抽油機拖動用開關磁阻電動機試驗測試與評價

李 明，韓二濤，張 磊，劉 濤，甘慶明，黃 偉

（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018）①

抽油機拖動用開關磁阻電動機試驗測試與評價

李 明1，2，韓二濤1，2，張 磊1，2，劉 濤1，2，甘慶明1，2，黃 偉1，2

（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018）①

對游梁式抽油機用開關磁阻電動機的調速系統進行室內試驗分析，評價其對油井工況的適應性。通過測試在不同負載、不周轉速情況下電動機的輸出轉矩與電動機效率，得到電機的特性曲線。測試結果表明：開關磁阻電動機調速系統具有良好的起動特性，在0.2倍額定電流情況下輸出轉矩能夠達到額定轉矩的2.5倍；良好的調速性能使得電動機可以在0.2倍額定轉速下正常工作，同時過載能力達到2.2，且保持50%以上的效率；在5%負載情況下開關磁阻電動機效率達到75%，而同規格異步機僅為30%。該開關磁阻電動機對抽油機“重載起動、低負運行”工況具有較好的適應性。

開關磁阻電動機；負載；特性曲線；轉矩；效率

國內油田游梁式抽油機主要使用三相異步電動機，部分油田試驗了永磁、高轉差率等類型電動機，以提高電動機對抽油機井工況的適應性，提高系統效率；但是效果都不十分明顯。開關磁阻電動機（Switehed Reluetanee Motor Motor，簡稱SRM）及驅動系統（Switehed Reluetanee Motor Drive，簡稱SRD）誕生于160多年前，隨著近代電子、微電子技術的發展，其起動與調速性能越來越優良。在煤礦、紡織、機械加工、電動汽車等行業應用的也越來越廣泛。在石油系統內也有過相關的應用試驗，但是對其基本特性還需要進行評價，分析其對抽油機工況的適應性［1-6］。

1 開關磁阻電動機基本原理

1.1 基本結構原理

開關磁阻電動機是開關磁阻電動機驅動系統的執行元件。與傳統電動機原理不同的是其運動遵循磁通總是要沿著磁導最大的路徑閉合的“磁導最大原理”，產生磁拉力形成磁阻性質的轉矩。控制系統及運轉原理如圖1所示。開關磁阻電動機定、轉子一般采用凸極結構設計，并且定、轉子齒極數不相等。定子裝有簡單的繞阻，徑向相對的2個繞阻串聯成一相，轉子由疊片構成。控制系統根據檢測到的轉子角位置信息，控制開關器的開與合，定子不同磁極產生相應的磁轉矩，帶動轉子旋轉［7］。

圖1 開關磁阻電動機基本結構與原理

1.2 基本特點

從結構與原理上看，開關磁阻電動機是一種高速大步距的反應式電動機。轉子運轉方向與電源換向直接相關，屬于轉子位置的閉環控制。開關磁阻電動機調速系統具有4個特點：①具有開通角、關斷角、相電流幅值、直流電壓幅值4個可控參數，調速性能好；②結構簡單、可靠，適宜在惡劣下運行；③在寬廣的轉速和功率范圍內均具有高效率輸出；④轉矩脈動較大［8］。

2 室內試驗測試

利用開關磁阻電動機良好的起動特性與調速性能，替代三相異步機作為游梁抽油機的拖動機構，能夠解決在低負載情況下電動機運行效率低的問題。開展磁阻電動機特性室內測試，分析其基本特性，評價其重載起動可靠性與低負載效率狀況；與異步機對比分析，評價其整體運行優勢。目前，長慶油田在用抽油機配套的電動機功率主要為7.5、11.0、15.0、18.5、21.0 k W，選擇15 k W開關磁阻電動機，其基本參數如表1所示。試驗采用開關磁阻電動機拖動三相異步機方式進行，二者中間連接轉矩測試儀。通過增大2臺電動機間的速度差實現磁阻電動機負載的變化，異步機采用變頻調速，磁阻電動機設計轉速為0～1.8倍額定轉速。

表1 15 k W開關磁阻電動機性能參數

2.1 電動機機械特性測試

在不同轉速情況下測試電動機最大輸出轉矩，無因次轉速與轉矩關系如圖2所示。測試結果顯示，開關磁阻電動機在額定轉速750 r／min以內，其最大輸出轉矩均能達到額定轉矩的1.5倍以上。起動時，電動機最大轉矩能夠達到2.5倍額定轉矩。并且此時電流是額定電流的0.2倍。當電動機轉速超過額定轉速后，電動機能夠達到最大轉矩下降，電機恒功率運行。轉速超過1.4倍額定轉速時，電動機能夠達到的最大轉矩下降幅度加大。從試驗結果分析得，到電動機的第1、第2臨界轉速分別為額定轉速、1.4倍額定轉速。

圖2 開關磁阻電動機機械性能測試

2.2 負載運行效率測試

在不同負載情況下，測試電動機各轉速時的效率，分析電動機使用特性。磁阻電動機在額定轉速下運行，負載與效率關系如圖3所示。開關磁阻電動機負載率5%、10%時效率分別為75%、85%，而異步機僅為20%、40%。測試結果顯示開關磁阻電動機具有良好的運行特性，在不同負載情況下，能夠保持較好的運行效率。

圖3 開關磁阻電動機運行特性

測試不同轉速與負載情況下電動機的效率，結果如圖4所示。當電動機轉速為0.2倍額定轉速時，在不同負載情況下其效率在50～70%；當轉速達到0.4倍額定轉速以上時其效率均在70%以上。

圖4 不同轉速與負載情況下電動機的效率曲線

2.3 與變頻調速對比分析

在相同轉速與負載情況下對開關磁阻電動機調速系統與變頻調速系統進行空載損耗、起動電流、運行效率方面對比分析，結果如圖5及表2所示。磁阻電動機較變頻系統空載損耗低近40%。在高負載時開關磁阻電動機運行效率與變頻系統相當，在低負載時，開關磁阻電動機運行效率比變頻系統高近2倍。%

圖5 開關磁阻電動機與變頻調速系統空載損耗對比

表2 不同轉速與負載情況下的運行效率

2.4 開關磁阻電動機機械特性與抽油機運行對比

游梁式抽油機起動時，其需要的轉矩可能是正常運行時的2～3倍，而正常運轉時，電動機的負載率一般低于30%，這使得電動機的運行效率較低。開關磁阻電動機具有高起動轉矩、低負載高效的特點，與抽油機的運行特點相適應，能夠較好的提高運行效率。

3 結論

1） 開關磁阻電動機具有較好的起動特性，在低電流情況下能夠輸出較大轉矩。

2） 低負載及不同轉速情況下，開關磁阻電動機都具有較高的運行效率。

3） 與變頻調速系統相比，開關磁阻電動機具有較低的空載損耗，同時在低負載低轉速時，具有更高的運行效率。

［1］ 馮子明，張金東，顧慧彬，等.抽油機用電動機節電特性試驗研究［J］.石油礦場機械，2013，42（7）：55-58.

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［3］ 白連平，白實.抽油機電機質量的評價方法［J］.石油礦場機械，2009，38（3）：20-22.

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［5］ 張軍，韓兵奇，劉宗恩，等.抽油機節能方案研究［J］.機電工程技術，2010，39（8）：61-64.

［6］ 孫振興.開關磁阻電動機調速技術研究［D］.濟南：山東大學，2010.

［7］ 孫珊.開關磁阻電動機工作原理及其調速系統概述［J］.科技廣場，2010（5）：228-230.

［8］ 唐任遠.中國電氣工程大典（9）［M］.北京：中國電力出版社，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

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.017

1001-3482（2014）11-0069-03

2014-05-12

國土資源部“長慶姬塬油田特低滲透油藏綜合利用示范基地”（國土資廳發［2011］88）

李 明（1978-），男，黑龍江安達人，工程師，碩士，主要從事采油工藝技術、井下工具設計、水平井采油技術的研究，E-mail：liming_cq＠petrochina.com.cn。