抽油机拖动用开关磁阻电动机试验测试与评价

2014-06-05韩二涛甘庆明

石油矿场机械 2014年11期

关键词：磁阻抽油机变频

李明，韩二涛，张磊，刘涛，甘庆明，黄伟

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018）①

抽油机拖动用开关磁阻电动机试验测试与评价

李明1，2，韩二涛1，2，张磊1，2，刘涛1，2，甘庆明1，2，黄伟1，2

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018）①

对游梁式抽油机用开关磁阻电动机的调速系统进行室内试验分析，评价其对油井工况的适应性。通过测试在不同负载、不周转速情况下电动机的输出转矩与电动机效率，得到电机的特性曲线。测试结果表明：开关磁阻电动机调速系统具有良好的起动特性，在0.2倍额定电流情况下输出转矩能够达到额定转矩的2.5倍；良好的调速性能使得电动机可以在0.2倍额定转速下正常工作，同时过载能力达到2.2，且保持50%以上的效率；在5%负载情况下开关磁阻电动机效率达到75%，而同规格异步机仅为30%。该开关磁阻电动机对抽油机“重载起动、低负运行”工况具有较好的适应性。

开关磁阻电动机；负载；特性曲线；转矩；效率

国内油田游梁式抽油机主要使用三相异步电动机，部分油田试验了永磁、高转差率等类型电动机，以提高电动机对抽油机井工况的适应性，提高系统效率；但是效果都不十分明显。开关磁阻电动机（Switehed Reluetanee Motor Motor，简称SRM）及驱动系统（Switehed Reluetanee Motor Drive，简称SRD）诞生于160多年前，随着近代电子、微电子技术的发展，其起动与调速性能越来越优良。在煤矿、纺织、机械加工、电动汽车等行业应用的也越来越广泛。在石油系统内也有过相关的应用试验，但是对其基本特性还需要进行评价，分析其对抽油机工况的适应性［1-6］。

1 开关磁阻电动机基本原理

1.1 基本结构原理

开关磁阻电动机是开关磁阻电动机驱动系统的执行元件。与传统电动机原理不同的是其运动遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的“磁导最大原理”，产生磁拉力形成磁阻性质的转矩。控制系统及运转原理如图1所示。开关磁阻电动机定、转子一般采用凸极结构设计，并且定、转子齿极数不相等。定子装有简单的绕阻，径向相对的2个绕阻串联成一相，转子由叠片构成。控制系统根据检测到的转子角位置信息，控制开关器的开与合，定子不同磁极产生相应的磁转矩，带动转子旋转［7］。

图1 开关磁阻电动机基本结构与原理

1.2 基本特点

从结构与原理上看，开关磁阻电动机是一种高速大步距的反应式电动机。转子运转方向与电源换向直接相关，属于转子位置的闭环控制。开关磁阻电动机调速系统具有4个特点：①具有开通角、关断角、相电流幅值、直流电压幅值4个可控参数，调速性能好；②结构简单、可靠，适宜在恶劣下运行；③在宽广的转速和功率范围内均具有高效率输出；④转矩脉动较大［8］。

2 室内试验测试

利用开关磁阻电动机良好的起动特性与调速性能，替代三相异步机作为游梁抽油机的拖动机构，能够解决在低负载情况下电动机运行效率低的问题。开展磁阻电动机特性室内测试，分析其基本特性，评价其重载起动可靠性与低负载效率状况；与异步机对比分析，评价其整体运行优势。目前，长庆油田在用抽油机配套的电动机功率主要为7.5、11.0、15.0、18.5、21.0 k W，选择15 k W开关磁阻电动机，其基本参数如表1所示。试验采用开关磁阻电动机拖动三相异步机方式进行，二者中间连接转矩测试仪。通过增大2台电动机间的速度差实现磁阻电动机负载的变化，异步机采用变频调速，磁阻电动机设计转速为0～1.8倍额定转速。

表1 15 k W开关磁阻电动机性能参数

2.1 电动机机械特性测试

在不同转速情况下测试电动机最大输出转矩，无因次转速与转矩关系如图2所示。测试结果显示，开关磁阻电动机在额定转速750 r／min以内，其最大输出转矩均能达到额定转矩的1.5倍以上。起动时，电动机最大转矩能够达到2.5倍额定转矩。并且此时电流是额定电流的0.2倍。当电动机转速超过额定转速后，电动机能够达到最大转矩下降，电机恒功率运行。转速超过1.4倍额定转速时，电动机能够达到的最大转矩下降幅度加大。从试验结果分析得，到电动机的第1、第2临界转速分别为额定转速、1.4倍额定转速。

图2 开关磁阻电动机机械性能测试

2.2 负载运行效率测试

在不同负载情况下，测试电动机各转速时的效率，分析电动机使用特性。磁阻电动机在额定转速下运行，负载与效率关系如图3所示。开关磁阻电动机负载率5%、10%时效率分别为75%、85%，而异步机仅为20%、40%。测试结果显示开关磁阻电动机具有良好的运行特性，在不同负载情况下，能够保持较好的运行效率。

图3 开关磁阻电动机运行特性

测试不同转速与负载情况下电动机的效率，结果如图4所示。当电动机转速为0.2倍额定转速时，在不同负载情况下其效率在50～70%；当转速达到0.4倍额定转速以上时其效率均在70%以上。

图4 不同转速与负载情况下电动机的效率曲线

2.3 与变频调速对比分析

在相同转速与负载情况下对开关磁阻电动机调速系统与变频调速系统进行空载损耗、起动电流、运行效率方面对比分析，结果如图5及表2所示。磁阻电动机较变频系统空载损耗低近40%。在高负载时开关磁阻电动机运行效率与变频系统相当，在低负载时，开关磁阻电动机运行效率比变频系统高近2倍。%

图5 开关磁阻电动机与变频调速系统空载损耗对比

表2 不同转速与负载情况下的运行效率

2.4 开关磁阻电动机机械特性与抽油机运行对比

游梁式抽油机起动时，其需要的转矩可能是正常运行时的2～3倍，而正常运转时，电动机的负载率一般低于30%，这使得电动机的运行效率较低。开关磁阻电动机具有高起动转矩、低负载高效的特点，与抽油机的运行特点相适应，能够较好的提高运行效率。

3 结论

1）开关磁阻电动机具有较好的起动特性，在低电流情况下能够输出较大转矩。

2）低负载及不同转速情况下，开关磁阻电动机都具有较高的运行效率。

3）与变频调速系统相比，开关磁阻电动机具有较低的空载损耗，同时在低负载低转速时，具有更高的运行效率。

［1］冯子明，张金东，顾慧彬，等.抽油机用电动机节电特性试验研究［J］.石油矿场机械，2013，42（7）：55-58.

［2］杨培东，王建华，许敏，等.机械采油高效拖动装置应用分析［J］.石油矿场机械，2013，42（11）：90-92.

［3］白连平，白实.抽油机电机质量的评价方法［J］.石油矿场机械，2009，38（3）：20-22.

［4］姜民政，董康兴，孙振旭，等.抽油机系统地面装置效率试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：54-56.

［5］张军，韩兵奇，刘宗恩，等.抽油机节能方案研究［J］.机电工程技术，2010，39（8）：61-64.

［6］孙振兴.开关磁阻电动机调速技术研究［D］.济南：山东大学，2010.

［7］孙珊.开关磁阻电动机工作原理及其调速系统概述［J］.科技广场，2010（5）：228-230.

［8］唐任远.中国电气工程大典（9）［M］.北京：中国电力出版社，2008.

Study and Test on SRD as the Power Force of Beam Pumping Unite

Preceding a series of tests is to evaluate the adaptability of SRD for well pumping unit to get the char of motor by testing efficiency in condition of different load and speed.SRD is a well system of preferable starting and speed turning：the output rotating torque reaches 2.5 times rated torque at 0.2 times rated current.SRD can work well at 0.2 times rated speed and give 2.2 times rated torque，the efficiency is 50%.When load is 5%，the efficiency of SRD is 75%，but others only are 30%.The result tells us：SRD is suitable to the well pumping unit working condition.

SRD；load；char of motor；torque；efficiency

TE933.1

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.017

1001-3482（2014）11-0069-03