CN103095211B - 油田专用多功率变频节能三相异步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油田专用多功率变频节能三相异步电动机，包括一台三相多功率变频电动机、变频器、控制柜，所述三相多功率变频电动机的电磁绕组采用Δ或内Δ—外Y接法的复合绕组设计方案，控制柜上设有断路器、智能监控仪、五个接触器（CJ1，CJ2，CJ3，CJ4，CJ5）和二个万能转换开关（K1，K2），通过控制电路中的智能监控仪、接触器和转换开关等进行调节，使电动机在工频（50Hz）运行时用大功率起动、小功率运行，在变频（低于50Hz）运行时能平稳地改变电动机转速,方便抽油机的调参即改变冲次，以节约电能，是一种新型的抽油机配套专用的电动机产品，可广泛适用于油田游梁式、皮带式抽油机的动力传动。

Description

油田专用多功率变频节能三相异步电动机

技术领域

本发明属于电动机技术领域，具体涉及一种面向工业设备的高性能特种电动机及其控制技术。

背景技术

油田抽油机工况特点是重负荷起动，轻负荷运行，为了满足抽油机起动功率的需要，电动机按起动时的负载来选用，这种单一功率电动机造成了抽油机起动之后“大马拉小车”状况，使得电动机效率、功率因数极低，浪费电能，降低电网运行质量。为了解决“大马拉小车”问题，目前油田抽油机配套电动机已广泛采用了单速多功率电动机，从而提高了电动机负载率，降低了电能的消耗。如中国专利公开实用新型专利号：ZL200620159036.5名称为“油田用高可靠性多功率节能电动机。

在下列情况下，抽油机还需要改变抽油速度，即调节抽油机的冲次：

1、新开采的油田，由于油的稠度及油中混杂泥沙等原因，造成抽油机运行阻力增大，此时抽油机需降速工作，即配套电动机需在其额定转速以下运行。

2、油田老油井，由于产油量减少，为了节约电能，也需降低抽油机冲次，提高抽油泵的效率。

3、当油井渗油量或油井油液面深度发生变化时，也需要调节抽油机冲次。

上述三点都需改变抽油机冲次。目前油田抽油机改变冲次的方法主要是采用变频电动机，这种方法虽然可以满足调整抽油机冲次的要求，但由于此时要求电动机转速低于额定转速以降低抽油机冲次，故变频电动机要求工作在小于基频（50Hz）区段时，电动机输出功率随频率变化而变化，并在改变冲次的同时亦可解决“大马拉小车”问题。当电动机工作频率大于或等于基频（50Hz）段时，电动机处在恒功率状态，即电动机功率大小是恒定不变的，此时变频电动机只能调整抽油机冲次，而不能解决抽油机“大马拉小车”问题。这是单独采用一般变频电动机存在的最大缺陷。

鉴于上述情况，油田抽油机急需一种既能随着抽油机负载功率变化而选择相应的电动机输出功率，以提高负荷率，解决抽油机工作时的“大马拉小车”问题，又能很方便的改变抽油机运行转速和调节抽油机冲次的专用电动机。

中国专利发明专利号：ZL20101014566.4公开了专利权人景德镇市景德电机有限公司获得的一种“双速四功率节能三相异步电动机”专利技术方案，在一定程度上较好的解决了这一问题。该产品已在胜利、长庆、***推广使用，受到好评。但是此产品亦存在不足之处：一是由于采用了双速电动机方案，故效率指标必然低于单速多功率电动机；二是由于变极调速，其调速范围（窄而不宽）与调速性能（平滑性、稳定性）又比不上变频电动机。

本发明提供的“油田专用多功率变频节能三相异步电动机”，很好的解决了单独使用“双速四功率电动机”或“变频电动机”存在的上述问题。将单速多功率电动机与变频电动机的特点有机的结合在一起，从而具备了这两种产品的功能特性，通过控制柜转换，使其既可作变频电动机使用，方便抽油机调速，且完全具备变频电动机优点（调速范围宽，调速性能好）；又可单独作单速多功率电动机使用，且完全具备单速多功率电动机优点，能够很好地满足抽油机重负荷起动，轻负荷运行，解决“大马拉小车”问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在一台电动机上很方便地实现油田抽油机多种负载变化及多种冲次变化的技术解决方案。

本发明提供的一种多功率变频节能三相交流异步电动机，包括一台多功率变频节能三相交流异步电动机、变频器、控制柜，所述多功率变频节能三相交流异步电动机的电磁绕组采用Δ或内Δ—外Y接法的复合绕组设计方案，其特征在于：控制柜上设有断路器、智能监控仪、第一至第五五个接触器和二个万能转换开关，通过控制电路中的智能监控仪、接触器和转换开关等进行调节，使电动机在作变频电动机使用时将电磁绕组接成一路或多路Δ接法，由变频器供电，在作多功率电动机使用时，将电磁绕组接成内Δ—外Y即                                                 混合接法，不通过变频器直接接入电源。

所述的二个万能转换开关分别为：“工频，变频”转换开关，它拨到工频的位置时电动机为工频运行，拨到变频的位置时电动机为变频运行；运行功率选择开关，它拨到22kW的位置时电动机为22kW运行，拨到18.5kW的位置时电动机为18.5kW运行。

所述的五个接触器分别为：

第一接触器，该接触器的主触头控制电动机在工频运行时电源的接通与断开，即控制电动机的起动和停止，它的常开辅助触头控制工频运行指示灯，常闭辅助触头与第五接触器互锁，保证电动机工频运行和变频运行不会同时出现，产生相互干涉。它受第五接触器常闭辅助触头的控制，确保与第五接触器互锁，还与第二、三、四接触器的常开辅助触头并联后再串联，与这三个接触器中的某一个组成电动机在多功率运行时的主电源电路。如第一接触器与第二接触器组合提供电动机起动时(30kW)的电路接线方法，第一接触器与第三接触器组合提供电动机在22kW运行时的电路接线方法，第一接触器与第四接触器组合提供电动机在18.5kW运行时的电路接线方法。

第二接触器，工频运行时该接触器与第一接触器两者的主触头组合为电动机起动时提供主电源，它的吸合或断开受智能监控仪控制，电动机起动时智能监控仪控制它吸合，电动机运行时智能监控仪控制它断开，在变频运行时第二接触器由第五接触器的一个常开辅助触头提供电源回路而吸合，与第五接触器组成电动机变频运行时的电路接线方法，它的常开辅助触头为第一接触器提供电源回路，常闭辅助触头与第三、第四接触器组成互锁结构，

第三、第四接触器，这两个接触器的主触头分别与第一接触器的主触头组合为电动机22kW或18.5kW运行时提供主电源，它们的吸合或断开受智能监控仪与运行功率选择开关控制，电动机22kW运行时智能监控仪和运行功率选择开关控制第三接触器吸合，第四接触器断开，电动机18.5kW运行时智能监控仪和运行功率选择开关控制第四接触器吸合，第三接触器断开。它们的一个常开辅助触头分别为第一接触器提供电源回路，另一个常开辅助触头控制各自的运行功率指示灯，它们的常闭辅助触头串联后与第二接触器组成互锁结构。

第五接触器为变频运行接触器，变频运行时“工频，变频”转换开关拨到变频的位置，这时工频运行控制回路电源被切断，第五接触器通电吸合，其一个常开辅助触头为第二接触器提供电源回路，第二接触器也吸合，第五接触器和第二接触器组成电动机变频运行时的电路接线方法。变频电源通过第五接触器的主触头进入电动机，使电动机处于变频运行状态，第五接触器的吸合或断开受“工频，变频”转换开关的控制，同时它的两个常开辅助触头中的一个为第二接触器提供电源回路，另一个常开辅助触头控制变频运行指示灯，它的常闭辅助触头与第一接触器组成互锁结构。

智能监控仪是电动机处在多功率运行时的控制和保护器，它根据检测到的电动机负载电流的变化来选择电动机的运行功率，负载重时接入大功率，负载轻时接入小功率，使电动机处于高效，高功率因数的运行状态，达到高效节能的目的。同时它为电动机提供堵转，过载(过流)， 断相，过压，欠压，不平衡等保护。所述的智能监控仪优选DBH-17型数字式监控仪。

所述的智能监控仪优选DBH-17型160A数字式监控仪，所述断路器主要为主电路(三相电路)的控制开关，并在线路过载时能起一定的保护作用，在电动机维护保养时起到切断电源的作用。断路器优选NM10-100/330型空气开关。

对于采用工业用电1140V供电，所述的五个接触器优选真空接触器。

本发明的电磁绕组设计采用  复合绕组方案，能削弱电动机的高次谐波，提高绕组利用率，改善电动机性能。在作为变频电动机使用时，工作在基频（50Hz）以下范围的恒转矩区段，不同于普通变频电动机既要考虑在低于基频以下的恒转矩区段运行，又要考虑在基频以上区段的恒功率区段运行，这是由于抽油机在某些工况下，需要降低（而不是升高）电动机的转速（使电动机在额定频率以下运行），以改变抽油机冲次。在作为多功率电动机使用时，电动机只工作在工频状态下（电动机转速要求不变，频率无须变化），为此将电动机设计为内Δ—外Y混合接法，使电动机在绕组不同接法下，有各种不同的输出功率。即把定子绕组中的一部分极相组（每极每相槽数q）放在Δ形部分，另一部分极相组放在Y形部分，构成   混合接法。其实质也是改变每相串联有效导体数，进而改变磁通密度，达到改变输出功率的目的。因内Δ—外Y接线的极相组在Δ—Y上可合理灵活的分配，使绕组在原电压不同百分比的情况下运行，达到降压经济运行目的。

本发明在一台电动机上实现多功率及变频技术，满足了抽油机负载运行变化及冲次调整宽的特殊使用要求。本发明产品高效节能，广泛适用于油田游梁式、皮带式抽油机的动力传动。

附图说明

图1为本发明多功率变频电动机产品外观图。

图2为本发明多功率变频电动机绕组内Δ—外Y混合接法的接线原理图。

图3  为本发明多功率变频电动机控制柜电气原理图。

具体实施方式

以多功率变频节能三相异步电动机DGBP280M-8为例说明：

图2中图a，1-2Δ接（U1W2接、V1U2接、W1V2接），通过变频器供电，使电源频率低于基频（50Hz），此时电动机作为变频电动机使用。若去掉变频器，直接将Δ形的三个顶点接入电源，则电动机在额定功率P_N（即多功率电动机的最大功率）下运行。这时电动机的每一个极相组q上承受的电压为380/4=95伏（电动机的额定电压为380V）。

图2中图b，2-4Δ接（U2V4接、V2W4接、W2U4接），这时Δ形每条边上有3个q，承受的电压为（95×3）伏，Y部分有1个q，承受电压95伏，这时绕组Δ形部分的电压：95×3/√3=164.54（伏），绕组Y形部分的电压：95伏；绕组相电压：164.54+95=259.54（伏）；绕组线电压：259.54×√3=449.54（伏）。

说明由图二中图1的Δ联结改为图二中图2的联结时，绕组所适应的电源电压为449.5伏，由于改接后仍使用在380伏电源上，故电动机容量降低后为：

(380/449.54)²×P_N =0.7145 P_N≈0.72 P_N ；同理可得图2中图c、图2中图d的输出功率分别为0.55 P_N、0.42 P_N 。

DGBP系列油田专用多功率变频节能电动机是为了满足抽油机调参方便

而专门设计的工频、变频两用电动机。其电气原理如图3所示：

1、电源输入

同时需要工频，变频两种电源，无变频电源就只能作工频运行，无工频电源则不能运行。

2、工频，变频运行转换K1设置

当K1设置在位置①时为工频30kW起动运行，此时CJ5断开电源不能接通，即使有变频电源送入控制柜也不能进到电动机内部，避免变频电源与工频电源在电动机内部发生干涉而造成严重后果。而智能监控仪正常通电，按起动按钮智能监控仪3脚送电把CJ2接通，而CJ2常开触头J2把CJ1接通，电动机开始起动，在监控仪转换成3脚断电，4脚通电时CJ3或者CJ4接通，电动机就进入小功率节能运行，此时CJ2断开了，CJ1就靠CJ3或者CJ4的常开触头J3或者J4接通。当K1设置在位置②时为变频运行，此时智能监控仪断开电源不能接通，而CJ5正常通电吸合，其常闭触头把CJ1断开，工频电源不能进入电动机内部，常开触头J5把CJ2接通，此时电动机就进入变频运行的起动准备阶段，等待变频器送入变频电源就可进行变频运行。

3、选择节能运行功率

K2设置，当K2设置在位置①时电动机为22kW运行，当K2设置在位置②时电动机为18.5kW运行。

Claims (4)

1.一种多功率变频节能三相交流异步电动机，包括一台多功率变频节能三相交流异步电动机、变频器、控制柜，所述多功率变频节能三相交流异步电动机的电磁绕组采用Δ或内Δ—外Y接法的复合绕组设计方案，其特征在于：控制柜上设有断路器、智能监控仪、五个接触器（CJ1，CJ2，CJ3，CJ4，CJ5）和二个万能转换开关（K1 ，K2），通过控制电路中的智能监控仪、接触器和转换开关进行调节，使电动机在作变频电动机使用时将电磁绕组接成一路或多路Δ接法，由变频器供电，在作多功率电动机使用时，将电磁绕组接成内Δ—外Y即                                                混合接法，不通过变频器直接接入电源，

所述的二个万能转换开关分别为：“工频，变频”转换开关（K1），它拨到工频的位置时电动机为工频运行，拨到变频的位置时电动机为变频运行；运行功率选择开关（K2），它拨到22kW的位置时电动机为22kW运行，拨到18.5kW的位置时电动机为18.5kW运行，

所述的五个接触器分别为：

第一接触器（CJ1），该接触器的主触头控制电动机在工频运行时电源的接通与断开，即控制电动机的起动和停止，它的常开辅助触头控制工频运行指示灯，常闭辅助触头与第五接触器（CJ5）互锁，保证电动机工频运行和变频运行不会同时出现，产生相互干涉，它受第五接触器（CJ5）常闭辅助触头的控制，确保与第五接触器（CJ5）互锁，还与第二、三、四接触器（CJ2，CJ3，CJ4）的常开辅助触头并联后再串联，与这三个接触器中的某一个组成电动机在多功率运行时的主电源电路，

第二接触器（CJ2），工频运行时第二接触器（CJ2）与第一接触器（CJ1）两者的主触头组合为电动机起动时提供主电源，它的吸合或断开受智能监控仪控制，电动机起动时智能监控仪控制它吸合，电动机运行时智能监控仪控制它断开，在变频运行时第二接触器（CJ2）由第五接触器（CJ5）的一个常开辅助触头提供电源回路而吸合，与第五接触器（CJ5）组成电动机变频运行时的电路接线方法，它的常开辅助触头为第一接触器（CJ1）提供电源回路，常闭辅助触头与第三、第四接触器（CJ3，CJ4）组成互锁结构，

第三、第四接触器（CJ3，CJ4），这两个接触器的主触头分别与第一接触器（CJ1）的主触头组合为电动机22kW或18.5kW运行时提供主电源，它们的吸合或断开受智能监控仪与运行功率选择开关（K2）控制，电动机22kW运行时智能监控仪和运行功率选择开关（K2）控制第三接触器（CJ3）吸合，第四接触器（CJ4）断开，电动机18.5kW运行时智能监控仪和运行功率选择开关（K2）控制第四接触器（CJ4）吸合，第三接触器（CJ3）断开，它们的一个常开辅助触头分别为第一接触器（CJ1）提供电源回路，另一个常开辅助触头控制各自的运行功率指示灯，它们的常闭辅助触头串联后与第二接触器（CJ2）组成互锁结构，

第五接触器（CJ5）为变频运行接触器，变频运行时“工频，变频”转换开关（K1）拨到变频的位置，这时工频运行控制回路电源被切断，第五接触器（CJ5）通电吸合，其一个常开辅助触头为第二接触器（CJ2）提供电源回路，第二接触器（CJ2）也吸合，第五接触器（CJ5）和第二接触器（CJ2）组成电动机变频运行时的电路接线方法，变频电源通过第五接触器（CJ5）的主触头进入电动机，使电动机处于变频运行状态，第五接触器（CJ5）的吸合或断开受“工频，变频”转换开关（K1）的控制，同时它的两个常开辅助触头中的一个为第二接触器（CJ2）提供电源回路，另一个常开辅助触头控制变频运行指示灯，它的常闭辅助触头与第一接触器（CJ1）组成互锁结构。

2.根据权利要求1所述的多功率变频节能三相交流异步电动机，其特征在于：所述的智能监控仪为DBH-17型数字式监控仪。

3.根据权利要求2所述的多功率变频节能三相交流异步电动机，其特征在于：所述的智能监控仪为DBH-17型160A数字式监控仪，断路器为NM10-100/330空气开关。

4.根据权利要求1或2所述的多功率变频节能三相交流异步电动机，其特征在于：所述的五个接触器（CJ1，CJ2，CJ3，CJ4，CJ5）为真空接触器。