潛油永磁同步直線電機(jī)模擬負(fù)載測試平臺

潛油永磁同步直線電機(jī)模擬負(fù)載測試平1.山東威馬泵業(yè)股份有限公司，山東濟(jì)南271000；2.2、山東大學(xué)，山東濟(jì)南250000；3.3、中國石油大學(xué)（華東），山東青島266000摘要：潛油永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動柱塞泵采油作為一項新技術(shù)已逐漸在油田推廣應(yīng)用，為了切實評估新型電機(jī)的性能及可靠性，為實際應(yīng)用及設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù)，設(shè)計了本套模擬負(fù)載測試平臺。本測試平臺包括潛油永磁同步直線電機(jī)、平臺機(jī)架、模擬負(fù)載、電機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)工作環(huán)境控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本測試平臺可有效開展不同工況下潛油永磁同步直線電機(jī)性能測試，驗證潛油永磁同步直線電機(jī)設(shè)計的有效性和可靠性，對潛油永磁同步直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展起到積極作用。隨著油田的不斷開發(fā)，大斜度井、水平井等油井逐漸增多，有桿采油系統(tǒng)很難滿足新的開采需求。潛油永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動柱塞泵采油技術(shù)可應(yīng)用于大斜度井、水平井的開采，同時其自動化程度高，沖次、沖程可自適應(yīng)調(diào)整，尤其適用于低產(chǎn)淺井。但在使用過程中出現(xiàn)推力不足、推力波動大、溫升過高問題。為適應(yīng)多井深、多井況的采油需求，我公司聯(lián)合多家科研院所進(jìn)行了潛油永磁同步直線電機(jī)相關(guān)研究，并開發(fā)了新型高電磁密度潛油永磁同步直線電機(jī)，為展開與油田采油相關(guān)的空載/負(fù)載測試，準(zhǔn)確評估該電機(jī)的性能及可靠性，搭建了本文所述的潛油永磁同步直線電機(jī)模擬負(fù)載測試平臺，開展不同工況下的綜合測試及

研究，將實驗結(jié)果與理論分析計算進(jìn)行對比，驗證理論設(shè)計與計算的有效性，促進(jìn)潛油永磁同步直線電機(jī)的優(yōu)化及改進(jìn)。1實驗原理.■且?k.At!■圖1潛油永磁同步直線電機(jī)模擬負(fù)載測試平臺原理圖潛油永磁同步直線電機(jī)模擬負(fù)載測試平臺原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由潛油永磁同步直線電機(jī)、機(jī)架、模擬負(fù)載、電機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)工作環(huán)境控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。電機(jī)控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)驅(qū)動參數(shù)使?jié)撚陀来磐街本€電機(jī)處于多種工作狀態(tài)。潛油永磁同步直線電機(jī)是本測試平臺的測試對象，也是測試中的動力源，測試時潛油永磁同步直線電機(jī)固定于電機(jī)套筒內(nèi)，其動子與電機(jī)套筒的滑動密封桿連接，鋼絲繩經(jīng)3組定滑輪一端連接滑動密封桿另一端連接模擬負(fù)載配重，動子向左運動時將拉動配重向上運動，勻速運動時配重的重量即為潛油永磁同步直線電機(jī)實際負(fù)載。模擬負(fù)載配重底部設(shè)有阻尼緩落器，用于模擬潛油永磁同步直線電機(jī)的空載行程。電機(jī)工作環(huán)境控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)潛油永磁同步直線電機(jī)工作環(huán)境溫度，改變循環(huán)油性質(zhì)（砂、蠟、氣含量以及粘稠度等）可模擬測試不同井況時潛油永磁同步直線電機(jī)的工作性能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時測量相應(yīng)工況下潛油永磁同步直線電機(jī)的電壓、電流、功率、效率、功率因數(shù)等參數(shù)。2測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1潛油永磁同步直線電機(jī)實驗采用的是自主研制的分?jǐn)?shù)槽潛油永磁同步直線電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2潛油永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖本電機(jī)的主要創(chuàng)新點有：①采用了全新的結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上提高電機(jī)的推力密度②改進(jìn)了線圈的散熱結(jié)構(gòu)，提高散熱能力③優(yōu)選了絕緣材料和永磁體，提高電機(jī)的溫度耐受度④引入了防固體顆粒進(jìn)入、動定子耐磨耐蝕技術(shù)，提高了電機(jī)的可靠性?；贛axwell軟件進(jìn)行了潛油永磁同步直線電機(jī)電磁參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化（如圖3/4），分析了電機(jī)的推力、效率、溫升等指標(biāo)。FOflMPtat1 nnr-i7nm-T111圖3推力優(yōu)化設(shè)計圖4磁密云圖圖5局部磁力云圖2.2電機(jī)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)通過控制電機(jī)的工作頻率改變電機(jī)動子的運動速度。為適應(yīng)多型號電機(jī)的多行程測試需求，行程不再采用脈沖數(shù)控制，而是通過置于電機(jī)套筒上的磁性開關(guān)判斷行程到位進(jìn)而給變頻器信號改變運動方向。2.3機(jī)工作環(huán)境控制系統(tǒng)該系統(tǒng)由電由油箱、加熱棒、電極套筒及油路構(gòu)成，加熱棒置于油箱內(nèi)，測溫器置于電機(jī)套筒回油口，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時溫控器控制加熱棒加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后加熱棒斷電。改變循環(huán)油性質(zhì)（砂、蠟、氣含量以及粘稠度等）可模擬測試不同井況時潛油永磁同步直線電機(jī)的工作性能。2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)該系統(tǒng)在面板實時顯示當(dāng)前工況下的電壓、電流、動子運動速度、行程、沖次數(shù)，溫度傳感器實時采集油箱及電機(jī)殼表面的溫度。所采集到的所有參數(shù)均可通過軟件繪制歷史曲線。3平臺測試該電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)主要有：推力、運動速度、效率、溫升。3.1推力測試推力測試時先設(shè)定電機(jī)環(huán)境溫度為井況溫度，逐步增加模擬負(fù)載配重重量，測試空載至滿載時各頻率下的電壓、電流數(shù)據(jù)，繪制曲線。以我公司新型潛油永磁同步直線電機(jī)驗證機(jī)舉例，其負(fù)載、電流、頻率曲線如圖5所示。圖5潛油永磁同步直線電機(jī)驗證機(jī)負(fù)載、電流、頻率曲線3.2運動速度動子勻速運動速度可由行程、運動時間確定：v1=L’/t’式中，v為勻速運動速度，L’為勻速運動距離，t’為勻速運動時間。1動子理論勻速運動速度可按下式計算：v2=2ft式中，七為勻速運動速度，f為頻率，t為動子極距。勻速運動速度偏差率可按下式計算：E=(v-v)/vX100%式中，E偏差率，七為勻速運動速度，七為勻速運動速度。由于本電機(jī)為永磁同步電機(jī)，勻速運動速度與頻率有嚴(yán)格的線性關(guān)系，一般不會出現(xiàn)偏差，抽樣檢測即可。3.3效率理論設(shè)計時，潛油永磁同步直線電機(jī)效率可由輸出功率和損耗功率確定:n=[p/(P+P)]X100%outoutloss式中，p為電機(jī)輸出功率，Pl為相應(yīng)工況下電機(jī)損耗功率。電機(jī)運行過程中功率損耗主要由銅耗P、鐵耗P、機(jī)械損耗P、雜散損耗cu fe fwP四部分組成：P=P+P+P+Plosscufefws實際測試時，精確測量各項損耗非常困難，可根據(jù)電機(jī)的輸入和輸出功率計算電機(jī)效率。電機(jī)輸入功率P]為：P=UXIXcos6式中，U為電機(jī)勻速時的電壓值，I為電機(jī)勻速時的電流值，cos氣為電機(jī)的功率因數(shù)。電機(jī)輸出功率P為：P=vXF式中，P為電機(jī)輸出功率，vi^動子勻速運動速度，F(xiàn)為負(fù)載。實測電機(jī)效率為：n=P/PX100%3.4溫升進(jìn)行此測試時需將溫控系統(tǒng)關(guān)閉，僅保留測溫功能，將油箱、油路、電機(jī)套筒內(nèi)循環(huán)油置于環(huán)境溫度，并記錄環(huán)境溫度T，按特定工況運行潛油永磁同步直線電機(jī)，記錄各時間段時的溫度并繪制溫度變化曲線，溫度上升并趨于平緩后記錄溫度T2，溫升為：AT=T-T2 1式中，AT二為溫升值，T為初始環(huán)境溫度，^為溫度趨于平緩后的溫度。4結(jié)語本測試平臺可有效開展不同工況下潛油永磁同步直線電機(jī)性能測試，驗證潛油永磁同步直線電機(jī)設(shè)計的有效性和可靠性，對潛油永磁同步直線電機(jī)技術(shù)的發(fā)展起到積極作用。參考文獻(xiàn)1.崔俊國，高翔，鄒文強(qiáng)，等.潛油永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵采油實驗平臺[J].實驗技術(shù)與管理，2020,37[9]:122-1262.李一，圓筒型永磁直線