抽油机拖动装置对比应用分析

濮新宏，雷　钧，王海军，于　博

中国石油长庆油田分公司技术监测中心（陕西西安710018）

抽油机拖动装置对比应用分析

濮新宏，雷钧，王海军，于博

中国石油长庆油田分公司技术监测中心（陕西西安710018）

对伺服系统的工作原理及优势进行了全面的剖析。通过现场测试，对数据进行计算分析，在同等情况下，配有伺服控制系统的三相异步电动机的起动电流远远小于传统的三相异步电机，且调速范围更宽，系统效率更高，并且可控性更好，可以通过控制，改变系统冲次，进而达到优化系统运行参数，实现节能降耗。

抽油机；伺服技术；系统效率；节能

目前，抽油井在用的电机主要是三相异步电机，因电机的功率和效率特性，应用过程中存在着无法自身客服的缺点。随着油田管理要求的越来越精细、节能降耗形势日益严峻，需要一种节能并有利于管理的电机以满足油田高效开发的需求。在传统的三相异步电机的基础上配伺服电机控制系统便能够很好的解决现有问题，并可以实现智能化控制［1］。

1　伺服系统工作原理及其优势

伺服电机控制系统是一个典型的闭环控制系统，通过编码器采集角度信息，按照控制命令的要求，对电机的功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、转速非常灵活方便。三相异步电机作为执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是：在控制信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转。相较于普通电动机，配伺服电机控制系统的电机主要存在以下优势：

1.1软启动方式

三相异步电动机的起动方法主要有直接启动、传统减压启动和软启动三种启动方法。直接启动，也叫全压启动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压（即全压）直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。直接起动最简单，但是电动机绕组在点动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电机，同时会引起过大的启动电流，造成线路电压降增大。减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。软启动主要采用软启动器，可以控制电动机的电压，使其在起动过程中逐渐升高，很自然的就限制了起动电流，变速箱和电动机的扭矩和输入功率变化趋于平缓，大大降低了机械冲击负载对设备造成的损伤，延长了设备使用寿命［2-3］。

1.2节能效果显著

伺服控制实现了电机磁通和转矩的解耦控制，使传动系统的动态特性有了显著的改善，矢量控制大大改善了异步电机的动态控制性能，其基本控制原理是若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标轴系到旋转坐标轴系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量分解成两个垂直的直流变量，d轴分量控制转子磁通；在控制转子磁通恒定的前提下，电机转矩与定子电流的q轴分量成正比。从而实现了转子磁通和转矩的解耦控制并分别进行控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。通过控制d轴分量为零，则定子电流全部转化为提供转矩的q轴分量，实现了有用功率最大化、转矩最大化，大大提高了系统的节能效果［4-5］。

1.3可控性好

1）可以通过合理控制运行参数，进一步改变整个系统的工作性能。

抽油机系统工作效率为：

同时抽油机系统效率也可表示为：

式中：N总出为输出有效功，kw·h/d；N地为地层能量所做功，kw·h/d；N光为光杆功率，kw·h/d；N电为电网平均输给电机的功率，kw·h/d；qc为油井产液量，m3/d；Pt、Pc为井口油压和套压，MPa；H效为有效举液高度，m；γ为油管内混合液重度，kg；η为抽油机系统效率，%。

式中：h为停抽后沉没度，m；q1为停抽后自喷产液量，m3/d；η井下为井下效率，%。

对于电动机而言，其扭矩、转速和功率的关系为

式中：p为电动机的功率，kw·h/d；N为电动机的转速，转/min；T为扭矩，kN。

式中：n为冲次，次/min；hi+1-hi表示示功图第i单元厚度，m；li+1-li表示示功图第i单元长度m；m表示将示功图划分为m个单元。

对于一油井，在抽油机工作过程中其套压、井口油压、和油管内混合液重度是保持不变的，由式（3）可知，有效举液高度也是不变的；由式（2）可知，系统效率η就只与qc、N电有关，且与油井产液量成正比，与电网平均给电动机的功率成反比，所以系统冲次增加时，也就意味着在相同的时间内产液量和光杆功率也随着增加，那么系统效率就会增加；所以我们可以通过改变系统冲次达到改变系统效率的效果。

2）智能工作模式。在一个完整冲次过程中实现快抽（上冲程快）慢下（下冲程慢）工作制度，该工作模式有助于液体充分进入泵筒内并且在上冲程过程中减少漏失量，可以提高泵效的同时进一步节能。

由于伺服控制系统是一种智能控制系统，可以通过程序很方便的实现人机的交流。除了上述模式外还可以实现的在一个冲程内某时段按照设定加速度或减速度运行、恒功率或恒扭矩工作模式、变功率或变扭矩运行模式等，要实现这些模式只需要安装角位移传感器即可。

2　现场测试结果及实验数据分析

表1为不同电机在不同平衡状态下的启动数据，显然，使用了软启动的三相异步电动机的起动电流要远远小于正常启动电机的电流，同时也能够保证启动扭矩在一定的可接受范围内，使电动机既能够快速进入正常工作阶段，又能够减少电动机的发热、磨损功耗以及启动时刻的供电电压降。

表2为不同平衡状态下抽油井单耗数据，在平衡状态时，使用伺服控制系统的电机单耗比使用普通电机单耗降低了37.6%；而在过平衡状态和欠平衡状态分别降低了41%和16%。

表3数据表明使用了伺服系统控制电机之后，整个抽油井系统工作效率有了显著的提升，平衡状态系，效率增长7.41%；过平衡状态下，效率增长了6.83%，欠平衡状态下，效率增长了3.45%。

表1　不同电动机拖动不同平衡状态运行时电动机启动数据

表2　不同电动机拖动不同平衡状态运行时单耗数据

表3　不同电动机拖动不同平衡状态运行时系统效率数据

表4为平衡状态下不同冲次下系统运行参数，实验数据表明随着冲次的增加，光杆功率、有功功率和系统的效率都在增加。

表4　平衡状态下不同冲次下系统运行参数表

3　结论

实验结果表明，在同等情况下，配有伺服控制系统的三相异步电动机的起动电流远远小于传统的三相异步电机，且调速范围更宽，系统效率更高，并且可控性更好，可以通过控制，改变系统冲次，进而达到优化系统运行参数，实现节能降耗。

同时伺服控制系统是一款智能系统，因此可以很好的实现人机交流，更便于对电机系统进行控制，在油田抽油机系统中具有很好的应用前景。

［1］刘喜文.伺服技术应用于油田地面系统［J］.油气田地面工程，2011，30（11）：71-72.

［2］李东红.伺服电机在油田抽油井上的应用［J］.油气田地面工程，2011，30（8）：82-83.

［3］王健.现代交流伺服系统技术和市场发展综述［J］.世界仪表与自动化，2008，12（9）：22-24.

［4］赵民.永磁同步电机控制系统的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005.

［5］郭庆鼎，王成元.交流伺服系统［M］.北京：机械工业出版社，1994.

The working principle and advantages of the servo system of oil pumping unit are comprehensively analyzed.The analysis of the field test data shows that，under the same conditions，the starting current of the three-phase asynchronous motor with the servo con⁃trol system is much smaller than that of the traditional three-phase asynchronous motor，its speed range is wider，the system is more effi⁃cient，and the controllability is better.It can change the jig frequency of the system and then optimize the operating parameters of the system to achieve the purpose of saving energy and reducing consumption.

oil pumping unit；servo technology；system efficiency；oilfield energy saving

濮新宏（1965-），男，工程师，现主要从事节能监测工作。

本文编辑：路萍2016-06-25