開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于抽油機(jī)的基本節(jié)電分析

張繼明 許克新 郝成（中原油田分公司采油六廠）

目前各油田的抽油設(shè)備90%以上為常規(guī)游梁式抽油機(jī)，其存在的主要問題是電動(dòng)機(jī)能耗大、運(yùn)行效率低，同時(shí)游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行的過程中存在一些缺陷，不僅影響游梁式抽油機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，還造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

游梁式抽油機(jī)是機(jī)、桿、泵組成的復(fù)雜系統(tǒng)，而且上下沖程固定單一造成采油效率低下，根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)，分析游梁式抽油機(jī)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，產(chǎn)生嚴(yán)重資源浪費(fèi)現(xiàn)象的因素，主要體現(xiàn)在：

（1）游梁式抽油機(jī)的連接是剛性的，在運(yùn)行的過程中會(huì)因?yàn)檩d荷過大，造成能量的損失，導(dǎo)致游梁式抽油機(jī)運(yùn)行中沒有較好的平衡性能。游梁式抽油桿有非常大的沖擊性，而且其運(yùn)行呈現(xiàn)周期交變，轉(zhuǎn)矩非常大，在一個(gè)運(yùn)行周期之內(nèi)，會(huì)發(fā)生非常大的負(fù)載變化。（2）在抽油機(jī)使用過程中，是處于一直工作的狀態(tài)，而游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行的過程中，其中的曲柄也在不同的運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)行的角度在不停的變化中，不同的角度，其產(chǎn)生的運(yùn)行平衡效果不同，因此在游梁式抽油機(jī)運(yùn)行中，因?yàn)槠胶鉄o法保證，所以造成能源浪費(fèi)。（3）游梁式抽油機(jī)的運(yùn)行是有周期性的，在完成一個(gè)周期的運(yùn)行過程中，抽油機(jī)的沖程負(fù)荷保持不平衡的狀態(tài)，而且上下沖程的負(fù)荷平衡性有很大的差異，進(jìn)而在運(yùn)行的過程中，因?yàn)樨?fù)荷的不平衡造成能源的浪費(fèi)。

在油田作業(yè)中，使用最為廣泛的抽油機(jī)就是游梁式抽油機(jī)，這種類型的抽油機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)和目前的使用現(xiàn)狀，所采用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）電機(jī)損耗??；（2）電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度可以穩(wěn)定的變化調(diào)節(jié)，而且有非常寬的速度調(diào)節(jié)范圍，因此抽油機(jī)使用這種電動(dòng)機(jī)可以在不同的油井要求下進(jìn)行運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)；（3）其采用的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式是軟啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式將啟動(dòng)中對(duì)抽油機(jī)自身產(chǎn)生的沖擊減小，進(jìn)而將抽油機(jī)變壓器、電機(jī)等設(shè)備的容量降低，不影響抽油機(jī)的正常運(yùn)行和受用壽命。在油井工作中需要滿足這些運(yùn)行特點(diǎn)的抽油機(jī)自身有非常高的功率因數(shù)和運(yùn)行效率，這樣才可以保證抽油機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。同時(shí)在這個(gè)特點(diǎn)下抽油機(jī)的各個(gè)部件例如、機(jī)、桿、泵等可以進(jìn)行完美的結(jié)合將抽油機(jī)的工作效率提升。將這些優(yōu)點(diǎn)集合在一起，體現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)上，將這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用到抽油機(jī)中進(jìn)行工作，可以大大的提高油井的抽油質(zhì)量和抽油效率。開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是集合這些優(yōu)點(diǎn)于一身的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在當(dāng)前的抽油機(jī)領(lǐng)域是運(yùn)行效果最好的動(dòng)力系統(tǒng)，也是最理想的動(dòng)力系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在抽油機(jī)領(lǐng)域具有非常大的作用和研究意義。

一、開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)外型與普通鼠籠電動(dòng)機(jī)基本一致，但內(nèi)部的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)大不相同，另外為滿足控制需要，還在電機(jī)后部增加了轉(zhuǎn)子位置傳感器。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的鐵芯是將硅鋼片進(jìn)行相關(guān)處理后，壓入到定子風(fēng)冷機(jī)殼中，形成風(fēng)冷電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)使用的電動(dòng)機(jī)類型是12／8極SRD，這種電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子具有相同結(jié)構(gòu)，均是凸極式結(jié)構(gòu)造型，但是定子和轉(zhuǎn)子也有不同之處，定子和轉(zhuǎn)子的齒和槽是相同的，定子上的齒和槽均為12個(gè)，而轉(zhuǎn)子上的齒和槽只有8個(gè)。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的鐵芯的每一個(gè)極上都有每一個(gè)繞組，在定子鐵芯每個(gè)極上的繞組為集中繞組，，繞組是多股并繞的軟線圈，位于定子的槽中，并有環(huán)氧酚醛玻璃板將其固定，在定子繞組和定子鐵芯之間設(shè)有一個(gè)槽絕緣，而且同一個(gè)定子槽中相臨兩個(gè)極的繞組，也有絕緣設(shè)置。和定子不同的是轉(zhuǎn)子沒有繞組。槽絕緣和相絕緣材料均為F級(jí)。傳感器板通過輸出線向SRD控制單元提供電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和角位移信號(hào)，該輸出線引到電機(jī)出線腔的接線方式為一個(gè)圓形接線座。

二、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)電特性和原理

1.自動(dòng)檢測負(fù)載，調(diào)整電流

開關(guān)磁阻電機(jī)的控制調(diào)速系統(tǒng)在抽油機(jī)運(yùn)行中，通過智能程序和感觸裝置，適時(shí)、自動(dòng)檢測抽油機(jī)所需功率和扭矩，并據(jù)此向電網(wǎng)取所需大小的電流，而不是不論負(fù)載如何，總是消耗較多電流，無論在何種狀態(tài)運(yùn)行，都不存在倒發(fā)電，沖擊電網(wǎng)現(xiàn)象。因此，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了在游梁式抽油機(jī)上的節(jié)電。

2.本身是一種最優(yōu)秀的高效率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)集合了眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，使其成為一種高效率的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的繞組沒有發(fā)生銅損，而且電動(dòng)機(jī)有非常多可以控制的參數(shù)，這些參數(shù)可以靈活的進(jìn)行調(diào)整，在其允許的運(yùn)行速度范圍內(nèi)，以及不同的負(fù)載下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高效控制。例如37kW SRD，該電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在不同的速度下，其運(yùn)行效率均在80%以上，有效的保證了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)和PWM變頻器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的運(yùn)行效率在不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等條件下，均比PWM變頻器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的高，而且運(yùn)行效率高5～15%不等。

3.調(diào)速范圍寬，低速范圍，效率高

開關(guān)磁阻電機(jī)從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)均可帶載長期運(yùn)行，在開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)非常寬的轉(zhuǎn)速范圍和運(yùn)行效率范圍內(nèi)，開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)有非常高的輸出效率。即使開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化范圍發(fā)生較大變化，其都能穩(wěn)定在高水平，可以有效的提高抽油機(jī)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低采油成本。以37KW電機(jī)為例，平均都可以達(dá)到83%的綜合效率，額定點(diǎn)負(fù)載可以達(dá)到95%的效率。

4.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，具有小電流大扭矩

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)，其控制器會(huì)在開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從電源中吸收較小的電流，同時(shí)在電動(dòng)機(jī)那里獲取較大的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行自身的啟動(dòng)。例如當(dāng)控制器的啟動(dòng)電流是開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)電源額定電流的15%時(shí)，在電動(dòng)機(jī)那里獲取的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%的額定轉(zhuǎn)矩；控制器的啟動(dòng)電流是開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)電源額定電流的30%時(shí)，在電動(dòng)機(jī)那里獲取的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為150%的額定轉(zhuǎn)矩。由此可以得出開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)非常適合在油井抽油機(jī)中使用，或者在運(yùn)行時(shí)間較長、運(yùn)行速度較低、載重加大的抽油機(jī)中使用。