不同类型电机在游梁式抽油机中的应用分析

杜 业，于红业，葛利俊

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

根据中石油有关部门统计，油田采油系统的年均耗电量超过20 亿度，能耗巨大。为进一步推动节能降耗，工业和信息化部相继制定并颁布了3 个批次的高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录。其中第三批目录规定在2015 底前，将低压电机中的Y、Y2、Y3、YB、YB2 予以明确淘汰。国家质检总局也颁布了电机能效提升计划，大力推广应用高效电机。游梁式抽油机（以下简称抽油机）与电机所组成系统的节能，应包含3 个方面：①提升电机效率，降低自身能耗；②提升系统效率，使系统内各部分合理匹配，避免大马拉小车现象，使整体效率最佳；③提升系统可靠性，延长使用寿命，降低全寿命周期成本。

1 抽油机及电机的特性

抽油机负载为一条波动性近似正弦曲线。电机需要承受周期性交变负荷，往往还伴有剧烈的冲击负荷。这一负载特性要求电机在选择容量时留有足够余量，保证带载启动时，能克服抽油机较大的惯性扭矩，满足启动要求。同时又要求电机运行时要有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩。在实际运行过程中，电机负荷率大部分为20%～40%。电机的平均负荷率低，存在着严重的“大马拉小车”现象，造成电机效率和功率因数的降低。在抽油机系统中，电机机械特性的软硬程度是评价电机性能的重要依据之一，它将直接影响抽油机系统机、杆、泵的受力状态和使用寿命。

目前，油田应用电机类型主要有超高效异步电机、高转差率电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

1.1 超高效异步电机

相对于普通异步电机，超高效电机通过优化电磁设计和降低转子阻值，降低铜损；采用高导磁硅钢片等优质材料，降低铁损；通过改进轴承、风扇和风罩，降低机械损耗。总体上提高了电机性能和效率。在配合变频器使用时，可以实现恒转矩启动，软启停减缓了对抽油机系统的机械冲击，可以实现大范围调冲。实验证明，变频器可以提升抽油机低负荷区（＜30%）运行的效率，但也会降低中高负荷区运行的效率。

1.2 高转差率电机

按照SY/T 5226—2019《抽油节能拖动装置》的规定，高转差率电机的转差率范围为5.6%～8.4%[1]。由电机学知识可知，增大转子电阻会提升电机启动性能。这很好地解决了大马拉小车问题，可以用较小容量取代较大容量的普通电机，减少装机损耗。但同时转子阻值加大也会增加转子铜损，降低电机效率。虽然高转差率电机牺牲了部分效率，但是换取得到的软特性更适合于抽油机等传动转矩较大的交变冲击负载。这种特点使得抽油机系统负荷得到很大改善，获得良好综合效益。高转差率电机具有适合交变载荷的软特性，在中高冲次运行时具有较好的降载效果，启动性能优于低转差率电机[2]。

1.3 永磁同步电机

永磁同步电机的转子安装有永磁体，按布置位置的不同，可分为内嵌式和表贴式。由于无需电流励磁，可以在较大功率范围内保持较高的运行效率和功率因数，且高效区间宽。这种电机通常做成12 极和16 极低速电机，用在供液不足的油井，使抽油机工作在2 冲次左右。在不影响产量的前提下，可大幅度降低电耗。近些年，半直驱型低速大转矩电机开始应用，它直接安装在减速箱的输入轴上，省掉皮带传动，进一步提升了系统效率。永磁同步电机多采用变频器驱动，也有的在转子上加装鼠笼绕组，内嵌磁钢，做成异步启动型永磁电机，直接采用工频供电，更加节能。

1.4 开关磁阻电机

根据磁阻最小原理，开关磁阻电机采取逐相导通的工作方式。定、转子均为双凸极结构，结构简单。定子采用内集中绕组，转子无绕组。现场常采用三相12/8 结构形式。由于电机无转子绕组，因此不存在转子铜损，效率高、节能效果好。这种电机多用在需频繁正反转换的塔架式长冲程抽油机。

2 电机应用特性

根据抽油机系统节能要求，从电机能耗、合理匹配和可靠性等方面，分析它们在抽油机的应用特性。

2.1 电机能耗

永磁同步电机在整个范围内的效率都较高，在低负荷（10%～20%），效率在80%以上。开关磁阻电机次之，整体运行效率比永磁同步电机低约5%；超高效异步电机在中高负荷区（30%～80%），效率略低于开关磁阻1%。高转差率电机效率在中高负荷区最低，但在低负荷区（10%～30%），由于高转差率电机有3 种转矩输出，在实际应用中，配合转矩自动变换控制柜实现自动变换，使系统的输出与负载实现合理匹配，比超高效异步电机平均效率要高约10%。

2.2 合理匹配

电机的机械特性描述了转矩与转速关系，其机械硬度的软硬情况将直接影响抽油机系统机、杆、泵的受力状态和使用寿命，这是评价电机性能的重要标准。

永磁同步电机和开关磁阻电机的机械特性是一条平行于横轴的直线，当负载转矩变化时，电机稳定转速保持不变，运行中无转差，机械特性非常硬。它没有消减振动载荷的能力，增大了对减速箱齿轮的冲击，加剧抽油机系统振动，无法实现系统柔性匹配。在使用过程中有皮带拉断，甚至抽油杆断脱的现象。

超高效电机由于降低转子阻值，转差率在2%以下，机械特性比普通Y 系列电机还硬，不利于系统的柔性匹配。在应用变频器改变频率后，机械特性的运行段基本相互平行，硬度基本保持不变。随着频率下降，电机的最大转矩减小，带载能力随之下降。

高转差率电机的机械特性较软，可以对抽油机系统产生一系列作用，有利于减小乃至消除倒发电；有利于使剧烈变化的扭矩曲线趋向平缓，降低减速箱损坏率；有利于改善机杆泵的受力状态，减小悬点动载荷，降低抽油杆的最大应力和应力变化范围，达到柔性匹配。

2.3 可靠性

不同类型的电机应具备良好的适用性，能够满足油田现场严酷工况要求，同时还要便于就地维修。

超高效电机和高转差率电机结构简单，可以没有控制环节直接接入电网运行，维修方便、可靠性最高。这是油田应用最广泛的原因之一。

永磁同步电机在冲击电流产生的电枢反应、剧烈振动和长期高温运行时，都会产生不可逆退磁，导致电机转矩降低，不能平稳启动抽油机。另外，转子充磁需要找专业厂家，维护费用较高。

开关磁阻电机虽然结构简单，但不能独立工作，必须配合控制器才能工作，运行时还需要位置检测器反馈电机位置。这削弱了结构简单的优势，降低了系统运行的可靠性。

3 结束语

用户可根据现场工况和抽油机类型，选择适合的电机。总体上，应采取系统考虑、综合效益、切合实际和因地制宜的原则；管理上应做到精细管理，合理匹配，才能达到最佳匹配，使抽油机系统节能效果达到最大化。未来，伴随着科技进步，无铁芯、高功率密度、高效率的新型电机和重载慢提，轻载快提类似软特性的控制方式，必将给抽油机系统带来革命性的巨变。