CN2266220Y - 抽油机用三相交流电动机 - Google Patents

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抽油机用三相交流电动机。绕组的基本型式为星形-三角形混合绕组。可接成9个出线端，制成可调式高转矩起动后，转换为中高转矩或低转矩高效节能运行的抽油机用三相交流电动机。也可仅结成Y-△绕组，3根出线，制成不可调试高出力、高效抽油机用三相交流电动机，体积小，重量轻。

Description

抽油机用三相交流电动机
本实用新型涉及一种抽油机用三相交流电动机。
我国引进的美国石油协会的各种抽油机，基配套动力是一种超高滑差式电动机，采用了NEMA标准设计D制造，起动转矩大，起动电流小。并且定子绕组引出9根出线，改变引出线接线方式，电动机可作高转矩、中高转矩、中低转矩、低转矩四种运行。其主要特点是转差率高，机械特性软而起动转矩大，体积小，可转换接法而节能。《中小型电机》1985第1期P27-29载文“超高转差率三相异步电动机工作特性及节能效果的分析”一文，对该YCCH型电机作了典型的叙述。但由于该电机转子损耗大、效率低(只60％)、温升高的弊端，及转子铸铝工艺复杂、成本造价居高不下，使用也不太可靠，故未广泛应用。
现我国油田普遍应用的仍是YCY、Y系列电动机，基本按ZBK22007-88《Y系列(IP44)三相异步电动机技术条件》设计制造。按抽油机起动转矩选择电动机额定功率，起动和使用可靠，电机售价也低于YCCH电机，但只一种△接法而不能转换，性能一般，运行时效率和功率因数极低，大马拉小车，电机本身耗能较多。
本实用新型的目的是提供一种抽油机专用电动机。该电动机主要特征为：(1)起动转矩大，起动电流小，能顺利起动抽油机；(2)在抽油运行中，电机效率和功率因数仍保持较高标准值，而高于现用电动机。甚至随油井油质不同而能分档运行，电机运行进入最佳节能状态；(3)工作可靠，或兼缩小体积、减轻重量。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：(1)定子绕组是将普通60°相带的与每极每相槽数q(＝Z1/3P，Z1为定子槽数，p为磁极数)相等的q个线圈，按既定要求分为三角(△)形部分q△个和星(Y)形部分q，个两类匝数及线径不同的线圈。当q＝偶数时，q△＝qy＝q/2；当q＝奇数时，一般可制成q△＝(q+1)/2，qy＝(q-1)/2。同相绕组的Y部分顺相序落后于△部分30°空间电角度嵌放。当并联路数相等时，△部分与Y部分每个线圈的匝数比为
Figure Y9523657900041
倍。(2)每相绕组可引出首、中、末3个出线端，其中首端接Y类绕组、末端接△类绕组、而中端恰接在Y与△两类绕组的连接处，整台电机可引出9个出线端，以便在外部转换三相三角(△)形、星-三角(Y-△)串联形、星(Y)形三种接线方式，制成可调(功率)式电机分档运行；也可在内部接成Y-△低谐波基本绕组一种固定连接，仅引出3个(首端)出线端，制成不可调(功率)式电机。(3)转子采用双笼或异形槽，以进一步增加堵转转矩，降低堵转电流。
现以实施例可调式电机YWCT280M2-8,55/45/30KW及不可调式电机YWC280M1-8,55KW为例，结合F列附图对实现本实用新型的最好方式作详细阐述。
附图的简要说明：
图1是72槽8极可调式电机绕组展开图。
图2是72槽8极不可调式电机绕组展开图。
图3是可调式电机绕组分相与线端标志图。
图4是不可调式电机出线端标志图。
图5是可调式电机高转矩档三角(△)形接线图。
图6是可调式电机中高转矩档星-三角(Y-△)串联形接线图。
图7是可调式电机低转矩档星(Y)形接线图。
图8是可调式电机分档转换电气控制原理图。
一、电磁设计方案及关键工艺
1.电磁设计和成型线圈制造。本实用新型的设计方案，是在现有三相异步电动机的基础上，仅对其定子绕组结构及转子槽形改进而实现的。现有Y系列电机的定子绕组普遍采用60°相带绕组。绕组的基波系数由于相带分布较广而较低，而高次谐波的存在使得杂散损耗大而影响电机起动性能和效率的提高。而据本实用新型的技术方案，则应将此现有定子绕组60°相带的q个线圈，分成qy、q△个两部分30°相带线圈，本实用新型实施样机定子槽数Z1＝72槽，磁极数P＝8极，据公式计算q＝3，qy＝1，q△＝2。进而按电机电磁设计程序其他通用公式计算出线圈匝数等全部技术数据。
对于YWCT系列可调式电动机，基于上述Y-△绕组，9个出线端，构成的基本绕组型式，应具有低谐波绕组磁势，同时又增大基波绕组系数。并且，可在同一电源电压下转换Y-△、△、Y三种接法，这样，电机随之具有三种额定功率和相应的电磁特性。应对三种接法分别设计计算，并进行多方案对比选优。三档功率电磁方案表明，转差率Y接最高，Y-△接次之，△接一般为最低。
对于YWC系列不可调式电动机，基本绕组仍为Y-△绕组，且仅此一种接法，3根出线，转差率也较高。设计计算只考虑一种额定功率，毋须考虑Y、△接法另两种功率及性能，所以可简化设计。而且高效率绕组优势能充分显示。与同容量Y系列电机相比较，可节省较多的铜、铁材料。即体积小，重量轻。
根据设计计算出的△、Y两部分绕组匝数、线规、线圈数，分别绕制两类成型线圈。以下我们把Y部分线圈称I类线圈，△部分为II类线圈。
2、线组嵌入排列。如图1、图2所示，图中阿拉伯数字1、2、3、…代表铁蕊槽号和线圈号。编号原则是线圈和线圈的上层边所在的槽编为同一号码，实、虚线分别代表双层绕组的上、下层边。图1中线圈节距为1-9。图2中线圈节距为1-10。相邻线圈连线及极相组间的过桥线都绘在绕组端部一侧。如此构成三相迭绕组。图1中U1、V1……W3等分别代表9个出线端标志。图2中U1、V1、W1表示3个出线端标志。
本实用新型的基本型式为30°相带星-三角混合绕组。图1有9个线端，是可调式电机。通过外部9根引出线可转换Y-△、△、Y三种接法。图2仅有3个线端，是不可调式电机，已在内部结成Y-△一种接法，不可转换成△或Y接法。
总之，绕组是一种基本的30°相带Y-△绕组。在绕组排列上，应把同相绕组的Y部分顺相序落后于△部分30°空间电角度嵌入。在图1、图2中，定子旋转磁场方向与转子旋转方向逆槽号1、2、3…72方向旋转，以U相绕组为例，Y部分1号线圈是滞后于△部分2、3号线圈30°电角度嵌入的。
图1、图2中，qY＝1的单个线圈如1、4、7…为I类线圈，而q△＝2的双连线圈，如2、3，5、6，7、8…为II类线圈。
绕组连接的变换，主要是下述端部连接线的作用。
3、绕组端部结构。从图1、图2的绕组展开图看出，繁复的每槽绕组实质为I类1号线圈顺4、7…类槽号的重复及II类2、3号线圈顺5、6，8、9…类槽号的重复。嵌线时，如图从第1号槽起，1号槽嵌I类线圈1个，2、3号槽嵌II类线圈2个，往下依次按I类1个，II类2个嵌完。在线圈两端都垫入相间绝缘。可见，嵌线同于普通电机工艺。其结构的特征在于分I、II两类线圈和各线圈之间的接线及端部结构不同。现在q分为q△和qY两个极相组，端部相间绝缘也增多1倍。
二、本实用新型分档转换原理
图1为可调式电机9出线线端标志及分相，说明如下表1
表1是可调式电动机分相及出线端标志
Figure Y9523657900071
由于每相绕组按I、II类线圈排列分成两半，通过每相首、末中端，三相共9根引出线，以便在外部将三相绕组接成三种方式。下面以电磁转距为标志说明本实用新型中分档转换原理。
1、高转距：如附图5。把一相尾端与邻相首端相连成一点(U2V1、V2W1、W2U1)，绕组接成△形连接。中端U3、V3、W3空着不接。三角形绕组顶点接入三相电源。△接相电压等于线电压，电磁转矩与相电压的平方成正比地高。这种状态电动机输出为高转矩，额定功率最大。此档用于抽油机起动。
2、中高转矩。如附图6，把一相绕组末端与邻相绕组的中端相连(U2V3、V2W3、W2U3)，每相绕组首端分别接三相电源，这时三相绕组接成Y-△形，绕组连成30°相带星-三角混合绕组。众所周知，这时电机电磁参数分布为最佳状态，I、II类线圈中的基波磁势算术相加，比普通电机基波绕组系数增大3.5％，同时5、7次谐波磁势互相抵消，不可调式电机就结成该Y-△绕组状态，发挥此优势，提高出力，降低损耗，改善性能。对可调式电机，由于绕组此接法的相电压比△接降低一些，使电磁转矩与相电压平方成正比地随之下降，为中高转矩状态，电动机的额定功率下降至△接的80％。但足以拖动抽油机抽油。
3、低转矩。如附图7，把三相绕组末端连成一点(U2V2W2)，各相绕组中端U3、V3、W3空着不接，首端U1、Y1、W1分别接三项电源，则构成三相Y接绕组。这时绕组相电压为线电压的1/3，故电磁转矩下降至△接的1/3，电动机运行在低能转矩状态。输出额定功率为最大容量的55％，对于油层浅，油质好的状况足以带动抽油机抽油。
本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
1、可调式电机与抽油机工况匹配高转矩顺利起动，中高转矩或低转矩高效率节能运行，避免了Y系列电动机大马拉小车及YCCH电动机转子损耗大，效率低的弊端，效率提高20％，功率因数提高10％。
2、不可调式电机发挥新型绕组优势，制成高出力，低损耗高效率电机，体积重量比Y系列电机小。
3、提高了运行可靠性。电机运行时转子滑差较Y系列电机大，可减少抽油杆的冲击。与YCCH电机比较，转子温升低得多，提高电机绝缘耐热寿命。
4、电机在低谐波绕组状态长期运行，故电磁噪声比Y、YCCH型电机都小5分贝左右。
5、I、II两类绕组结构仅绕线与接线较复杂，嵌线与普通双迭绕组电机一样，结构件与普通电机绝大部分通用，上新产品快。
下面是本实用新型的实施例：
最近按上述构思研制成功YWCT280M2-8兼有55/45/30KW三档可调式功率电机及YWC280M1-8，55KW高出力电机，为抽油机用电动机样机。经型式试验证明，起动转矩性能达到美国NEMA标准设计C的要求，其他各项性能优于ZBK22 007-88的要求，见表2。达到要求高转矩起动，运行又节能的抽油机用电动机的要求。
表2是抽油机用电动机各项性能数据汇总表。
型号   功率KW           效率％       功率因素COSφ     最大转距倍数        堵转转矩倍数
    标准值    试验值     标准值  试验值     标准值     试验值     标准值   试验值
    YWCT280M2-8     55     92.0     93.2     0.80  0.833     2.2   2.59     2.1    2.33
    45     91.7     92.99     0.80  0.819     2.0   2.25     -     -
    30     90.5     90.8     0.80  0.769     1.6   1.81     -     -
    YWC280M1-8     55     92.0     92.92     0.80  0.818     2.2   2.78     2.1     2.92
型号   功率KW      堵转电流倍数        温升K       噪声bB(A)        振动mm/s
  标准值   试验值  标准值   试验值  标准值   试验值   标准值   试验值
   YWCT280M2-8    55     8.0    5.42     80    68.9     87     75     2.8     0.62
   45     -     -     80     -     78     74.2     2.8     0.54
   30     -     -     80     -     78     14     2.8     0.48
   YWC280M1-8    55     6.0     5.73     80     69.1     87     78.8     2.8     0.50
必须指出，YWCT电机节能主要措施在于随负载变化，换档转换，表3列出YWCT280M2-8 55/45/30KW空载损耗与铁耗试验数据。
表3是可调式电机三档次空载损耗与铁耗试验值
   档次  功率KW 空载损耗试验值W   铁耗试验值W
高转矩     55     1464     1088
中高转矩     45     1002     700
低转矩     30     570     357
从表3看出，将电机自动转换到45KW档，足以拖动抽油机运行，光空载损耗就可节约(1464-1002)×24＝11.088KWH/天，按每年运转300天计，一年可以节电4000KWH，一台电机年节约电费4000元(按每千瓦时电费1元计)。
YWC高出力、高效率电机主要特点是缩小铁芯体积，表4列出两台YWC280M1-8与Y280M2-8电机  铜、硅钢片重比较数据。
表4是不可调式电机与同容量55KW、Y系列电机铜硅钢片重比较表
Figure Y9523657900111
从表4可见，在相同功率下，YWC每台可节铜2.9Kg，硅钢片85.23Kg，而且使用性能更优。
图8示可调式电机分档转换电气控制原理图。接上电源，按下起动按钮SB2，接触器1KM、2KM主触头闭合，电动机M在高转矩档起动并运行稳定后，延时继电器K1自动动作，K1常闭触头开，2KM断电，2KM主触头开，K1常开触头闭，接触器3KM得电，3KM主触头闭，电动机转入中高转矩档节能运行。轻负荷时按转换按钮SB3，接触器3KM断电，而4KM得电，电动机转入低转矩档节能动行。按下停止按钮SB1，电动机断电停转。
图8中其他元件为：热继电器KA1、KA2熔断器IFU～5FU，电流互感器TA，电流表PA，中间继电器KA3等。

Claims (1)

  1. 抽油机用三相交流电动机，包括铜线绕组定子、铸铝转子及机座、端盖结构件、接线盒等，其特征在于：(1)定子绕组是将普通60°相带的与每极每相槽数q(＝Z1/3P，Z1为定子槽数，p为磁极数)相等的q个线圈，按既定要求分为三角(△)形部分q△个和星(Y)形部分qy个两类匝数及线径不同的线圈，当q＝偶数时，q△＝qy＝q/2，当q＝奇数时，一般可制成q△＝(q+1)/2，qy＝(q-1)/2，同相绕组的Y部分顺相序落后于△部分30°空间电角度嵌放，当并联路数相等时，△部分与Y部分每个线圈的匝数比为3倍，(2)每相绕组可引出首、中、末3个出线端，其中首端接Y类绕组、末端接△类绕组、而中端恰接在Y与△两类绕组的连接处，整台电机可引出9个出线端。
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CN106160273A (zh) * 2016-07-21 2016-11-23 哈尔滨理工大学 油田用高起动转矩感应电机
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