游梁式抽油機基于開關磁阻調速系統節能改造

張慶洋 周海亮（北京中紡銳力機電有限公司）

游梁式抽油機，簡稱游梁機，主要由驢頭—游梁—連桿—曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝備等四大部分組成。因其結構簡單、可靠性高、耐久性好、易于維護等優點，一直在我國采油設備中占有重要地位，約占總數的75%以上，且在今后相當長的一段時間內仍是油田首選的采油設備。我國自引進游梁機以來，經過幾十年的發展，已經派生出了很多種機型，如常規型游梁機、前置型游梁機、偏置型游梁機、斜井式游梁機、低矮式游梁機及活動式游梁機等，但最基本的四連桿結構并沒有發生變化，因此，游梁機的負載不均衡、平衡效果差、工作效率低等一系列問題也一直沒有較好的解決。

1 游梁機能耗現狀分析

游梁機采油作業過程中，電動機帶動三角皮帶轉動，三角皮帶帶動游梁機減速箱轉動，減速箱的輸出動力經過四連桿結構，轉變成驢頭的上下曲線往復運動，然后通過驢頭轉換成抽油桿的直線上下往復運動，抽油桿的每一次上下往復運動為一個沖程，每個沖程即為一個工作周期。

每個工作周期內，在抽油桿上升采油的過程中，為了保證油井有足夠的采油壓力和克服抽油桿的自重，游梁機需要對抽油桿提供很大的動力，因此電動機需要在很高的負載條件下運行；而在抽油桿的下降過程中，油井內的負壓以及抽油桿的自重可以帶著抽油桿自行向下降落，電動機的輸出功率非常小，甚至電動機運行在發電狀態。

由此可知，游梁機的電動機長期在一種負載極不均衡的狀態下周期運行，而為了滿足抽油桿上升過程中對轉矩的要求，游梁機選用的電動機相對而言，都會選擇功率等級比游梁機功率大的型號，但在抽油桿下降過程中，這時大功率的電動機不需要在較高的負載點運行，所以就形成了“大馬拉小車”的局面；常用的三相異步電動機在輕載甚至空載狀態下，運行效率很低，因而造成了大量的能源浪費[1]。

2 開關磁阻調速系統工作原理

開關磁阻調速系統（S witchedR eluctance D rive，簡稱S R D）是目前最新的無極調速系統，由開關磁阻電動機（S witchedR eluctanceM otor，簡稱S R M ）、控制電路、功率電路及位置傳感器四部分組成，兼具直流、交流兩類調速系統的優點。

S R D 采用的是“磁阻最小原理”。磁阻最小原理是指磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵芯在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線于磁場的軸線相重合。當鐵芯的主軸線與磁場的軸線不重合時，鐵芯與磁場之間會產生一個磁拉力，使鐵芯沿著軸線重合的方向移動。

以12/8極S R M 為例，如圖1所示，12/8極S R M定子有12個極，轉子有8個極，定轉子均為硅鋼片疊壓而成，其中定子上有繞組，轉子無繞組。定子繞組每間隔兩個極為同一相，繞組之間串行連接，共有A 、B、C 三相。以A 相繞組為例（B、C 兩相結構與A 相相同，與A 相并聯在直流電源上），當A相繞組軸線O A 與轉子磁極軸線O a均不重合時，閉合開關S1、S2，對A 相繞組通電，A 相繞組會產生一個沿O A 方向的徑向磁場，該磁場通過定子軛、定子極、氣隙、轉子極、轉子軛等路徑閉合，轉子受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力，推動轉子轉動到O A 與O a軸線重合為止，此時斷開開關S1、S2。

圖1 12/8極SRM原理示意圖（A相）

順序對各相按上述步驟通電（如A -B-C-A 或A -C-B-A），電動機就可以連續轉動，改變通電的各相順序以及通電時間，就可以改變電動機運行的轉向、轉矩和轉速。由此可知，電動機的轉向與各相通電電流方向無關，與各相通電順序有關[2]。當開關S1、S2 開通時，A 相繞組從直流電源吸收能量，當開關S1、S2 斷開時，A 相繞組中的電流則經過續流二極管D1、 D2 回饋到直流電源，因此，S R D 的系統效率高，且高效區寬。

磁阻最小原理使S R D 與傳統交直流電動機及其調速系統相比，有如下幾個特有的優點。

◇S R D 的啟動轉矩大，可達額定轉矩的150%；啟動電流小，只有額定電流的30%。

◇能夠頻繁換向，可達1000次/h。

◇調速范圍寬，高效區寬。

◇空載電流小，只有額定電流的1%左右。

◇轉子無繞組，結構簡單、可靠性高，不僅減少了繞組熱損耗，同時也節約了制造成本，簡化了制造工藝。

3 SRD應用于游梁機節能分析

目前國內的游梁機絕大部分都是采用三相異步電動機直接接入工頻電壓的方式運行。

三相異步電動機在空載運行時，轉子轉速與同步轉速非常接近，轉差率約為0，轉子回路等效電阻近似無窮大，轉子繞組中電流近似為0，此時轉子繞組功率因素沒有意義；定子繞組的電流有功分量所占的比重很小，絕大部分都是用來產生旋轉磁場的無功電流分量，因此電動機空載時的功率因數非常低，只有0.2左右。

當電動機輕載運行時，電動機轉速高于額定轉速，轉差率減小，轉子繞組電勢降低，而轉子繞組電阻分量增加，電抗分量減小，所以轉子繞組阻抗角小于額定負載，因此輕載時轉子的功率因素比額定負載時要高；但輕載時，定子繞組阻抗的電抗分量增加很大，定子繞組功率因素很低，綜合定轉子的功率因數，三相異步電動機輕載時的功率因數仍然比較低。

當電動機額定負載運行時，轉差率只有5%左右，轉子回路電阻增大，因此，轉子繞組阻抗角減小，轉子功率因素能達到0.8~0.9；而定子繞組中，定子繞組是轉子電流和勵磁電流之和，因轉子電流相電流遠遠大于勵磁電流，故定子繞組功率因素也較高，約在0.8~0.85，因此額定負載下，電動機整體的功率因素相對較高[3]。

由上可知，三相異步電動機功率因素在空載到額定負載范圍內，是隨負載的增大而增大的，只有電動機工作在額定負載點或負載相差不大的工作條件下，才能取得較高的功率因素，而游梁機的負載特性非常的不均衡，一個周期內大部分時間都是在輕載甚至空載的情況下運行，因此可以推斷系統的功率因素平均會在一個很低的范圍內。電動機繞組中無功電流增加，使電動機繞組發熱量增加，增大電能損耗，降低了系統的工作效率，且繞組發熱也會影響電動機的使用壽命。

三相異步電動機直接接入工頻電壓運行后，電動機的轉速就只和電壓的頻率有關，無法改變，因此只能通過遠程開關對電動機進行最基本的啟?？刂?，無法通過遠程控制器實現自適應調整，例如若需要更改游梁機的沖程，只能通過更換電動機皮帶輪的大小來調節，工作難度和強度都很大，停機時間長，非常不適用于油田現場的現代化遠程控制。

S R D 是最新的無極調速系統，可以根據負載情況及轉速的不同分別采用角度位置控制（A PC 控制）、電流斬波控制（CCC 控制）及電壓斬波控制（PW M 控制）等不同的控制策略，通過改變電流的幅值、開通角、關斷角，改變電壓的幅值及相位等降低電動機定子繞組的無功分量，提高電動機運行的功率因素和工作效率，另外S R M 的轉子無繞組，消除了轉子繞組引起的發熱，減小了的電動機的無功消耗，同時降低了電動機的運行溫度。

圖2為22kW 、額定轉速750r的S R D 的效率特性M A P 圖。由圖2可以看出，在45%以上的負載、500r以上的轉速范圍內，S R D 的輸出效率始終可達85%以上。

圖2 SRD效率特性MAP圖

S R D 控制器有著豐富的外圍信號接入端，結合遠程監控模塊可以方便的實現數字化。通過工圖采集和分析可以實時調整S R D 的運行轉速，使得油井始終工作在高效區，實現抽油機整體運行的節能。通過遠程監控模塊可以非常簡便的實現遠程啟停、遠程換向、遠程調速等基本功能；還可以實時遠程傳輸電動機及控制器的各種運行參數及警告故障信息，方便實現遠程監控。因此S R D 用于游梁機可以非常簡單的實現抽油設備的遠程控制。

為驗證S R D 相比于與三相異步電動機的節能效果，在東營勝利油田某油井上進行了現場對比試驗。油井原采用的是額定功率22kW 三相異步電動機，額定電壓660V，額定轉速600r/min，采用工頻電源直接接入電動機的運行方式；對比試驗采用的S R M 為額定功率22kW ，額定電壓660V，額定轉速750r/min。對比數據見表1。

由表1試驗對比數據可以看出，S R M 相比于三相異步電動機在各電氣測試項目中均有優勢：有功功率每小時節電1.02kW ，節電率為15.27%；無功功率每小時節電高達20.32 kvar，節電率高達81.78%，無功經濟當量按0.03kW /kvar計算，可得綜合節電率達21.96%；功率因素也由較低的0.259提高到了0.780，達到了預期的試驗目標。因此將S R M 代替傳統的三相異步電動機應用于游梁機，不僅節省了大量的電能，同時大幅度的減少了電動機運行的無功電流，增加了電網輸出的有功功率，提高了油田電網的利用率，減少了線路能量損耗，電網設備的容量在額定范圍內得到更加充分的利用，節約了巨大的電網建設和運行維護的成本。

表1 三相異步電動機與SRM運行數據對比

4 結論

通過以上的論述，可以得出，相比于三相異步電動機，S R D 應用于游梁機有以下幾個方面的優勢：

1）SRD有著很寬的高效區，更適合應對游梁機難以克服的負載不均衡的缺點，可取得很好的節能效果。

2）SRD工作過程中，無功電流較小，可以節約油田電網大量的建設和維護成本。

3）SRD有著很寬的調試范圍，可以在不停機的工作條件下對游梁機進行沖程調節，沖程調節范圍很寬，且可以調節在沖程范圍內的任意點上。

4）SRM轉子無繞組，有著更高的可靠性，更易于維護，同時無轉子繞組發熱。

以實測的22kWSRD為例，一臺游梁機每年大約可以節約電能約14 000kW ，按目前工業用電電價標準，每年僅電費就可節約1.5 萬元人民幣左右；如若改造大型游梁機，應會取得更大的節能效果。因此，將S R D 應用在游梁機中，具有廣闊的市場前景和巨大的經濟效益。

[1]張傻薩,楊波,張磊,等.雙繞組串聯感應電動機在游梁抽油機中的應用[J].微電動機,2009,42(4):81-83.

[2]吳建華.開關磁阻電動機設計與應用[M].北京:機械工業出版社,2000:1-7.

[3]顧繩谷,姚守猷.電動機及拖動基礎上冊[M].第4版.北京:機械工業出版社,2007:141-143.