无刷自控电机在抽油机上的应用

摘要： 本文以一个实际的抽油机作为参照物，通过计算机仿真出抽油机曲柄在一个周期内的转矩-转角曲线、鼠笼电机和无刷自控电机速度、转矩和电流曲线后，指出小容量无刷自控电机代替大容量鼠笼电机的优越性，供抽油机选配电机和降本增效参考。 关键词： 平衡率 负载率 鼠笼电机 绕线电机 无刷自控电机 一、前言 在电力拖动力系统中存在着两个转矩，一个是电动机的电磁转矩，另一个是生产机械的负载转矩。从电动机和生产机械本身来说，其转矩与速度和时间之间存在着一定的关系，这个关系分别叫做电动机的机械特性和生产机械的负载特性。由于电动机与生产机械是紧密相联的，它们的特性只有适当配合，才能得到理想的工作状态。因此，了解生产机械和电动机的相关特性，是保证机械设备安全、可靠和经济运行的关键所在。 游梁式抽油机是石油开采的主要采油设备，它的用电量占整个油田总用电量的60%以上。但由于到目前为止，还没有找到一种能与抽油机实现合理地配合的电动机，它造成抽油机电机的平均负载率不足电机额定功率的30%，与它配套的变压器的负载率不足10%，电动机的实际效率小于0.8(电动机额定负荷时的效率为0.87—0.90)。它不断造成抽油机电力拖动系统投资较大，浪费了大量的电网容量，同时，也造成大量的能源浪费。 如何提高抽油机电机的转矩，降低电机容量，是抽油机电机节约电能、降本增效的关键。为了合理地选配抽油机电机，必须了解抽油机和电动机的负载特性。 二、抽油机的负载特性 抽油机是通过抽油机光杆（泵）上下运动，将原油从数百至数千米的地下抽出。为抓住主要矛盾，便于计算机仿真，我们将抽油机简化成图1的物理模型。 从图2可以看出，抽油机的转矩是一个随着曲柄角度而周期性变化的，它与风机水泵等恒转矩负载有很大的不同。电机额定转矩与平均转矩之比为0.48 (抽油机消耗功率为：0.48*37=17.76KW，实际使用的抽油机,由于受到原油液面、选型余量和最大阻力转矩等影响，负载率只有0.3即功率为10.1KW左右),最大转矩与平均转矩之比，随平衡系数不同，分别为1.73(100%平衡)、2.76(33%平衡)和4.8(未平衡)；最大转矩为300N.m、474 N.m、828 N.m。 抽油机启动时，抽油杆一般处于最低位置，所需启动转矩只需克服静磨擦力及原油的表面张力的影响，因此，所需转矩相对较小。抽油机启动后，抽油杆开始上升，很快（约2.5S）就碰到了第一个最大阻力转矩。因此，它一方面要求电动机具有较大的静启转矩，克服静磨擦力；另一方面，要求电机具有较大的平均启动转矩，以便使电机在第一个最大阻力转矩到来之前，超过电机临界（最大转矩转速），使电机进入稳定工作状态。 三、鼠笼异步电动机和无刷自控电机的机械特性 普通鼠笼异步电动机具有结构简单、效率高(0.90)和价格低等优点。应用在抽油机上，最大的缺点是启动转矩小(小于额定转矩的1.6倍)，启动电流大(约为额定转矩的7倍)。 无刷自控电机(专利号：ZL01277402.2)就是具有高启动转矩、小启动电流的异步电动机(能以最大转矩启动电机)。它可以由绕线式异步电动机去掉滑环、碳刷和复杂的启动装置后，加装无刷自控电机启动器获得。它的典型结构如图3所示。 线如图5所示。 从图4可以看出，22KW的无刷自控电机与37KW的鼠笼异步电动机相比，启动平均转矩由218.8N.m，提升到558.2N.m；启动时的堵转转矩由80N.m，提升到600N.m。从图5还可以看出，22KW的无刷自控电机与37KW的鼠笼异步电动机相比，启动平均电流从408.7A降到188.9A；启动最大电流也由450A下降到250A。 四、尾记 CYJ10-3-53HB抽油机在最大负载情况下，平均负载功率只有17KW（实际功率一般不超过12KW），如采用37KW鼠笼电动机，电机的负载率只有48%，采用22KW无刷自控电动机后，电机负载率仍不足80%。无刷自控电机与鼠笼电机相比，启动平均转矩增加了一倍以上，它保证了电机在第一个最大阻力转矩到来之前，更加接近额定转速，提高了抽油机一次启动成功率。 无刷自控电机的启动装置是采用免维护设计(避免了电子节能控制装置成本高,故障率高等缺点)，它本身不会增加电机的运行、维护工作量。同时，由于无刷自控电机启动转矩增大，启动电流减少，避免了电机因堵转、断相和重复启动而烧毁电机线圈的现象，提高了电机运行的可靠性，减少了电机的故障率。 22KW的无刷自控电机代替37KW的鼠笼异步电动机，电机容量减少1/3以上，启动电流减少1/2以上，与它配套的变压器容量也可减少1/3左右。因此，它不但减少了电机的空载损耗，同时也减少了变压器的空载损耗，提高了供电线路的功率因素。 综上所述，无刷自控电机与抽油机的机械特性实现了合理的配合，使它成为抽油机的一种经济的、节能的配套电机。 参考资料 《电力拖动与自动控制》 张永丰主编，机械工业出版社出版，1979年9月