抽油機(jī)拖動用開關(guān)磁阻電動機(jī)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(fā)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(jī)拖動用開關(guān)磁阻電動機(jī)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(fā)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(jī)用開關(guān)磁阻電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)試驗分析，評價其對油井工況的適應(yīng)性。通過測試在不同負(fù)載、不周轉(zhuǎn)速情況下電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)效率，得到電機(jī)的特性曲線。測試結(jié)果表明：開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起動特性，在0.2倍額定電流情況下輸出轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍；良好的調(diào)速性能使得電動機(jī)可以在0.2倍額定轉(zhuǎn)速下正常工作，同時過載能力達(dá)到2.2，且保持50%以上的效率；在5%負(fù)載情況下開關(guān)磁阻電動機(jī)效率達(dá)到75%，而同規(guī)格異步機(jī)僅為30%。該開關(guān)磁阻電動機(jī)對抽油機(jī)“重載起動、低負(fù)運(yùn)行”工況具有較好的適應(yīng)性。

開關(guān)磁阻電動機(jī)；負(fù)載；特性曲線；轉(zhuǎn)矩；效率

國內(nèi)油田游梁式抽油機(jī)主要使用三相異步電動機(jī)，部分油田試驗了永磁、高轉(zhuǎn)差率等類型電動機(jī)，以提高電動機(jī)對抽油機(jī)井工況的適應(yīng)性，提高系統(tǒng)效率；但是效果都不十分明顯。開關(guān)磁阻電動機(jī)（Switehed Reluetanee Motor Motor，簡稱SRM）及驅(qū)動系統(tǒng)（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(shù)的發(fā)展，其起動與調(diào)速性能越來越優(yōu)良。在煤礦、紡織、機(jī)械加工、電動汽車等行業(yè)應(yīng)用的也越來越廣泛。在石油系統(tǒng)內(nèi)也有過相關(guān)的應(yīng)用試驗，但是對其基本特性還需要進(jìn)行評價，分析其對抽油機(jī)工況的適應(yīng)性［1-6］。

1 開關(guān)磁阻電動機(jī)基本原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)原理

開關(guān)磁阻電動機(jī)是開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行元件。與傳統(tǒng)電動機(jī)原理不同的是其運(yùn)動遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的“磁導(dǎo)最大原理”，產(chǎn)生磁拉力形成磁阻性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩?？刂葡到y(tǒng)及運(yùn)轉(zhuǎn)原理如圖1所示。開關(guān)磁阻電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子一般采用凸極結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且定、轉(zhuǎn)子齒極數(shù)不相等。定子裝有簡單的繞阻，徑向相對的2個繞阻串聯(lián)成一相，轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子角位置信息，控制開關(guān)器的開與合，定子不同磁極產(chǎn)生相應(yīng)的磁轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)［7］。

圖1 開關(guān)磁阻電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)與原理

1.2 基本特點(diǎn)

從結(jié)構(gòu)與原理上看，開關(guān)磁阻電動機(jī)是一種高速大步距的反應(yīng)式電動機(jī)。轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)方向與電源換向直接相關(guān)，屬于轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)控制。開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有4個特點(diǎn)：①具有開通角、關(guān)斷角、相電流幅值、直流電壓幅值4個可控參數(shù)，調(diào)速性能好；②結(jié)構(gòu)簡單、可靠，適宜在惡劣下運(yùn)行；③在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具有高效率輸出；④轉(zhuǎn)矩脈動較大［8］。

2 室內(nèi)試驗測試

利用開關(guān)磁阻電動機(jī)良好的起動特性與調(diào)速性能，替代三相異步機(jī)作為游梁抽油機(jī)的拖動機(jī)構(gòu)，能夠解決在低負(fù)載情況下電動機(jī)運(yùn)行效率低的問題。開展磁阻電動機(jī)特性室內(nèi)測試，分析其基本特性，評價其重載起動可靠性與低負(fù)載效率狀況；與異步機(jī)對比分析，評價其整體運(yùn)行優(yōu)勢。目前，長慶油田在用抽油機(jī)配套的電動機(jī)功率主要為7.5、11.0、15.0、18.5、21.0 k W，選擇15 k W開關(guān)磁阻電動機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。試驗采用開關(guān)磁阻電動機(jī)拖動三相異步機(jī)方式進(jìn)行，二者中間連接轉(zhuǎn)矩測試儀。通過增大2臺電動機(jī)間的速度差實現(xiàn)磁阻電動機(jī)負(fù)載的變化，異步機(jī)采用變頻調(diào)速，磁阻電動機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)速為0～1.8倍額定轉(zhuǎn)速。

表1 15 k W開關(guān)磁阻電動機(jī)性能參數(shù)

2.1 電動機(jī)機(jī)械特性測試

在不同轉(zhuǎn)速情況下測試電動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，無因次轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系如圖2所示。測試結(jié)果顯示，開關(guān)磁阻電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速750 r／min以內(nèi)，其最大輸出轉(zhuǎn)矩均能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍以上。起動時，電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到2.5倍額定轉(zhuǎn)矩。并且此時電流是額定電流的0.2倍。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后，電動機(jī)能夠達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)恒功率運(yùn)行。轉(zhuǎn)速超過1.4倍額定轉(zhuǎn)速時，電動機(jī)能夠達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩下降幅度加大。從試驗結(jié)果分析得，到電動機(jī)的第1、第2臨界轉(zhuǎn)速分別為額定轉(zhuǎn)速、1.4倍額定轉(zhuǎn)速。

圖2 開關(guān)磁阻電動機(jī)機(jī)械性能測試

2.2 負(fù)載運(yùn)行效率測試

在不同負(fù)載情況下，測試電動機(jī)各轉(zhuǎn)速時的效率，分析電動機(jī)使用特性。磁阻電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，負(fù)載與效率關(guān)系如圖3所示。開關(guān)磁阻電動機(jī)負(fù)載率5%、10%時效率分別為75%、85%，而異步機(jī)僅為20%、40%。測試結(jié)果顯示開關(guān)磁阻電動機(jī)具有良好的運(yùn)行特性，在不同負(fù)載情況下，能夠保持較好的運(yùn)行效率。

圖3 開關(guān)磁阻電動機(jī)運(yùn)行特性

測試不同轉(zhuǎn)速與負(fù)載情況下電動機(jī)的效率，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速為0.2倍額定轉(zhuǎn)速時，在不同負(fù)載情況下其效率在50～70%；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到0.4倍額定轉(zhuǎn)速以上時其效率均在70%以上。

圖4 不同轉(zhuǎn)速與負(fù)載情況下電動機(jī)的效率曲線

2.3 與變頻調(diào)速對比分析

在相同轉(zhuǎn)速與負(fù)載情況下對開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行空載損耗、起動電流、運(yùn)行效率方面對比分析，結(jié)果如圖5及表2所示。磁阻電動機(jī)較變頻系統(tǒng)空載損耗低近40%。在高負(fù)載時開關(guān)磁阻電動機(jī)運(yùn)行效率與變頻系統(tǒng)相當(dāng)，在低負(fù)載時，開關(guān)磁阻電動機(jī)運(yùn)行效率比變頻系統(tǒng)高近2倍。%

圖5 開關(guān)磁阻電動機(jī)與變頻調(diào)速系統(tǒng)空載損耗對比

表2 不同轉(zhuǎn)速與負(fù)載情況下的運(yùn)行效率

2.4 開關(guān)磁阻電動機(jī)機(jī)械特性與抽油機(jī)運(yùn)行對比

游梁式抽油機(jī)起動時，其需要的轉(zhuǎn)矩可能是正常運(yùn)行時的2～3倍，而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，電動機(jī)的負(fù)載率一般低于30%，這使得電動機(jī)的運(yùn)行效率較低。開關(guān)磁阻電動機(jī)具有高起動轉(zhuǎn)矩、低負(fù)載高效的特點(diǎn)，與抽油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)相適應(yīng)，能夠較好的提高運(yùn)行效率。

3 結(jié)論

1） 開關(guān)磁阻電動機(jī)具有較好的起動特性，在低電流情況下能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩。

2） 低負(fù)載及不同轉(zhuǎn)速情況下，開關(guān)磁阻電動機(jī)都具有較高的運(yùn)行效率。

3） 與變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電動機(jī)具有較低的空載損耗，同時在低負(fù)載低轉(zhuǎn)速時，具有更高的運(yùn)行效率。

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

［2］ 楊培東，王建華，許敏，等.機(jī)械采油高效拖動裝置應(yīng)用分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（11）：90-92.

［3］ 白連平，白實.抽油機(jī)電機(jī)質(zhì)量的評價方法［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（3）：20-22.

［4］ 姜民政，董康興，孫振旭，等.抽油機(jī)系統(tǒng)地面裝置效率試驗研究［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（4）：54-56.

［5］ 張軍，韓兵奇，劉宗恩，等.抽油機(jī)節(jié)能方案研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（8）：61-64.

［6］ 孫振興.開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

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

［8］ 唐任遠(yuǎn).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(fā)［2011］88）

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