同步电机驱动螺杆泵地面装置设计.docx

1、同步电机驱动螺杆泵地面装置设计本科毕业设计（论文） 题 目 同步电机螺杆泵地面装置设计学生姓名 黄红丽 专业班级 07机电班 学 号 * 所 在 系 电子工程系 指导教师 吕刚磊 完成时间 年 月 日 同步电动机驱动螺杆泵地面装置设计摘 要椐目前的实际应用及有关资料显示，螺杆泵的应用范围很广，它的特点是流量平稳、压力脉动小、有自吸能力、噪声低、效率高、寿命长、体积小、工作可靠。突出的优点是输送介质时不形成涡流、可输送粘度范围宽广的各种介质，既可以输送各种粘度的润滑性或腐蚀性介质，也可以输送各种粘度的非牛顿液体，还可以气液混输、固液混输。它广泛应用于海上平台工程、石油化工、航运、电力、机械液压系

2、统、食品、造纸、制糖、军工和污水处理等工业部门。本篇文章主要从螺杆泵在石油化工方面的用途进行研究设计。螺杆泵能有效的处理高粘度及高含砂的原油，而随着原油粘度的增螺杆泵必须在低转速下才能有效地工作，其最佳旋转速度一般在100500rmin。异步螺杆泵电动机的转速较高，不能很好的适应螺杆泵的采油要求。因此，需要研究低转速、大扭矩、高性能的螺杆泵同步电动机。螺杆泵专用同歩电动机是一种立式工作的三相动机，它采用定转子分段的细长结构，各定子段之间轴向用非磁性材料连接，有扶正轴承，定转子之间充满专用润滑油，转子上则镶嵌有体。文章根据螺杆泵专用同步电动机的特殊结构研究了其定转子分段、内充润滑油的特点对电机设

3、计及性能的影响。经过分析电机采用36槽10极结构，定子绕组采用了分数槽绕组；由于此种电机主要尺寸比范围较大，定子内径不易确定，本文给出了简单可行的确定电机定子内径法。分析了温度对螺杆泵专用同步电动机的性能影响：通过研究分析得出螺杆泵专用同步电动机的端部漏抗随转子段数增加的变化规律，并得到计算公式；给出了螺杆泵专用同步电动机机械损耗的简便计算方法；文章给出了体的选择方法和体的放置方式;并利用Matlab编制了螺杆泵专用同步电动机的电磁计算程序，得出样机的性能参数：利用Ansoft对样机进行了仿真，得出了气隙磁密、反电势等波形，并仿真得出了隔磁桥宽度对电机性能的影响。实验证明样机的性能良好，比原来

4、的异步螺杆泵电机的效率提高了 12.4个百分点；最大转矩倍数由原来异步螺杆泵电动机的1.67提高到2.42。通过对比螺杆泵专用同步电动机实验所得数据和应用Matlab程序设计计算结果， 证明了程序的正确可行、简单方便。木文的研究工作对于进一步完善和发展同步电动机的设计方法和设计理论具有重要意义。关键词：同步电动机，螺杆泵，Matlab，AnsoftElectronic Code LockABSTRACTAbstract: The design of integrated circuits for electronic locks is to ensure the floor, blending

5、 the safety, so as to avoid losses. This locks the use of electronic digital logic circuit, the electronic door control, and there are a variety of additional circuitry to ensure safe operation the circuit, there is a high safety factor. Electronic code lock when the body is close to close the switc

6、h, the power supply automatically connected, if you enter the password and the same procedure to set the password, the door was open; when people leave, the power cut off, in order to achieve the energy-saving purposes; if you enter wrong password more than 3 consecutive times, the keyboard is locke

7、d, prohibit the import password, buzzer alarm.The idea of the design when the subject of two programs: one is for the AT89C2051 MCU as the core control program; the other one is for the 74LS112 dual JK flip-flop composed of digital logic circuits control program. MCU programs, taking into account th

8、e complexity theory, and debug more cumbersome, so this paper, the latter program.KEY WORDS electronic code lock voltage comparator 555 monostable circuit JK flip-flop counter UPS power supply.绪论1.1课题来源本课题来源于河南科技大学自考本科毕业论文设计要求，现行的螺杆泵电动机为三相异步电动机，由于异步电动机转速较高，且自身存在的一些弱点（如转差等，使其运行效率较低。而同步电动机的性能则明显优于异步电动

9、机。为了适应社会需求，本课题进行同步电动机驱动螺杆泵地面装置设计。1.2选题依据 在目前的机械采油方式中，使用较多的是有杆泵采油系统。随着我国石油工业的发展，定向井、水平井等新技术的应用，难动用含砂井、稠油井逐渐增多，给现在使用有杆抽油泵的油井带来了较多的问题。特别是有杆抽油设备在稠油重负荷井中，经常会造成光杆下行困难等；在含沙井中，还会出现砂卡。螺杆泵是一种井下大排量举升油无杆采油设备，是油田一种重要的机械采油设备。我国采用螺杆泵实践证明，螺杆泵具有结构简单、效率高、抽油量大、维护保养简单方便、占地面积小、容易实现自动控制等特点，已经成为我国油田稳产、高产和获得更好经济效益的采油设备。目前，

10、我国各油田在用螺杆泵数量已超过刀&,根据技术发展预测，今后还会更加广泛地采用螺杆泵举升石油。利用螺杆泵采油可以实现石油高产，例如大庆油田，到1988年底为止， 螺杆泵采油井数占总井数的16%，而采油量占总数的37.27%胜利油田螺杆泵采油井数占7%，而采油量占总数的20.9%。 1989年，我国螺杆泵采油井数占全国总油井数的10%，但是采油量占全国石油总产量的25%以上。这说明尽管我国螺杆泵井不多，但是石油产量占全国的四分之一。可见，螺杆泵是增产石油，提高产量的较好采油设备。目前，我国有许多油田己经进入中、后期开采阶段，需要进行注水强采。螺杆泵是一种较好的注水强采抽油设备，所以应用前景相当可观

11、。对于复杂断块油田来说，油水井的对应连通性差，部分螺杆泵井出现供液不足,影响到螺杆泵的正常生产及井下机组运转寿命。为了延长电泵井的检泵周期，保证电泵井的正常生产， 需要降低螺杆泵电动机的转速，对泵的排量进行调节，使螺杆泵的工作特性和油井的产能相匹配、电泵机组在最佳工作区内工作,达到减少机械及电气故障、延长电泵井寿命、增产及节能的效果。此外，螺杆泵除可用于陆地采油之外，还可用于海洋油田、沙漠油田、极地油田进行采油，具有同样好的使用效果和经济效益。因此，可以认为，今后螺杆泵具有很好的技术发展前景。由上可知，使用螺杆泵采油是油气生产的一个重要手段，在占有举足轻重的地位，是目前油田采油的重要设备。而螺

12、杆泵电动机是嫘杆泵采油装置中保障机组正常运转的关键，也是油田主要的耗能设备之一。其性能直接影响螺杆泵机组乃至电泵井的质量和寿命，同时影响到原油产量及各项采油成本。为此，改善螺杆泵电机的性能指标，提高螺杆泵电机的运行效率，从而更好地实现节能增效，改善电网的供电状况 对螺杆泵行业的发展起着举足轻重的作用。通用的螺杆泵电机是异步，效率和功率因数都比较低，耗电量较大， 导致油田电费开支庞大。同时，现在螺杆泵电机一般为三相异步电动机，通常为两极简单结构，转速较高。而杆泵的优势在于能处理高粘度及高含砂的原油，而随着原油粘度的增力泵必须在低转速下才能有效地工作，其最佳旋转速度一般在100500rmin。因此

13、，研究螺杆泵电机首先需要解决的问题就是将螺杆泵的转速降下来以满足螺杆泵低转速、大扭矩的要求。最直接的办法就是使用低速电机直接驱动螺杆泵。如前苏联研制的电动螺杆泵。但其转速高达1500 rmin，难以发挥螺杆泵处理稠油的优点；再加上油井井况对电机和电缆的限制一次性投资大等原因导致螺杆泵泵效低、工作寿命短，一直未能推广使用。普通螺杆泵电机为两极结构时，则在工频下电机的同步转速为300r/min而螺杆泵的转速一般只需要每分钟几百转，欲使螺杆泵电机的转速降低，有两个途径，一是使用减速机；二是降低电源频率。使用减速机将带来以下一系列的问题：(1)系统整体效率低：由于减速机多级齿轮减速传动其效率很低，意味

14、着电源输入系统的能量有很大一部分被减速机所消耗；2系统体积重量变大：由于减速机的存在，使整个螺杆泵的体积重量都变大；（3）振动和噪声严重；（4）调整维护困难：减速机需要定时添加润滑油等都给生产带来巨大的不便， 并且每个操作都是重体力劳动；用变频器降低电源的频率以降低电机的转速，这是螺杆泵电发展方向，其原理就是根据井下供液状况来调整运行电流频率，从而提高或降低机组的运转速度，以适应井下供液的需要。由于变频机组始终保持在较合适的状态下工作，所以提高了机组的综合效率，并延长了寿命。在本文中采取变频机组的方法。异步螺杆泵电动机定子外径较小，定子所开槽数有限， 一般为两极结构，以降低电机的谐波，改善电机

15、的性能。如果把螺杆泵电机做成多极，每极每相槽数将变小，这将使得电机的谐波变大，性能变坏。所以电动机不宜做成多极。而同步电动机则可以做成多极，即把电机倣成低速的。这可通过合理设计磁极的形状， 改变气隙的磁导，使气隙磁场波形接近正弦以消除谐波，同时还可采取分数槽绕组、斜槽等措施消除谐波。同时，电力公司对用,用电的质量要求越来越高，为了减少电磁污染，这使得油田迫切需要采用高效的电动机，故可以预测高效的螺杆泵电机必然会被大面积的推广和应用为此开发性能高，节能效果好的低速螺杆泵电机以代替异步螺杆泵电机是十分必要的。1.3课题意义从我国采油工艺技术发展要求、经济效益分析及市场预测结果可知，螺杆泵具有较好的

16、适应性、先进性和经济性，是一种较好的有发展前途的采油设备。为此， 要大力发展我国螺杆泵，不断扩大使用范围，使我国采油经济效益进一步提高， 成本进一步降低。螺杆泵电机是螺杆泵的关键部分，同时也是耗能的主体， 用螺杆泵电动机取代异步螺杆泵电机不但可以改善电网的质量，减少噪声污染有重大意义，更重要的是节约了大量的电能。这是时代的要求，同时也是建立和谐、节约型社会的需要。1.3.1工程意义在性能上螺杆泵专用同步电动机与异步螺杆泵电动机相比有以下优点:(1)运行效率高。异步螺杆泵电机的效率较低，而螺杆泵电机效率较高。(2)由于螺杆泵电机的气隙磁场主要是由转子上的体提供的，而不是由定子激磁电流提供，故采用

17、螺杆泵电机可减少总供供电电流，改善供电电缆的性能。3转速不随负载而变化，运行稳定性高。异步螺杆存在转差，由于制造工艺的原因使得各节转子在最佳工作点运行时的转差不相同，但是整个电动机为一根轴，使各节转子硬性连接在一起，以同一个转差旋转，这使得有的转子单元过载， 而有的转子单元轻载，电动机不能运行在最佳工作点，如果负载变化时，情况会更加严重。过载的单元一旦出现故障，则整个电动机将报废。而对于螺杆泵电机， 在运行过程中，只要电源频率一定其不随负载的大小而改变，各功率单元的转速严格一致，承担的力矩也完全一样故其稳定性优于异步电动机。同时，正是由于严格的同步性能使得电机的控制比异步螺杆泵电机要容易实现。

18、另外，其过载能力动机大。（4）螺杆泵电机的体积和重量比同容量、同极数的异步螺杆泵电动机小。这可以减少螺杆泵电动机的占地面积，同时减轻了机械结构的负担。1.3.2理论意义特殊的工作环境决定了螺杆泵专用同步电动机特殊的结构，其特殊的细长、立式、定转子分段结构决定了其电磁计算和结构设计方法不同于一般的同步电动机。通过本课题的研究与设计进一步完善和发展同步电动机的设计方法和设计理论。1.5本课题研究的内容本课题旨在结合具体工程实际情况，运用电机设计的基本原理结合具体应用环境，开发出适合我国油田现阶段原油开采的螺杆泵专用同步电动机。螺杆泵电工作环境特殊，在油井下几千米深的地方，决定了其结构也必然特殊。采

19、用立式细长的结构，与传统的三相电动机不同，它的定转子是分段的， 各定子段之间轴向用非磁性材料连接，各转子段之间有扶正轴承，定转子之间充满专用润滑油。显然，普通三相电动机的通用设计方法不再完全适合路杆泵电机。必须根据客观实际，通过研究分析实验数据，结合其特殊的工作环境与结构构造，对原有通用电机设计方法进行改进和修正，得出一套与之相适应的设计方法。本文根据螺杆泵专用同步电动机的特殊结构，研究了其定转子分段、内充润滑油的特点对电机设计及性能的影响。具体表现在以下7方面-（1）经过分析电机采用36槽10极结构，为满足机械结构上的要求和提高电机的最大转矩倍数，定子槽形采用平底开口槽。定子绕组采用了分数槽

20、绕组，同时用VISIO软件绘出绕组的连接图。2螺杆泵电机因其工作环境恶劣，在油井下几千米深的地方，为此分析了温度对螺杆泵专用同步电动机的性能影响。并分析了如何降低电机的热负荷，以减小电机的温升。（3）通过研究分析得出螺杆泵专用同步电动机的部漏抗随转子段数增加的变化规律，并得到计算公式。（4）螺杆泵电机的机械损耗主要由三部分组成：转子与粘性油的摩擦损耗、扶正轴承的摩擦损耗和止推轴承动、静块的摩擦损耗。本文结合传统经验公式较为准确的求得了其机械损耗。（5）结合螺杆泵电机的工作环境温度较高和转子空间有限，文章分析了体的性能选择方法和体的放置方式。（6）并利用Matlab编制了螺杆泵同步电动机的电磁计

21、算程序， 得出样机的性能参数。（7）利用Ansoft对样机进行了仿真得出了气隙磁密、反电势等波形，并仿真得出了隔磁桥宽度对电机性能的影响。本文所提出的针对螺杆泵电机的端部漏抗计算、机械损耗等计算是否真正适合电机的设计计算，必须经过实践的检验。采用本方法设计的电机，必须经过实验测试看其能否达到预期的设计性能。本课题就是针对以上情况，进行研究与实践，主耍分为三个主要部分：（1）螺杆泵电机设计部分主要根据电机设计基本理论，结合电机的具体应用环境和结构构造，研究适合电机的设计方法。并在上述研究工作的基础上，编制和调试工程化螺杆泵电机电磁计算软件。（2）利用Ansoft对样机进行了仿真得出了抽象的气隙磁

22、密波形、磁场在样机中的分布情况、反电势波形等，并仿真分析了隔磁桥宽度对电机性能的影响。用仿真所得数据与用电磁计算软件所得数据进行比较。3测试螺杆泵电机的性能以验证设计方法的正确性。通过对所设计的电机进行试验，得到其电流、效率、各项损耗等试验数据，与设计性能对照， 验证设计方法的正确性，证明所采用的各种原理和算法的可行性。第二章螺杆泵同步电动机的结构和设计特点2.1.1螺杆泵同步电动机基本结构现行螺杆泵机组的电动机一般为细长结构的两极三相鼠笼式电动机，螺杆泵电机定子的外壳是钢管，其内部压装有由硅钢片组成的长度为0.32-0.45m的定子铁心。定子由非磁性物（一般为硅铜片）隔开的多级磁性铁心组成，

23、两极定子绕组， 通常制成各级共用的。转子也由多级组成，每一的长度与定子铁心长度一致。各级转子之间装有中间滑动轴承，它支靠在定子的非磁性物上，以防止定子和转子接触， 同时，用来改善电动机的性能。螺杆泵电机为密闭式，定子、转子的间隙充满电机油，起绝缘、润滑、散热作用。螺杆泵电机结构示意2-1。图2-1螺杆泵示意图螺杆泵电机主要由以下四部分组成。(1）定子:螺杆泵电机的定子铁心主要由硅钢片和硅铜片组成。硅铜片按一定要求放置于两节硅钢片段之间；定子绕组采用双层叠绕组；机壳采用有弹性的钢质合金的圆管精加工后成为一个细长的钢筒，用以固定和支撑定子铁心和连接上、下接头，如图2.2所示。（2）转子:螺杆泵电机

24、转子分节，由许多小的转子节、扶正轴承和转轴组成。如图2.3所示。各小节为独立单元；扶正轴承由铜套内套）和钢套外套） 两部分构成，用以在定子内腔中支撑每节转子，使之不与定子内腔表面摩擦，保证定转子之间气隙均匀，提高电机的运行可靠性，如图2.3所示。转轴为空心，上按一定间隔开有通至转轴中心的空腔，用来润滑扶正轴承的内外套并作为润滑油的流道。 图2-2 螺杆泵电机定子结构 1一轴；2卡簧；3转子总成；4一转子键；5转子轴承键：卜垫片； 7转子扶正轴承；8挡板；9一绝缘垫片； 图2.3螺杆泵电机转子结构（3）上、下接头：螺杆泵电机的上接头又叫电机头，用来安装止推轴承限制转子的轴向运动及引出电机定子绕组

25、与电缆连接的引出线；下接头主要用来密封电机内腔及连接星点或测试引出线。（4）止推轴承:螺杆泵电机是一种立式悬垂电机，为了承受整个转子的重量，使电机转子在固定位置上正常工作，在电机的上接头里装有一个滑动轴承，它除了承受转子的重量外，还可以承受由于转轴的偏置而产生的径向拉力，这个轴承就是止推轴承。它也是由两部分组成：静块和动块。固定在电机上接头里的部分是静块， 与转轴固定在一起且共同旋转的是动块。止推轴承正常工作磨损较少，但如果设计不合理、组装不正确、定转子铁心没对齐，将会受到单边磁拉力，磨往很严重，甚至可能在极短时间内完全烧毁。本文设计的低速螺杆泵专用同步电动机结螺杆泵电机结构基本相同，所不同的

26、是电机为10极结构，定子绕组为双层叠绕组，而不再是单层同心式；而转子内部镶嵌着块。2.1.2螺杆泵专用同步电动机的结螺杆泵电机是螺杆泵专用的电动机.除了具有普通三相电动机的特点外，又有自己的结构特点。（1）细而长的结构：螺杆泵电机要下到套管内径为0.1270.340m的油井内驱动螺杆泵抽取原油，因而外径受到限制。众所周知，当电机的外径确定后，其功率的大小将由长;此为保证螺杆泵电机具有一定的负载能力，使其有足够的输出功率只能靠增加电机的长度。普通电动机定子铁心长径比一般为1左右，而嫘杆电机的定子铁心长径比为50左右，甚至更高。2定转子分析：螺杆泵电机细长的结构特点，决定了必须加强转子的支撑，为保

27、证螺杆泵电机转子运转的可靠性并考虑到制造细长整体转子的困难，以及电机气隙均匀、定转子不会摩擦，螺杆泵电机转子采用多支点的径向支承，支承点就是扶正轴承。整个转了-由多节相同的小转子串联组成，每节转子就是一个小电机，每两节之间放置扶正轴承。每节转子的长度取决于转轴的挠度。螺杆泵电机的定子铁心也具有分节的特点，由磁性材料硅钢片和非磁性的铜片交替叠压而成，并压入细长的机壳内。根据转子节和扶正轴承的长度，每叠压一段硅钢片后，叠压一段铜片，作为扶正轴承支承处的无磁性区域。组装时，转子的转子节与定子的定子铁心硅钢片段是平齐的，整个螺杆泵电机是由数个相同的小同步电动机串联而组成的。3特殊的油路循环系统:螺杆泵

28、电机长期工作于油井中，环境温度高， 转子采用多点径向支承，径向支承大多位于定、转子之间，轴承空隙很小，因此螺杆泵电机各部分的散热和润滑就显得十分必要和重要。必须加强各部件的冷却和润滑。所以螺杆泵电机中设计了一个特殊的油路，以对它进行冷却和润滑。（1）油路循环系统的组成:油路循环系统主要有循环动力源、油道、流体介质等组成。在最初的螺杆泵电机设计中，油路循环系统的循环动力源是由设置在上部或下部与转轴固定在一起的特殊的打油叶轮提供的。随着螺杆泵电的更新换代，到上世纪80年代，其动力源是由上部改进后的止推轴承提环的油道是由转轴的空心腔、径向轴孔及气隙等连通而成的；其流体介质是特殊的螺杆泵电机润滑油，这

29、种润滑油不仅要具有一定的粘度，还得具有较高的绝缘强度等级。（2）油路循环过程:螺杆泵电机正常运行时，密封在电机内部的润滑油随着转子带动止推轴承的动块旋转，将气隙中的电机润滑油强引通过转轴的径向油孔压入转轴的空心腔内，再从其上端出口流回到气隙中去，这样：气隙一转轴的轴孔一转轴的上端出口一气隙，形成了油路循环的闭合回路。循环的不间断往复，不但润滑了电机内部的各种运动部件，同时又把电机内部大量的热量通过电机的两端及定子铁心传给机壳散到油井的井液中去了，实现了润滑和冷却的双重目的。 螺杆泵的串联运行：由于电机的细长结构，要整体制造大功率的螺杆泵，其长度是可想而知的，不但给电机的有关部件（如转轴、机壳）

30、的制造带来工艺上难以实现的闲难，而且给安装、运输带来很多不便，所以大功率的螺杆泵电机是由相同规格的两台或是多台功率相同或不同的螺杆泵电机串联来实现的。定子绕组之间的连接多采用插入式连接方法，轴与轴之间则采用花键套连接，首尾的连接则采用法兰连接。2螺杆泵专用同歩电动机的设计特点螺杆泵电机连续工作在数千米深的井下，环境比较恶劣，具有高温、高压和腐蚀性等特点，对电机的正常工作影响很大。目前，我国生产的螺杆泵电机一般采用F级绝缘，其最高容许温度为155，适合在温度为50100的井下工作。由于螺杆泵电机在结构和使用方面具有以上特点，故在电磁设计方面也有其特殊性口。2.2.1整体与单段电机的关系从结构和原

31、理上看，整台螺杆泵电机相当于一组同轴的多台小同步电动机，我们将这些结构形状、尺寸以及性能完全相同的电动机，称为单段电机。各单段电机定子绕组间以串联方式联接。由于电机长细比很大，故可忽略绕组端部对电机的影响。这样，由多个单段电机构成的整体电机与单段电机之间存在着以下关系：（1）整体电机额定功率为所有单段电机额定功率之和。（2）整体电机与单段电机的额定电流相同，而整体电机额定电段电机额定电压之和。（3）整体电机电参数标么值及主要性能指标(如效率、最大转矩倍数、及温升等) 与单段电机相同。由此可见，只要使单段电机性能最佳，则整体电机性能然最佳。所以，设计螺杆泵电机时可从设计单段电机着手，这样做不仅给

32、设计工作带来方便，而且可由此单段电机派生出多种规格的螺杆泵电机，以满足不同油井的需要。2.2.2主要尺寸与参数、性能的关系与一定规格油井套管配套使用的螺杆泵电机，其机壳外径尺寸基本上是一个定值，而与其相应的定子铁心外径尺寸也基本上为定值。设计螺杆泵电机时， 如选择相同的气隙磁通密度B4和电流密度J，则大体上有如下关系：(1）电机功率P与长度L成正比，即PL；（2）电机有效材料的重量G成本C及电机损耗P与长度L成正比，即GCPL,而单位功率的有效材料重量G/P成本C/P及损耗P/P与长度L无关。 (3)当电枢直径D1和绕组每相串联匝数N定时，则电机的定子电阻R，直轴X。和交轴电抗Xq和漏抗Xs均与长度L成正比，即RsXdXqXsL，通常取Zn=Un/In为阻抗基值，ZnL，故电机电阻、交、直轴电抗和漏抗的表么值与长度L无关。4因