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摘要：在石油钻井行业中，作为工程机械驱动，交流异步电动机发挥着重要的作用，而交流驱动系统中的升压改造，会给钻井生产过程中整个电机的投入使用带来很大的意义。以石油钻井平台使用较多的三相交流异步电动机为例，分析其升压改造的实施和优化，包括理论改压计算、相关技术问题和电机能量损耗分析。
关键词：交流异步电动机 升压改造 铜损 铁损
1、前言
交流异步电动机作为工程机械驱动，我们常常考虑由不同容量的电动机和不同容量的交流变压器组合来达到传动系统的容量，如果将交流驱动系统进行升压改造，会给整个电机成本选取带来很大的优点。文章以石油钻井平台使用较多的离心机主驱动电机为例，通过其升压改造的实施和优化，既能实现升压节能，又使改造投资得到有效控制。
2、升压改造工作环境
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。
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。若将其直接接在600V的电源上，定子绕组承受的电压将是原设计值的1.73倍，磁势出现过饱和，电动机不能正常运行。从节约原则出发，在不更换原绕组的情况下，电压升高后，维持定于绕组在升压前后所承受的电压不变。在调速比小，总调速范围不变的情况下，恒压恒功调速无法达到电机要求的体积和额定转矩时，我们增加升压恒功工作区间，在低电压点满足额定转矩要求，从而达到工程使用要求。
3、理论改压计算及技术分析
经核算，要将该380V电机升压改造为600V等级，并使其电机额定功率、转速、效率等性能保持基本不变或者更优，仅靠改接绕组接线方式是办不到的，必须进行定子绕组重新绕线。重绕的原则是保持电流密度和每匝电压基本不变，从而使电机气隙磁密和热负荷基本不变。在电机机数，接线方式，并联络数不变的条件下，应保持电源电压与绕组匝数成正比，与导线截面积成反比。由于保持每匝电压不变，电机定子绕组改压后，转子绕组可不用改动。
根据电机原理，当电机高压改低压时，由于电机槽内绝缘要变薄，有条件增大导线的截面积，也即提高了槽满率，这样就可降低铜损，提高了电机的效率；但当电机低压改高压时，由于电机槽内绝缘加多，迫使导线截面积减少，易导致电机功率内绝缘加多，迫使导线面积减少，易导致电机功率容量降低。为了尽量保持电机原有功率容量，就要采用较薄的，耐温等级较高的新型绝缘材料，同时还要考虑结构方面影响。
4、电机能量损耗分析及改造
4.1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。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。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。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。
4.2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。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。
4.3改造步骤
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。
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。
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，可以采用磁性褿槭降低铁损，或者增加铁芯的长度，从而降低铁损耗，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。
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，还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润滑剂。
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。
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。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。
磁性槽泥改造。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。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。
5、升压改造的意义
电动机升压节能改造时一项专业性系统性较强的工作，要达到电动机高效节能可靠的完美目的，改造数据的优化至关重要。同时，还要注重新材料，新工艺的应用。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
关键词：交流异步电动机 升压改造 铜损 铁损
1、前言
交流异步电动机作为工程机械驱动，我们常常考虑由不同容量的电动机和不同容量的交流变压器组合来达到传动系统的容量，如果将交流驱动系统进行升压改造，会给整个电机成本选取带来很大的优点。文章以石油钻井平台使用较多的离心机主驱动电机为例，通过其升压改造的实施和优化，既能实现升压节能，又使改造投资得到有效控制。
2、升压改造工作环境
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。
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。若将其直接接在600V的电源上，定子绕组承受的电压将是原设计值的1.73倍，磁势出现过饱和，电动机不能正常运行。从节约原则出发，在不更换原绕组的情况下，电压升高后，维持定于绕组在升压前后所承受的电压不变。在调速比小，总调速范围不变的情况下，恒压恒功调速无法达到电机要求的体积和额定转矩时，我们增加升压恒功工作区间，在低电压点满足额定转矩要求，从而达到工程使用要求。
3、理论改压计算及技术分析
经核算，要将该380V电机升压改造为600V等级，并使其电机额定功率、转速、效率等性能保持基本不变或者更优，仅靠改接绕组接线方式是办不到的，必须进行定子绕组重新绕线。重绕的原则是保持电流密度和每匝电压基本不变，从而使电机气隙磁密和热负荷基本不变。在电机机数，接线方式，并联络数不变的条件下，应保持电源电压与绕组匝数成正比，与导线截面积成反比。由于保持每匝电压不变，电机定子绕组改压后，转子绕组可不用改动。
根据电机原理，当电机高压改低压时，由于电机槽内绝缘要变薄，有条件增大导线的截面积，也即提高了槽满率，这样就可降低铜损，提高了电机的效率；但当电机低压改高压时，由于电机槽内绝缘加多，迫使导线截面积减少，易导致电机功率内绝缘加多，迫使导线面积减少，易导致电机功率容量降低。为了尽量保持电机原有功率容量，就要采用较薄的，耐温等级较高的新型绝缘材料，同时还要考虑结构方面影响。
4、电机能量损耗分析及改造
4.1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。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。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。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。
4.2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。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。
4.3改造步骤
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。
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。
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，可以采用磁性褿槭降低铁损，或者增加铁芯的长度，从而降低铁损耗，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。
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，还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润滑剂。
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。
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。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。
磁性槽泥改造。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。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。
5、升压改造的意义
电动机升压节能改造时一项专业性系统性较强的工作，要达到电动机高效节能可靠的完美目的，改造数据的优化至关重要。同时，还要注重新材料，新工艺的应用。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