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（1.渤海石油裝備承德石油機械有限公司，河北 承德 067000；2.中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300452；3.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

1 引言

我國現(xiàn)有大多數(shù)油田的特點是低滲透，低產(chǎn)油井，采用注水抽油的方式，抽油機消耗了大量的電能，占油田總電耗的比例很大。油田在用抽油機主要為游梁式抽油機，四連桿機構(gòu)傳動過程中也會產(chǎn)生一定的能耗，能量損失最高達28%，加上旋轉(zhuǎn)特性造成啟動轉(zhuǎn)矩大，大大降低了系統(tǒng)的效率。

在大力倡導節(jié)能降耗的今天，各種節(jié)能型抽油機和節(jié)能型電機的研究迅速升溫，如變頻電機、節(jié)能型控制器、塔架式抽油機及其拖動裝置等等。其中塔架式抽油機直接將電能用于直線往復運動，減少了機械傳動過程中的能量損失，所用電動機應適合重載啟動、頻繁正反轉(zhuǎn)運行。開關(guān)磁阻電機具有上述優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，可長期低速運行，功率因數(shù)高，二者相配合有效提高了系統(tǒng)效率。

2 塔架式抽油機及配用電機簡介

傳統(tǒng)游梁式抽油機系統(tǒng)效率較低，匹配高轉(zhuǎn)差率電動機，綜合節(jié)電率得到有效提高，但是仍然存在沖程沖次調(diào)節(jié)困難的問題。塔架式抽油機具有長沖程、低沖次的特點，沖程沖次調(diào)節(jié)方便，能耗低，有效降低了開采成本。

2.1 塔架式抽油機

塔架式抽油機由電機架、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、工作機構(gòu)、輔助機構(gòu)4部分組成。主要采用雙循環(huán)鏈條、由聯(lián)體減速機驅(qū)動，主懸梁分布在雙循環(huán)鏈條中間與換相機并聯(lián)，由換向機構(gòu)將各鏈條串并聯(lián)，從而實現(xiàn)換向功能。循環(huán)鏈條的循環(huán)運動經(jīng)此換向機構(gòu)變?yōu)橹鲬依K的上、下往復運動[1]。

塔架式抽油機的工作原理為：電動機通過皮帶帶動齒輪減速器，減速后帶動主動鏈輪作連續(xù)定向轉(zhuǎn)動、主動鏈輪帶動封閉鏈輪和循環(huán)軸循環(huán)運行，循環(huán)軸的上下分別連接著兩條鋼絲繩、一條通過天輪與光桿上的懸繩器相連、另一條通過地輪和小天輪與平衡箱相連[2]。循環(huán)軸上下循環(huán)運動的同時帶動抽油桿上下往返運動，從而實現(xiàn)開采作業(yè)的主要功能。

2.2 開關(guān)磁阻電機

開關(guān)磁阻電機的定轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上有集中繞組、轉(zhuǎn)子無繞組，定轉(zhuǎn)子的極對數(shù)不相等。如圖1所示為12/8極開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 12/8極開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 12/8 switched reluctance motor

開關(guān)磁阻電機遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，進一步產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。如圖1所示，當C極通電后，磁場力使相對較近的轉(zhuǎn)子極軸線與C極定子極軸線重合，則轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；接著給B相通電，轉(zhuǎn)子會以逆時針方向旋轉(zhuǎn)下去。反之，順序給A-B-C通電，則轉(zhuǎn)子將以順時針方向旋轉(zhuǎn)。可見，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與繞組的通電順序有關(guān)，而與電流的流向無關(guān)。

3 開關(guān)磁阻電機的參數(shù)設計

針對目前公司統(tǒng)計的油田使用電機容量的需求，采用磁路與場相結(jié)合的設計方法設計出額定功率為45 kW、額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的開關(guān)磁阻電機。

本文采用傳統(tǒng)的基于磁路的設計方法，根據(jù)給定的電機基本數(shù)據(jù)，設計得出電機的外形尺寸和電磁參數(shù)。用有限元法來驗證所設計的電機各參數(shù)是否合理，性能是否達到預期要求。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于磁路的方法計算得到的電機結(jié)構(gòu)參數(shù)為：定子極數(shù)12，轉(zhuǎn)子極數(shù)8，定子外徑455 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑100 mm，鐵心長220 mm，氣隙0.7 mm，定子極弧 15°，轉(zhuǎn)子極弧 17°。

在保證電機性能要求的基礎(chǔ)上，設計得到的尺寸可以使用常規(guī)電機的機座，降低生產(chǎn)成本，減少模具投入費用。

根據(jù)電機參數(shù)采用有限元法建立了定轉(zhuǎn)子模型，如圖2所示。沖片采用DW470-50的冷軋硅鋼片疊壓而成，疊壓系數(shù)為0.95。

圖2 有限元法建立的定轉(zhuǎn)子片結(jié)構(gòu)Fig.2 Stator and rotor structure with finite element method

3.2 電磁參數(shù)

圖3 功率變換電路Fig.3 Power conversion circuit

開關(guān)磁阻電機給定的電磁參數(shù)包括：額定功率為45 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，控制端輸入電壓為380 V，額定轉(zhuǎn)矩為430 N·m，額定狀態(tài)下的效率為95%。采用全壓啟動方式，功率電路如圖3所示，采用三相不對稱半橋結(jié)構(gòu)。每相繞組各對應2只功率開關(guān)管和2個續(xù)流二極管，上下2只功率開關(guān)管必須同時開通或關(guān)斷，2只續(xù)流二極管構(gòu)成能量回饋通路。該電路具有較多優(yōu)點：功率開關(guān)器件各相沒有公共管，因此各相電流也是相互獨立的，分別由各個相的電壓來控制。且在二極管續(xù)流階段由于電壓為零，可以避免開關(guān)管的反復通斷，增大電動轉(zhuǎn)矩，減少能量損耗，轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲得到有效抑制。

3.3 性能研究

在進行結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)的給定后，利用有限元法進行分析，得到的磁鏈曲線如圖4所示。

圖4 磁鏈曲線Fig.4 Curves of flux linkage

由圖4可以看出，磁鏈不僅與電流的大小有關(guān)，而且隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，磁鏈值也呈現(xiàn)出非線性的變化趨勢，因此不能采用簡單的解析法進行磁鏈求解，也體現(xiàn)出了有限元法分析的必要性。

圖5是電機轉(zhuǎn)速曲線，可以看出，電機穩(wěn)定運行后，轉(zhuǎn)速基本保持不變，運行平穩(wěn)。

圖5 轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Curve of speed

一相電流波形如圖6所示，一相電流呈周期性脈動，一相轉(zhuǎn)矩與電流的變化趨勢相同。

圖6 電流曲線Fig.6 Curve of current

圖7為電機三相合成轉(zhuǎn)矩曲線。

圖7 轉(zhuǎn)矩曲線Fig.7 Curve of torque

圖8為轉(zhuǎn)速與效率的變化關(guān)系。 當電機在1 000 r/min的額定轉(zhuǎn)速下運行時，效率達到最大，約為96%，而且高效區(qū)范圍大，也體現(xiàn)出了開關(guān)磁阻電機效率較高的優(yōu)點。

圖8 效率曲線Fig.8 Curve of efficiency

綜合上述對電機各性能參數(shù)的分析，可知基于磁路與場結(jié)合方法所設計的開關(guān)磁阻電機能夠達到設計要求，在額定負載下，電機能夠保持恒速運行，并且在額定值附近，有一段高效區(qū)，在此區(qū)段仍可保持較高的效率。電流和轉(zhuǎn)矩脈動在允許范圍內(nèi)，輸出功率較高。經(jīng)試驗驗證，電機額定狀態(tài)運行時，功率因數(shù)高達0.9以上，電機自身無功功耗較小，因此稱開關(guān)磁阻電機是一種高效節(jié)能電機。

4 系統(tǒng)節(jié)電分析

將開關(guān)磁阻樣機與油田抽油機匹配運行，運行效果良好。經(jīng)現(xiàn)場節(jié)能測試分析，與其他類型電動機對比后，仍可得到開關(guān)磁阻電機具有較高的效率，節(jié)能效果較好。

4.1 油田現(xiàn)場節(jié)電效果

4.1.1 與油田在用電機的節(jié)電效果對比

表1是開關(guān)磁阻電機與油田在用電機的各項參數(shù)對比。為了達到相同的啟動性能并保證電機安全運行，油田在用電機要比開關(guān)磁阻電機選大一個功率等級。

表1 油田在用電機與開關(guān)磁阻電機的對比Tab.1 Comparison of oilfield used motor and switched reluctance motor

從對比數(shù)據(jù)中可以看出，開關(guān)磁阻電機節(jié)能效果較為明顯，有功節(jié)電率為10.784%，無功節(jié)電率為38.432%，綜合節(jié)電率達12.67%，并且電機功率因數(shù)提高了30%。

4.1.2 與普通永磁電機的節(jié)電效果對比

表2是相同功率等級下的開關(guān)磁阻電機與永磁電機的各項參數(shù)對比。

表2 永磁電機與開關(guān)磁阻電機的對比Tab.2 Comparison of permanent magnet motor and switched reluctance motor

永磁電機因其帶有永磁體勵磁，無功損耗較小，輸出功率較高，是一種節(jié)能電機，但在環(huán)境惡劣或者有電流沖擊時，永磁體易永久失磁，影響整個抽油系統(tǒng)的運行，可靠性降低。開關(guān)磁阻電機運行可靠性較高，經(jīng)現(xiàn)場測試比較，開關(guān)磁阻電機無功功率損耗較大，但有功節(jié)電率為2.73%，綜合節(jié)電率為0.761%，可見，開關(guān)磁阻電機與永磁電機能夠達到相同的節(jié)電效果。

4.1.3 與變頻永磁電機的節(jié)電效果對比

表3、表4、表5為不同沖次時變頻永磁電機與開關(guān)磁阻電機的節(jié)電效果對比，沖次為4.5時，有功節(jié)電率為5.989%，綜合節(jié)電率為4.368%；沖次為3.5時，有功節(jié)電率為6.723%，綜合節(jié)電率為5.838%；沖次為2.5時，有功節(jié)電率為7.667%，綜合節(jié)電率為6.257%?？梢姡S著抽汲速度的變化，無功損耗變化量也有減少，有功節(jié)電率以及綜合節(jié)電率都有不同程度的提高。

表3 沖次為4.5時電機參數(shù)對比Tab.3 Parameter comparison by the stroke of 4.5

表4 沖次為3.5時電機參數(shù)對比Tab.4 Parameter comparison by the stroke of 3.5

表5 沖次為2.5時電機參數(shù)對比Tab.5 Parameter comparison by the stroke of 2.5

4.2 節(jié)電總量

對油田在用的100臺抽油機用電動機更換開關(guān)磁阻電機，有功功率可減小139 kW，每天可節(jié)約電能3 336 kW·h，月節(jié)電總量100 080 kW·h，年節(jié)電總量1 217 640 kW·h。按每度電1元計算，100臺抽油機每年可節(jié)約電費達122萬元。

5 結(jié)論

本文采用磁路計算、場路驗證的方法設計的塔架式抽油機用開關(guān)磁阻電機是合理的，樣機性能指標能夠達到要求，在對樣機進行的油田節(jié)能測試中，證明該樣機在降低電能損耗上能夠起到實質(zhì)性作用，減少了成本支出，為企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

［1］馬強.塔架式長沖程抽油機原理及應用［J］.石油礦場機械，2008，37（1）：80－83.

［2］胡安國，趙志鵬.超大懸點載荷長沖程抽油機：中國，ZL032770405［P］.2004－09－01.