塔架式抽油机用电动机的设计与节电分析

2013-09-22，，，，，

电气传动 2013年1期

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（1.渤海石油装备承德石油机械有限公司，河北承德 067000；2.中海石油（中国）有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300452；3.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072）

1 引言

我国现有大多数油田的特点是低渗透，低产油井，采用注水抽油的方式，抽油机消耗了大量的电能，占油田总电耗的比例很大。油田在用抽油机主要为游梁式抽油机，四连杆机构传动过程中也会产生一定的能耗，能量损失最高达28%，加上旋转特性造成启动转矩大，大大降低了系统的效率。

在大力倡导节能降耗的今天，各种节能型抽油机和节能型电机的研究迅速升温，如变频电机、节能型控制器、塔架式抽油机及其拖动装置等等。其中塔架式抽油机直接将电能用于直线往复运动，减少了机械传动过程中的能量损失，所用电动机应适合重载启动、频繁正反转运行。开关磁阻电机具有上述优点，且结构简单，运行可靠，可长期低速运行，功率因数高，二者相配合有效提高了系统效率。

2 塔架式抽油机及配用电机简介

传统游梁式抽油机系统效率较低，匹配高转差率电动机，综合节电率得到有效提高，但是仍然存在冲程冲次调节困难的问题。塔架式抽油机具有长冲程、低冲次的特点，冲程冲次调节方便，能耗低，有效降低了开采成本。

2.1 塔架式抽油机

塔架式抽油机由电机架、转动系统、工作机构、辅助机构4部分组成。主要采用双循环链条、由联体减速机驱动，主悬梁分布在双循环链条中间与换相机并联，由换向机构将各链条串并联，从而实现换向功能。循环链条的循环运动经此换向机构变为主悬绳的上、下往复运动[1]。

塔架式抽油机的工作原理为：电动机通过皮带带动齿轮减速器，减速后带动主动链轮作连续定向转动、主动链轮带动封闭链轮和循环轴循环运行，循环轴的上下分别连接着两条钢丝绳、一条通过天轮与光杆上的悬绳器相连、另一条通过地轮和小天轮与平衡箱相连[2]。循环轴上下循环运动的同时带动抽油杆上下往返运动，从而实现开采作业的主要功能。

2.2 开关磁阻电机

开关磁阻电机的定转子均为双凸极结构，定子上有集中绕组、转子无绕组，定转子的极对数不相等。如图1所示为12/8极开关磁阻电机的结构图。

图1 12/8极开关磁阻电机结构Fig.1 Structure of 12/8 switched reluctance motor

开关磁阻电机遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，进一步产生转矩，使得转子转动起来。如图1所示，当C极通电后，磁场力使相对较近的转子极轴线与C极定子极轴线重合，则转子逆时针转动；接着给B相通电，转子会以逆时针方向旋转下去。反之，顺序给A-B-C通电，则转子将以顺时针方向旋转。可见，转子的转向与绕组的通电顺序有关，而与电流的流向无关。

3 开关磁阻电机的参数设计

针对目前公司统计的油田使用电机容量的需求，采用磁路与场相结合的设计方法设计出额定功率为45 kW、额定转速为1 000 r/min的开关磁阻电机。

本文采用传统的基于磁路的设计方法，根据给定的电机基本数据，设计得出电机的外形尺寸和电磁参数。用有限元法来验证所设计的电机各参数是否合理，性能是否达到预期要求。

3.1 结构参数

基于磁路的方法计算得到的电机结构参数为：定子极数12，转子极数8，定子外径455 mm，转子内径100 mm，铁心长220 mm，气隙0.7 mm，定子极弧 15°，转子极弧 17°。

在保证电机性能要求的基础上，设计得到的尺寸可以使用常规电机的机座，降低生产成本，减少模具投入费用。

根据电机参数采用有限元法建立了定转子模型，如图2所示。冲片采用DW470-50的冷轧硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95。

图2 有限元法建立的定转子片结构Fig.2 Stator and rotor structure with finite element method

3.2 电磁参数

图3 功率变换电路Fig.3 Power conversion circuit

开关磁阻电机给定的电磁参数包括：额定功率为45 kW，额定转速为1 000 r/min，控制端输入电压为380 V，额定转矩为430 N·m，额定状态下的效率为95%。采用全压启动方式，功率电路如图3所示，采用三相不对称半桥结构。每相绕组各对应2只功率开关管和2个续流二极管，上下2只功率开关管必须同时开通或关断，2只续流二极管构成能量回馈通路。该电路具有较多优点：功率开关器件各相没有公共管，因此各相电流也是相互独立的，分别由各个相的电压来控制。且在二极管续流阶段由于电压为零，可以避免开关管的反复通断，增大电动转矩，减少能量损耗，转矩脉动小，噪声得到有效抑制。

3.3 性能研究

在进行结构和电磁参数的给定后，利用有限元法进行分析，得到的磁链曲线如图4所示。

图4 磁链曲线Fig.4 Curves of flux linkage

由图4可以看出，磁链不仅与电流的大小有关，而且随着转子位置的不同，磁链值也呈现出非线性的变化趋势，因此不能采用简单的解析法进行磁链求解，也体现出了有限元法分析的必要性。

图5是电机转速曲线，可以看出，电机稳定运行后，转速基本保持不变，运行平稳。

图5 转速曲线Fig.5 Curve of speed

一相电流波形如图6所示，一相电流呈周期性脉动，一相转矩与电流的变化趋势相同。

图6 电流曲线Fig.6 Curve of current

图7为电机三相合成转矩曲线。

图7 转矩曲线Fig.7 Curve of torque

图8为转速与效率的变化关系。当电机在1 000 r/min的额定转速下运行时，效率达到最大，约为96%，而且高效区范围大，也体现出了开关磁阻电机效率较高的优点。

图8 效率曲线Fig.8 Curve of efficiency

综合上述对电机各性能参数的分析，可知基于磁路与场结合方法所设计的开关磁阻电机能够达到设计要求，在额定负载下，电机能够保持恒速运行，并且在额定值附近，有一段高效区，在此区段仍可保持较高的效率。电流和转矩脉动在允许范围内，输出功率较高。经试验验证，电机额定状态运行时，功率因数高达0.9以上，电机自身无功功耗较小，因此称开关磁阻电机是一种高效节能电机。

4 系统节电分析

将开关磁阻样机与油田抽油机匹配运行，运行效果良好。经现场节能测试分析，与其他类型电动机对比后，仍可得到开关磁阻电机具有较高的效率，节能效果较好。

4.1 油田现场节电效果

4.1.1 与油田在用电机的节电效果对比

表1是开关磁阻电机与油田在用电机的各项参数对比。为了达到相同的启动性能并保证电机安全运行，油田在用电机要比开关磁阻电机选大一个功率等级。

表1 油田在用电机与开关磁阻电机的对比Tab.1 Comparison of oilfield used motor and switched reluctance motor

从对比数据中可以看出，开关磁阻电机节能效果较为明显，有功节电率为10.784%，无功节电率为38.432%，综合节电率达12.67%，并且电机功率因数提高了30%。

4.1.2 与普通永磁电机的节电效果对比

表2是相同功率等级下的开关磁阻电机与永磁电机的各项参数对比。

表2 永磁电机与开关磁阻电机的对比Tab.2 Comparison of permanent magnet motor and switched reluctance motor

永磁电机因其带有永磁体励磁，无功损耗较小，输出功率较高，是一种节能电机，但在环境恶劣或者有电流冲击时，永磁体易永久失磁，影响整个抽油系统的运行，可靠性降低。开关磁阻电机运行可靠性较高，经现场测试比较，开关磁阻电机无功功率损耗较大，但有功节电率为2.73%，综合节电率为0.761%，可见，开关磁阻电机与永磁电机能够达到相同的节电效果。

4.1.3 与变频永磁电机的节电效果对比

表3、表4、表5为不同冲次时变频永磁电机与开关磁阻电机的节电效果对比，冲次为4.5时，有功节电率为5.989%，综合节电率为4.368%；冲次为3.5时，有功节电率为6.723%，综合节电率为5.838%；冲次为2.5时，有功节电率为7.667%，综合节电率为6.257%。可见，随着抽汲速度的变化，无功损耗变化量也有减少，有功节电率以及综合节电率都有不同程度的提高。