基于電功率的抽油機示功圖測試系統(tǒng)研究

譚 雷，謝 強，王廣明

（渤海裝備（天津）新世紀機械制造有限公司抽油機制造廠，天津 300280）

1 抽油機地面系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 整體分析和簡化

地面的抽油機系統(tǒng)組成中包含電機、控制設(shè)備以及傳動機構(gòu)等部分。電機通過轉(zhuǎn)化電能，驅(qū)動抽油桿的機械部分運動，能夠?qū)崿F(xiàn)由旋轉(zhuǎn)運動向上下往復(fù)運行的轉(zhuǎn)變。通過變頻器對電機的控制，使抽油機實現(xiàn)自動控制。由于曲柄軸在電機與抽油機中不處于同一軸上，因此需要在兩者之間做好對相關(guān)傳動機構(gòu)的設(shè)置，例如皮帶、減速器等，其能夠?qū)Ω咚龠\轉(zhuǎn)的電機進行變速，然后向抽油機曲柄軸進行傳送。

由于功率傳遞和運動轉(zhuǎn)換不斷地在地面抽油機系統(tǒng)中進行著，因此，功率不斷地在傳遞和轉(zhuǎn)換階段出現(xiàn)損失，導(dǎo)致系統(tǒng)從整體上對功率的流失[1]。通過變頻器對電機的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)速的輸入，使懸點運動在抽油機中得到控制。

以傳動機構(gòu)和抽油機為基礎(chǔ)，通過對其運動、扭矩以及功率等因素的分析，能夠使抽油機系統(tǒng)得到簡化，電力拖動系統(tǒng)采用單軸即可，最后在電機中通過輸入相關(guān)參數(shù)，就能夠得知其懸點運動和載荷值。

1.2 運動精度所受到的轉(zhuǎn)速波動的影響分析

根據(jù)相關(guān)參數(shù)和示功圖能夠得知，抽油機地面運動在懸點有位移s、速度v、加速度a 等。其中s、TF、δ 分別為懸點位移、扭矩因數(shù)和游梁與水平線之間的夾角，相關(guān)因素僅運動時抽油機的位置，即曲柄轉(zhuǎn)角θ，其與抽油機的關(guān)系，可以用式（1）表示：

如果抽油機能夠保持結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，并且曲柄孔號能夠保持不變，有式（2）：

1.3 抽油機示功圖對電功率的測試原理

如果懸點載荷不需要考慮的話，曲柄軸受到抽油機自身結(jié)構(gòu)重量的作用會產(chǎn)生T0的扭矩為式（3）：

式中：T0代表總扭矩；Ty代表平衡狀態(tài)下的游梁扭矩；Tr代表平衡狀態(tài)下的曲柄扭矩；TB不平衡扭矩是重平衡的。

由于懸點處的曲柄軸存在自重，因此會有扭矩的產(chǎn)生，即Twm純光桿載荷扭矩，如式（4）：

由于存在不同的扭矩方向，因此曲柄軸上的所有扭矩Tn，也就是式（5）所示的曲柄軸凈扭矩。

在不需要考慮曲柄平衡慣性時的扭矩為式6 所示。

根據(jù)瞬間傳動效率通過對四連桿機構(gòu)的考慮，輸出軸所提供的減速器扭矩為式（7）。

式中：曲柄和平衡塊在抽油機兩側(cè)的總重為Qe1Qe2；整個曲柄和平衡塊在抽油機兩側(cè)的中心距離曲柄軸Re1Re2長；相位角為τ 時，抽油機處于平衡狀態(tài)，機構(gòu)四連桿的效率和效率指數(shù)分別為ηb和m。

由于電機及傳動系統(tǒng)會受到轉(zhuǎn)速波動和相關(guān)效率的影響，因此，通過式（8）能夠得知減速器輸出多少扭矩，如何計算電機輸入功率：

式中：變頻器的輸入功率為P1；電機、皮帶、減速箱瞬時效率分別為η1、η2、η3；效率指數(shù)為m；當Tn>0 時，m=1；當Tn<0 時，m=-1；電機瞬時轉(zhuǎn)速為n電機；皮帶總傳動比和減速器總傳動比為i總。

懸點載荷與電機輸入功率的關(guān)系如式（9）、式（10）所示。

式中：系數(shù)為K1，當Tm>0 時，K1=1，當Tm<0 時，K1=-1，電機的電磁扭矩Tm；系數(shù)為K2，當時，K2=1，當時，K2=-1。

當曲柄與抽油機處于平衡狀態(tài)時，平衡狀態(tài)下的游梁重為0，懸點載荷可以按照式（11）、式（12）計算。

如果電機輸入功率相比一定值更小時，所有電機、皮帶以及減速器會隨著不斷增大的電機輸入功率而出現(xiàn)增大的效率，那根據(jù)總傳動效率和輸入功率，電機皮帶減速箱和電機之間的函數(shù)為式（13）。

其中，在空載狀態(tài)下通過對電機功率的測試能夠獲得η總。

數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后就可以實時對電機轉(zhuǎn)速進行測試，也可以對電機轉(zhuǎn)速進行實時的計算，在轉(zhuǎn)動比固定的情況下，曲柄轉(zhuǎn)角與電機在皮帶減速器中每轉(zhuǎn)一周的對應(yīng)角度為曲柄轉(zhuǎn)角為式（14）。

式中：從下死點開始抽油機內(nèi)的電機總共的轉(zhuǎn)速為m；皮帶與減速器兩者的總傳動比為i總。

所以，再結(jié)合輸入功率和測試所得的電機轉(zhuǎn)速后，能夠求出懸點位置的載荷和位移，因此通過示功圖能夠在無傳感器的情況下，間接地進行測試。

2 設(shè)計測試系統(tǒng)

2.1 選擇測試方案

通過對傳動系統(tǒng)的求解和所仿真示功圖的驗證得知其效率和準確性，需要根據(jù)示功圖對抽油機進行實測。對有功狀態(tài)下的電機功率、電機轉(zhuǎn)速以及上死點和下死點等參數(shù)進行測試，根據(jù)運動通過對抽油機以及經(jīng)過處理和試驗后的數(shù)據(jù)的分析能夠得知其他參數(shù)。

測試電參數(shù)時需要將電流及電量變送器安裝于電控箱中。重要的是對死點的獲取，如果無法準確的獲取死點，就會導(dǎo)致電機功率和轉(zhuǎn)速周期出現(xiàn)錯誤，進而導(dǎo)致示功圖無法保持原有的仿真精度。因此，設(shè)計以下方案來進行測試。

通過儀器對電參數(shù)的測試，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機輸入功率的測試，通過對接近開關(guān)的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速以及死點位置的測試。將磁鋼貼在電機輸出軸的兩端，然后通過接近開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對電機轉(zhuǎn)向以及電機轉(zhuǎn)速的測試。將磁鋼貼在曲柄軸的恰當位置，通過接近開關(guān)，測試抽油機的死點位置。需要對接近開關(guān)進行良好的固定，并且，感應(yīng)面需要正對著磁鋼旋轉(zhuǎn)軌跡。

2.2 測試系統(tǒng)硬件

測試系統(tǒng)包括1 個用于采集電能參數(shù)的模塊，3 個電流互感器、2 支接近開關(guān)、1 臺負責采集動態(tài)數(shù)據(jù)的儀器、1 臺筆記本電腦等。

測試系統(tǒng)具有如下特點：①相關(guān)模塊具有電參數(shù)采集功能，采用DC 15 V 電源的霍爾線傳感器，充電電池需要進行手動操作；②在測試四相線的電能時，每秒測試20 組速度數(shù)據(jù)；③可以同時實現(xiàn)對示功圖的測試；④需要頻繁的采集轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，最高能夠達到10 000 Hz 的頻率，采用多通道的方式采集數(shù)據(jù)，可以同時對多個軸的轉(zhuǎn)速進行測試，如果大量磁鋼貼到軸上后，通過對轉(zhuǎn)軸的測試，能夠得知其瞬時角速度；⑤筆記本電腦通過網(wǎng)線能夠獲取到所采集的數(shù)據(jù)，電腦在連接串口線后能夠讀取功圖數(shù)據(jù)，只有采集完所有功圖數(shù)據(jù)后才能在電腦中進行導(dǎo)入。

3 抽油機總傳動效率求解

3.1 結(jié)構(gòu)重不平衡狀態(tài)下抽油機的扭矩分析

通過相關(guān)算法，在不平衡結(jié)構(gòu)重的情況下，通過分析扭矩可以了解到，在任何部件載重不清楚的情況下，需要測試閥門空載，或無法獲得平衡數(shù)據(jù)時，那么對點擊瞬時轉(zhuǎn)數(shù)的結(jié)合，能夠?qū)ηS的不同扭矩進行詳細的分析，并且能夠反推出電機軸具有的扭矩。由于扭矩存在慣性，所以在計算曲柄軸和電機軸后發(fā)現(xiàn)，扭矩存在的慣性非常小，不存在任何影響。

3.2 研究空載測試的總傳動效率

經(jīng)過空載測試得知：①變頻器輸入端能夠?qū)㈦姽β蕚鬟f到曲柄軸中，變頻器所損耗的功率關(guān)系著其輸入功率，兩者之間為正相關(guān)關(guān)系；②在變頻器頻率沒有發(fā)生改變的情況下，變頻器輸入端能夠?qū)⒐β蕚鬟f給電機軸，在這一過程中的變頻器傳遞效率與其輸入功率呈正相關(guān)；③如果存在著不同的頻率，在變頻器不變的情況下，也會產(chǎn)生不同的輸入功率和傳動效率，功率值在特定范圍內(nèi)不會發(fā)生變化，降低頻率，增大扭矩，傳動系統(tǒng)在此時的效率更高。如果超過特定高功率，在功率相同的時候，頻率越大扭矩越小，相反則會加大傳動效率；通過對測試所得的瞬時效率取消的擬合能夠得知η總=f（P1）為效率曲線函數(shù)；⑤通過擬合獲取到的η總=f（P1）可以用來對懸點示功圖進行計算。

4 誤差分析

（1）誤差參數(shù)的輸入。應(yīng)對措施：根據(jù)說明書上所表明的尺寸結(jié)構(gòu)、平衡重、曲柄重心以及重量等抽油機數(shù)據(jù)，對抽油機進行相應(yīng)的設(shè)置。如果沒有說明書，可以對曲柄和平衡重進行尺寸的測試，并在此基礎(chǔ)上進行三維建模，以此來根據(jù)重量和中心對平衡重進行計算。如果在不平衡重的情況下，通過空載測試也能夠得知。

（2）測試原始數(shù)據(jù)存在的誤差。主要出現(xiàn)于測試儀器以及沖次。應(yīng)對措施：需要采用具有更高精度的儀器對電參數(shù)進行測試，例如分析電能質(zhì)量的儀器以及測試電功率的儀器，對出現(xiàn)地點的位置進行判斷，能夠使一周期的數(shù)據(jù)定位更加精確。

（3）標定效率的誤差。應(yīng)對措施：通過扭矩對示功圖的計算，會導(dǎo)致示功圖在上點、下點附近更加無法閉合，也就是懸點載荷在上死點和下死點附近時，異常值的出現(xiàn)較為常見。在軟件中通過對相關(guān)模塊的設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)對平衡度的監(jiān)控，如果平衡度過低，就會發(fā)出警告提示平衡度過低，此時管理員需要對平衡度進行調(diào)節(jié)。在對電機轉(zhuǎn)速進行輔助測試后，通過對負功率段的計算能夠得知電磁扭矩。

5 結(jié)束語

以傳動機構(gòu)和抽油機為基礎(chǔ)，通過對其運動、扭矩以及功率等因素的分析，能夠使地面抽油機系統(tǒng)從整體上得到簡化，轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S電力拖動系統(tǒng)，最終通過對電機參數(shù)的輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)對懸點運動和相關(guān)載荷的描述。通過對實測參數(shù)以及總傳動效率曲線的結(jié)合，對多組示功圖進行計算，并根據(jù)示功圖對計算結(jié)果和實測結(jié)果進行對比，對示功圖計算所受到的影響因素進行分析。