無刷自控電機在抽油機上的應(yīng)用

摘要： 本文以一個實際的抽油機作為參照物，通過計算機仿真出抽油機曲柄在一個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線、鼠籠電機和無刷自控電機速度、轉(zhuǎn)矩和電流曲線后，指出小容量無刷自控電機代替大容量鼠籠電機的優(yōu)越性，供抽油機選配電機和降本增效參考。 關(guān)鍵詞： 平衡率 負(fù)載率 鼠籠電機 繞線電機 無刷自控電機 一、前言 在電力拖動力系統(tǒng)中存在著兩個轉(zhuǎn)矩，一個是電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，另一個是生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從電動機和生產(chǎn)機械本身來說，其轉(zhuǎn)矩與速度和時間之間存在著一定的關(guān)系，這個關(guān)系分別叫做電動機的機械特性和生產(chǎn)機械的負(fù)載特性。由于電動機與生產(chǎn)機械是緊密相聯(lián)的，它們的特性只有適當(dāng)配合，才能得到理想的工作狀態(tài)。因此，了解生產(chǎn)機械和電動機的相關(guān)特性，是保證機械設(shè)備安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運行的關(guān)鍵所在。 游梁式抽油機是石油開采的主要采油設(shè)備，它的用電量占整個油田總用電量的60%以上。但由于到目前為止，還沒有找到一種能與抽油機實現(xiàn)合理地配合的電動機，它造成抽油機電機的平均負(fù)載率不足電機額定功率的30%，與它配套的變壓器的負(fù)載率不足10%，電動機的實際效率小于0.8(電動機額定負(fù)荷時的效率為0.87—0.90)。它不斷造成抽油機電力拖動系統(tǒng)投資較大，浪費了大量的電網(wǎng)容量，同時，也造成大量的能源浪費。 如何提高抽油機電機的轉(zhuǎn)矩，降低電機容量，是抽油機電機節(jié)約電能、降本增效的關(guān)鍵。為了合理地選配抽油機電機，必須了解抽油機和電動機的負(fù)載特性。 二、抽油機的負(fù)載特性 抽油機是通過抽油機光桿（泵）上下運動，將原油從數(shù)百至數(shù)千米的地下抽出。為抓住主要矛盾，便于計算機仿真，我們將抽油機簡化成圖1的物理模型。 從圖2可以看出，抽油機的轉(zhuǎn)矩是一個隨著曲柄角度而周期性變化的，它與風(fēng)機水泵等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載有很大的不同。電機額定轉(zhuǎn)矩與平均轉(zhuǎn)矩之比為0.48 (抽油機消耗功率為：0.48*37=17.76KW，實際使用的抽油機,由于受到原油液面、選型余量和最大阻力轉(zhuǎn)矩等影響，負(fù)載率只有0.3即功率為10.1KW左右),最大轉(zhuǎn)矩與平均轉(zhuǎn)矩之比，隨平衡系數(shù)不同，分別為1.73(100%平衡)、2.76(33%平衡)和4.8(未平衡)；最大轉(zhuǎn)矩為300N.m、474 N.m、828 N.m。 抽油機啟動時，抽油桿一般處于最低位置，所需啟動轉(zhuǎn)矩只需克服靜磨擦力及原油的表面張力的影響，因此，所需轉(zhuǎn)矩相對較小。抽油機啟動后，抽油桿開始上升，很快（約2.5S）就碰到了第一個最大阻力轉(zhuǎn)矩。因此，它一方面要求電動機具有較大的靜啟轉(zhuǎn)矩，克服靜磨擦力；另一方面，要求電機具有較大的平均啟動轉(zhuǎn)矩，以便使電機在第一個最大阻力轉(zhuǎn)矩到來之前，超過電機臨界（最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速），使電機進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。 三、鼠籠異步電動機和無刷自控電機的機械特性 普通鼠籠異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高(0.90)和價格低等優(yōu)點。應(yīng)用在抽油機上，最大的缺點是啟動轉(zhuǎn)矩小(小于額定轉(zhuǎn)矩的1.6倍)，啟動電流大(約為額定轉(zhuǎn)矩的7倍)。 無刷自控電機(專利號：ZL01277402.2)就是具有高啟動轉(zhuǎn)矩、小啟動電流的異步電動機(能以最大轉(zhuǎn)矩啟動電機)。它可以由繞線式異步電動機去掉滑環(huán)、碳刷和復(fù)雜的啟動裝置后，加裝無刷自控電機啟動器獲得。它的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。 線如圖5所示。 從圖4可以看出，22KW的無刷自控電機與37KW的鼠籠異步電動機相比，啟動平均轉(zhuǎn)矩由218.8N.m，提升到558.2N.m；啟動時的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩由80N.m，提升到600N.m。從圖5還可以看出，22KW的無刷自控電機與37KW的鼠籠異步電動機相比，啟動平均電流從408.7A降到188.9A；啟動最大電流也由450A下降到250A。 四、尾記 CYJ10-3-53HB抽油機在最大負(fù)載情況下，平均負(fù)載功率只有17KW（實際功率一般不超過12KW），如采用37KW鼠籠電動機，電機的負(fù)載率只有48%，采用22KW無刷自控電動機后，電機負(fù)載率仍不足80%。無刷自控電機與鼠籠電機相比，啟動平均轉(zhuǎn)矩增加了一倍以上，它保證了電機在第一個最大阻力轉(zhuǎn)矩到來之前，更加接近額定轉(zhuǎn)速，提高了抽油機一次啟動成功率。 無刷自控電機的啟動裝置是采用免維護(hù)設(shè)計(避免了電子節(jié)能控制裝置成本高,故障率高等缺點)，它本身不會增加電機的運行、維護(hù)工作量。同時，由于無刷自控電機啟動轉(zhuǎn)矩增大，啟動電流減少，避免了電機因堵轉(zhuǎn)、斷相和重復(fù)啟動而燒毀電機線圈的現(xiàn)象，提高了電機運行的可靠性，減少了電機的故障率。 22KW的無刷自控電機代替37KW的鼠籠異步電動機，電機容量減少1/3以上，啟動電流減少1/2以上，與它配套的變壓器容量也可減少1/3左右。因此，它不但減少了電機的空載損耗，同時也減少了變壓器的空載損耗，提高了供電線路的功率因素。 綜上所述，無刷自控電機與抽油機的機械特性實現(xiàn)了合理的配合，使它成為抽油機的一種經(jīng)濟(jì)的、節(jié)能的配套電機。 參考資料 《電力拖動與自動控制》 張永豐主編，機械工業(yè)出版社出版，1979年9月