，如果不改变各槽的相序，而仅在每相内部改变所属线圈的 连接方法，以改变部分线圈中的电流方向的变极方法；换相法变极指如果变极 时打破原来的三相界限，把各线圈重新组合、重新分配给三相；不等匝法是在 单绕组变极绕组中，适当地调整若干线圈匝数，而使支路对称无环流的变极方 法“”。反向法变极的特点是电机的出线少，在大多数情况下，可以做到出线 只有六根，从而简化变极开关设计，但前后极的分布系数往往较低：换相法变 极的特点是可以做到两种极数都具有较高的分布系数，但电机出线数较多，接 线复杂；不等匝法虽可克服以上两者的缺点，但也有自身的缺点，节距选择不 灵活，很难在变前极与变后极之间获取适当的磁密比。 反向法单绕组变极有许多不同方法，主要有三种：安导调制法、对称轴线 法和多段组合法。安导调制法又称“极幅调制法”，在2 0 世纪5 0 年代未，英 国人首先提出这种变极法”“，是最先提出的一种反向单绕组变极，并在2 0 世纪 6 0 年代逐步加以完善”“”“”“”。该法用一个调制波去调制变前极的安导波，从 而求得变极时哪些线圈中的电流必需改变方向。安导调制法的优点是比较直观 易懂，并有一定规律性。但存在一个主要缺点，不能保证调制出来的变后极绕 组一定三相对称。对称轴线法是为了克服安导调制法不能保证变后极三相对称 的缺点，采用矢量法分析变极绕组而总结出来的单线组变极法“，该方法由于 用槽号相位图代替矢量图，找到了如何把每相绕组划分为两段以便反接其中一 段而实现变极的简单规律，从而做到：只在三相槽号相位图上画上三根对称轴 线，便解决了问题。对称轴线法既可用于反向法变极也可用于换相法变极。多 段组合法，主要用于定子槽数为1 8 的倍数，并且变前极和变后极的极对数中一 为偶数，一为奇数时。 换相法单绕组变极的方法也很多，主要有：对称轴线法、多段组合法。前 面指出，对称轴线法既适用反向法变极也适用于换相法变极。利用三根对称轴 线可以直接求得任何极对数比的6 0 。相带( 变前极) 变1 2 0 。相带( 变后极) 的 变极方案，利用六根对称轴线则可以直接求得变前极和变后极都是6 0 。相带绕 组的变极方案。多段组合法，把全部槽号沿气隙圆周分为若干段，称为“空间 相带”，改变这些空间相带的相属和电流方向来改变极数。实际应用可把对称 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 轴线法和多段组合法结合在一起，即利用对称轴线法来确定多段组合法中各空 间相带的相属和正、负号。 在以上的变极方法中，许实章教授对对称轴线法进行了非常深入的研究， 利用对称轴线法分别实现了：变前极为正规接法绕组的反向法变极，反向法变 极的对称条件分析，p ，为3 的倍数的反向法变极，变前极变后极皆非正规接法 绕组的反向法变极，变前极和变后极都是6 0 0 的换相法变极，变前极为j 下规6 0 。 和1 2 0 0 相带的换相法变极，6 0 0 相带变9 0 。相带的换相法变极和a y 混合接法的 常规绕组换相法变极绕组，三种( 1 ：2 ：4 和2 ：3 ：4 ) 和四种( 1 ：2 ：3 ：4 ) 极数的单绕组变极，以及一定共轭关系的四种技术的单绕组变极，用电子计算 机实现了对称轴线法变极。另外他还研究了双波起动感应电动机的变极方案， 提出了无环流3 y 3 y 连接换相变极绕组对称并联条件”“，变极绕组设计中对称 位移迭加原理”等系统理论。 此外，广东机械学院杨杰、张城生学者提出了用单、双绕组消除了定子5 4 槽4 6 极、6 8 极多星形变极绕组中的环流的变极方法。3 ，上海电机公司五一电 机厂沈卫国工程师详细介绍了y d 3 1 5 。6 4 双速电机采用3 y 4 y 换相法变极设计 方案5 ，华中理工大学于克训和刘小洪教授将遗传算法等优化算法应用于反向 法变极”“”“。 a b c b c ( a ) 3 y ，3 y + y( b ) 3 y 4 y 图2 - l 传统方案的绕组连接方式 f i g 2 - 1c o n n e c t i o nm o d ew i n d i n g so f t r a d i t i o n a ls c h e m e 以上的变极方法中，大多数保证相并联支路间感应电动势平衡，从而消除 相支路间不会由于感应电动势不平衡而引起的定子绕组环流损耗。但不管是反 向法变极还是换相法变极，其绕组总体连接方式可归纳为图2 1 所示的两种基 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 本类型，都存在着在一种极数下绕组系数较低，绕组实际利用率低，失去了更 高效用。而不等匝变极绕组为了保持每个槽中等数目导体，线圈节距不能任意 选取，因此节距选择不灵活，很难在变前极与变后极之间获取适当的磁密比。 黄士鹏教授于1 9 8 8 年首次提出了允许相绕组支路问存在很小不平衡的多星 型移相变极方案，1 9 9 0 年进一步介绍了该方法，并提出了由相绕组支路间存在 很小支路不平衡而引起的定子绕组环流损耗的实用计算方法，1 9 9 4 年对1 9 9 0 年 的实用方法作了实验证明。该变极方法，通过对部分线圈分裂并移相，使得相 绕组支路不平衡度大大减小，绕组被全部利用，绕组利用率得到有效提高，提 高了电机性能，且线圈节距选择灵活度高，容易取得合适的磁密比。 2 2 新型多星形移相变极方案 移相变极是用改变线圈相序但不改变连接方向的办法来变极。设某个线圈 变极前属相为a ，则变极后可为一或曰或c ；如变极前属相为，则变极后可 为x 或y 或z 。即变极后各槽线圈被分配到对分布系数最有利的相内，这样可 使每相绕组的主波槽矢量控制在1 2 0 。范围内，与反接变极控制在1 8 0 。内相比， 能得到较大的主波分布系数。每相绕组分成三段，全部绕组分成九段，共有较 多出线头数( 1 5 个) ，换接开关也相应复杂。 新型多星形移相变极是允许相绕组支路间存在很小的不平衡的移相变极方 案。该方法是基于分裂线圈法思想，通过对部分线圈分裂并移相，使得相绕组 支路不平衡度大大减小，绕组被全部利用，绕组利用率得到有效提高，且线圈 节距选择灵活度高，容易取得适当的磁密比，有效地提高了电机性能。 2 2 1 新型多星形移相变极绕组排列方法 新型多星形移相变极绕组的排列原则是通过合理移相或进一步地选择分裂 线圈的槽号和线圈分裂比，使得变极后相支路问感应电动势不平衡度为零或近 似为零，基本满足支路并联条件。其绕组排列基本步骤如下： 1 ) 绘出多支路绕组基本接线图，并确定变极前极数2 n 与变极后极数 2 办，选择相带，得出前后极下支路相位对应关系。 2 ) 计算变极前和变极后电角度和口，以及变极前的每极每相槽数 吼，排列变极前绕组，计算变极后2 p ：下各槽相位角纯，根据计算出 的相位，将各槽划分到变极后2 p ，的相带，并按( 1 ) 中得出的相带与 支路对应关系把槽号分配到对应支路中。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 ) 选择变后极下的一相支路，观察各支路所占槽号的相位，计算各支路 合成电动势相位角，均衡这些相位角，若无再分裂的可能，直接进入 步骤( 6 ) ，若有分裂部分线圈使支路不平衡度减小，则确定该相合成 电动势相位仇。 4 ) 以仇为基准，将该相下各支路中相位角偏离纯最大槽号z 。选出，并 从在变前极p ，下与z 。同相位槽中，选择有利于增大合成电动势大小 的一个槽，将该槽中n ，( i + k ，) 匝线圈分裂出并代替z 。的 n ，( 1 + k c ) 匝线圈，使该相各支路合成电动势幅值相等，相位与仇相 同，得到平衡支路。其中，为每个线圈匝数，群为线圈分裂比。 5 ) 重复步骤( 3 ) 与( 4 ) ，使得其它两相支路也得到平衡，并且三相支 路感应电动势大小相同，相位相差1 2 0 。 6 ) 将分裂调整后的槽线圈号对应的放置于各支路中，即可得到新型多星 型移相变极电机定子绕组具体接线图。 a b c a b c 少极2 p 2多极2 p i 少极：爿，b ，c 接电源，口，b ，c 悬空 多极：a ，b ，c 接电源，一，b ，c 悬空 图2 2 多支路绕组基本接线图 f i g 2 - 2b a s i cc o n n e c t i o nd i a g r a mo f m u l t i b r a n c hw i n d i n g s 一般来说绕组基本连接图，如图2 2 所示，绕组共分为9 段，只有六个出线 头，这样大大降低了控制开关的难度。为了获得相近的磁密比，通常以多极作 变前极，少极作为变后极；由于1 2 0 0 一1 2 0 0 相带交极绕组利用率不高，所以一 般选用6 0 0 1 2 0 0 相带变极。1 2 0 0 4 1 2 0 。相带变极，如果两种极数下，每极每 相槽数都为整数，两种极数下谐波分布稀疏，适用于性能要求高的变极电机， 如变极蓄能电机的定子绕组可考虑应用这种类型。 复 o o o 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 定子3 6 、5 4 槽4 6 极新型多星形移相变极方案的研究 下面分别以定子3 6 槽4 6 变极和定子5 4 槽4 6 变极为例，说明新型多星形移 相变极绕组的具体排列过程。 1 定子3 6 槽4 6 变极方案 1 ) 绕组基本连接图如图2 2 所示，变极前为2 p 。= 6 极，6 0 。相带，变极后 为2 p ：= 4 极，1 2 0 。相带。由图2 - 2 可得4 6 极下槽号相位角与支路对应 关系如表2 1 所示。 表2 。14 6 极下支路与相位的对应关系 支路绕组 lm l n lr sj t l u l vw 4 极 aa i a b l b l b i cc l c 6 极 ab i c j ab l ca i bc 2 ) 变极前和变极后电角度分别为： x 3 6 0 。：= 3 0 * z l 旦盟：2 0 。 z 表2 2 变极前后各槽所属相带 ( 2 - 1 ) 槽 6 极4 极 槽 6 极4 极 槽 6 极4 极 号 丸 相 丸 相 号 以 相 丸 相 号 丸 相 丸 相 d e g 带 d e g 带 d e g 带 d e g 带 d e g 带 d e g 带 13 0a2 0a51 5 0b1 0 0a32 3 0c2 4 0c 26 0a4 0a61 8 0b1 2 0a - 4 3 0 0c2 6 0c 73 0a3 2 0c1 l1 5 0b4 0a92 7 0c1 8 0b _ 86 0a3 4 0c1 21 8 0b6 0a1 03 0 0c2 0 0b 1 33 0a2 6 0c1 71 5 0b3 4 0c1 52 7 0c1 2 0b 1 46 0 a 2 8 0c1 81 8 0b3 6 0c1 63 0 0c1 4 0b 1 93 0a2 0 0b2 31 5 0b2 8 0c2 12 7 0c6 0a - 2 06 0a2 2 0b2 41 8 0b3 0 0c2 23 0 0c8 0a 2 53 0 a 1 4 0b2 91 5 0b 2 2 0 b一2 72 7 0coa 2 6 6 0a1 6 0 b 3 01 8 0 b 2 4 0b 2 83 0 0c2 0a 3 l3 0a8 0a- 3 51 5 0b1 6 0b3 32 7 0c 3 0 0 c 3 2 6 0a1 0 0a3 61 8 0b1 8 0b3 43 0 0 c3 2 0 c 由变极前每极每相槽数( 极相组) g 。= 2 ，得出变极前2 p 。= 6 时绕组排列 如表2 2 所示，表中“一”表示该槽线圈反接。 由表2 2 和表2 一l 可得各支路连接槽号如表2 3 所示： 表2 34 极时槽号与支路分配表 t a b l e2 3d i s t r i b u t i o nl i s to f s l o tn u m b e ra n db r a n c h 支路槽号及相位角 l l ( 2 0 0 )2 ( 4 0 0 )3 l ( 8 0 0 )3 2 ( 1 0 0 0 ) m 1 1 ( 4 0 0 )1 2 ( 6 0 0 )5 ( 1 0 0 。)6 ( 1 2 0 0 ) n 0 7 ( 0 0 )- 2 8 ( 2 0 0 )2 1 ( 6 0 0 )2 2 ( 8 0 。0 ) r 2 5 ( 1 4 0 0 )2 6 ( 1 6 0 。)一1 9 ( 2 0 0 0 )- 2 0 ( 2 2 0 0 ) s 一3 5 ( 1 6 0 0 )- 3 6 ( 1 8 0 0 )2 9 ( 2 2 0 0 )3 0 ( 2 4 0 。) t o ，( 1 2 0 0 )- 1 6 ( 1 4 0 0 )9 ( 1 8 0 0 )l o ( 2 0 0 0 ) u 1 3 ( 2 6 0 。)1 4 ( 2 8 护)- 7 ( 3 2 0 0 )8 ( 3 4 0 0