石油钻井设备电机能量损耗分析及改造

摘 要：本文在此以钻井设备中使用比较频繁的离心机主驱动电机，型号为YVF225S―4/37KW异步电机的升压节能改造为例，谈谈如何优化设计，力求电机性能最佳，了节材降耗，降低生产成本，对电动机进行升压改造很有必要。

关键词：钻井设备 升压改造 能量损耗 铜损 铁损

目前，在钻井平台中所使用的柴油发电机大多是输出电压600V的交流发电机，然而作为驱动电机，三相交流异步电动机是目前钻井行业使用比较多且有一定代表性的通用电机。而且在石油钻井行业中，额定使用电压380V的异步电动机更为普遍，这就存在发电机和电动机在使用过程中，必须通过变压器变压，再通过电网输送到电机进行工作。在企业纷纷改进钻井设备以提高生产时效，原来选配的380V电机与600V柴油发电机供电电压不匹配的矛盾也日益呈现。

1交流电动机的能量损耗

交流电动机的能量损耗包括可变损耗，不变损耗和杂散损耗三部分。

（a）可变损耗。它使随负荷变化的损耗，主要包括电动机定子绕组及接线的电阻损耗；转子电阻损耗和绕线式电动机的电刷损耗。通常这部分损耗也称之为铜耗。它与电动机电流的平方成正比，与电阻的大小成正比。

（b）不变损耗。它是电动机的固定损耗，与负荷变化无关。主要包括铁芯损耗和电动机旋转所引起的轴承、电刷的机械摩擦损耗及通风损耗。其中铁芯损耗又包括由主磁场在铁芯中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗两大部分。铁损同电动机磁场强度和铁芯特性有关。

（c）杂散及其它损耗。它主要是谐波在绕组导线、磁路及金属构件内引起的损耗等。由于电动机存在着各种损耗，所以在进行电动机升压改造时，要达到改造后电机高效节能的目的，就要充分考虑降低电动机各部分的能量损耗。

2实际优化数据与性能分析

众所周知，决定高压电机性能的关键是绝缘材料，在高压电机绝缘系统中应用有多种绝缘材料，其中起着决定性作用的是高压电机定子绕组导体的对地绝缘，又称主绝缘。主绝缘的种类从工艺上一般分为两类：多胶膜液压绝缘和少胶真空压力浸渍绝缘。其构成材料一般都有三种，分别是粉云母、玻璃布和环氧树脂。多胶模液压绝缘因云母含量不高，其电气性能，整体性和热态性能均不理想，耐电热老化和导热性能较差，会导致电机温升较大，不能适应和满足电机向高电压，打容量改进发展的要求。从少胶真空压力浸渍绝缘，可以为高压电机提供优良的绝缘性能。因此我们决定采用后一种的电机绝缘，并对每线圈匝数及导线截面积进行了优化选取，实际优化数据与电机性能良好。

3改造步骤

交流电动机改造要保持较高的效率或者是提高效率，与保持原容量不变或者增容，这在改造措施上有时是相互矛盾的，必须综合全面细致分析，进行有侧重点的取舍。交流电动机改造提高效率与增容措施可以综合归纳。

3.1降低定子铜损。

改造中增加导线截面积，虽然使槽满率增高、并且嵌线困难，铜的用量增加，但选用耐温等级更高和更薄的新型绝缘材料，增加了槽内铜的填充系数；减少每相串联导体数，这样以来，漏抗减少，铁损增加，启动电流增加，功率因数降低，但是通过铁芯质量鉴定试验和核算各部磁通密度，保证减匝后，铁损增加不多；在改造中合理缩短线圈端部长度，可能引起嵌线困难，这一点在修改线圈模时，使其更加合理，并保持铜线径不小于原线径。

3.2降低转子铜损。

改造中可以考虑将铸铝转子改为铜条焊接的结构，这样启动转矩降低，但符合铜截面积不应小于槽面积的70%的要求；同时增大绕线转子裸导线截面积，使槽满率增加，启动转矩降低，改进槽绝缘结构，选用较薄的绝缘材料和新导线规格，对于启动频繁的电机，电流密度不宜降低太多；增大笼型转子端环尺寸，增加零件加工费用，并使启动转矩降低，这样以来，需要着重考虑电机结构是否允许，不宜使用在启动频繁的电机。

3.3降低铁损。

对于铁损偏大的电动机，调整铜损和铁损的分配比例，增加定子绕组匝数，虽然会使电机铜损耗和槽满率增加，但通过现场试验和校核计算确定出铁损和铜损大小，从而确定增匝数。同时在增加导线截面积时，一定要考虑槽满率的问题；为了降低铁损，可以采用磁性槭降低铁损，虽然会导致漏抗增加，启动转矩和过载能力降低，但这样适用于长期连续运行的高压电动机，尤其是一部电动机使用磁性槽型节能效果更佳；我们还可以增加铁芯的长度，从而降低铁损耗，因冲片的增加，还需要考虑具体结构是否允许铁芯轴向增长；最后，对于老旧电机，我们还要拆开绝缘老化的贴心冲片，重新涂漆装配。

3.4降低机械损耗。

减少风扇外径或者更换同型号电机小一等级的风扇，要根据负载率的大小以及环境温度来调整风量，否则温升也会超限，应着重对过剩大的电机，要适当降低风量，提高温升，使温升在规定的范围内，采用高效轴流风扇代替原来的径向风扇，这样的风扇更适用单向旋转的场合，但要根据负荷的大小和旋转方向，确定风扇风量和尺寸；同时要根据负荷的大小，转速和环境选用优质轴承及剂；最好要注重电机的装配质量，需采用先进装配工艺和工具、设备，要求更高的工艺和质量标准，提高电机的装配质量。

3.5降低杂散损耗。

对于电机扫堂，空载电流偏小，负载较轻以及铁芯偏心的老旧电机，要适当增大气隙，使功率因数降低，空载电流增加；对于铁损和空载电流偏大的异步电动机，采用更加可靠的工艺，使气隙磁通分布更加均匀。

增容。在电机升压改造中，绕组重绕时要提高绝缘等级，采用较薄的新型绝缘材料，或者改变线圈绝缘结构，增大槽内铜填充系数，改进电机冷却系统。

3.6无功补偿。

为了配合升压改造，可以在原补偿系统上，实现就地补偿方式。所谓的就地补偿，就是在靠近异步电动机附近增设电容器补偿，这是对异步电动机进行无功功率补偿最有效的补偿方法。根据钻井现场电动机一般都为绕线式的实际，新增晶闸管电子式静止进相器进行无功补偿改造，通过合理改造，可以使功率因数大大提升。

3.7磁性槽泥改造。

在原有电机的基础上，利用磁性槽泥优良的导磁性和可塑性，用它涂抹在电机的槽口处，得以提高电机铁芯的导磁性能，使气隙磁阻减小并趋于均匀，改变定、转子同槽齿不平状态，减少齿簇磁通扫描而引起的齿槽效应。经过如此改造，在升压的基础上，使得电机空载电流下降、温升降低、噪音变小、效率提高，不仅节电，一定程度上延长了电机的使用寿命，抑制了升压改造的弊端。

4结束语

对于调速范围不变，额定转矩要求较大，且电网电压一定的情况下，升压改造可在电压低点达到额定转矩要求，在额定输出电网下采用升压改造，可降低电机开发成本。同时，不单是交流异步电动机，直流电动机也可以采用升压改造，扩大恒功范围，大大降低牵引电机重量和减小体积，也可满足额定电压电机转矩和过载要求。同时，有些异步电动机还可以采用二次升压改造，满足实际钻井生产要求。

参考文献

[1]冯晓云.电力牵引交流传动及控制系统[M]北京高等教育出版社

[2]赵家礼.电动机维修手册[M]北京机械工业出版社