張慶洋 周海亮（北京中紡銳力機(jī)電有限公司）

游梁式抽油機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)游梁機(jī)，主要由驢頭—游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、耐久性好、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，一直在我國(guó)采油設(shè)備中占有重要地位，約占總數(shù)的75%以上，且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍是油田首選的采油設(shè)備。我國(guó)自引進(jìn)游梁機(jī)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)派生出了很多種機(jī)型，如常規(guī)型游梁機(jī)、前置型游梁機(jī)、偏置型游梁機(jī)、斜井式游梁機(jī)、低矮式游梁機(jī)及活動(dòng)式游梁機(jī)等，但最基本的四連桿結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生變化，因此，游梁機(jī)的負(fù)載不均衡、平衡效果差、工作效率低等一系列問(wèn)題也一直沒(méi)有較好的解決。

1 游梁機(jī)能耗現(xiàn)狀分析

游梁機(jī)采油作業(yè)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三角皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，三角皮帶帶動(dòng)游梁機(jī)減速箱轉(zhuǎn)動(dòng)，減速箱的輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)四連桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變成驢頭的上下曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)驢頭轉(zhuǎn)換成抽油桿的直線上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽油桿的每一次上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)為一個(gè)沖程，每個(gè)沖程即為一個(gè)工作周期。

每個(gè)工作周期內(nèi)，在抽油桿上升采油的過(guò)程中，為了保證油井有足夠的采油壓力和克服抽油桿的自重，游梁機(jī)需要對(duì)抽油桿提供很大的動(dòng)力，因此電動(dòng)機(jī)需要在很高的負(fù)載條件下運(yùn)行；而在抽油桿的下降過(guò)程中，油井內(nèi)的負(fù)壓以及抽油桿的自重可以帶著抽油桿自行向下降落，電動(dòng)機(jī)的輸出功率非常小，甚至電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)。

由此可知，游梁機(jī)的電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在一種負(fù)載極不均衡的狀態(tài)下周期運(yùn)行，而為了滿(mǎn)足抽油桿上升過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求，游梁機(jī)選用的電動(dòng)機(jī)相對(duì)而言，都會(huì)選擇功率等級(jí)比游梁機(jī)功率大的型號(hào)，但在抽油桿下降過(guò)程中，這時(shí)大功率的電動(dòng)機(jī)不需要在較高的負(fù)載點(diǎn)運(yùn)行，所以就形成了“大馬拉小車(chē)”的局面；常用的三相異步電動(dòng)機(jī)在輕載甚至空載狀態(tài)下，運(yùn)行效率很低，因而造成了大量的能源浪費(fèi)[1]。

2 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)工作原理

開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)（S witchedR eluctance D rive，簡(jiǎn)稱(chēng)S R D）是目前最新的無(wú)極調(diào)速系統(tǒng)，由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（S witchedR eluctanceM otor，簡(jiǎn)稱(chēng)S R M ）、控制電路、功率電路及位置傳感器四部分組成，兼具直流、交流兩類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

S R D 采用的是“磁阻最小原理”。磁阻最小原理是指磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵芯在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線于磁場(chǎng)的軸線相重合。當(dāng)鐵芯的主軸線與磁場(chǎng)的軸線不重合時(shí)，鐵芯與磁場(chǎng)之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁拉力，使鐵芯沿著軸線重合的方向移動(dòng)。

以12/8極S R M 為例，如圖1所示，12/8極S R M定子有12個(gè)極，轉(zhuǎn)子有8個(gè)極，定轉(zhuǎn)子均為硅鋼片疊壓而成，其中定子上有繞組，轉(zhuǎn)子無(wú)繞組。定子繞組每間隔兩個(gè)極為同一相，繞組之間串行連接，共有A 、B、C 三相。以A 相繞組為例（B、C 兩相結(jié)構(gòu)與A 相相同，與A 相并聯(lián)在直流電源上），當(dāng)A相繞組軸線O A 與轉(zhuǎn)子磁極軸線O a均不重合時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)S1、S2，對(duì)A 相繞組通電，A 相繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿O A 方向的徑向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等路徑閉合，轉(zhuǎn)子受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到O A 與O a軸線重合為止，此時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1、S2。

圖1 12/8極SRM原理示意圖（A相）

順序?qū)Ω飨喟瓷鲜霾襟E通電（如A -B-C-A 或A -C-B-A），電動(dòng)機(jī)就可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變通電的各相順序以及通電時(shí)間，就可以改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由此可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與各相通電電流方向無(wú)關(guān)，與各相通電順序有關(guān)[2]。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2 開(kāi)通時(shí)，A 相繞組從直流電源吸收能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2 斷開(kāi)時(shí)，A 相繞組中的電流則經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D1、 D2 回饋到直流電源，因此，S R D 的系統(tǒng)效率高，且高效區(qū)寬。

磁阻最小原理使S R D 與傳統(tǒng)交直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)相比，有如下幾個(gè)特有的優(yōu)點(diǎn)。

◇S R D 的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150%；啟動(dòng)電流小，只有額定電流的30%。

◇能夠頻繁換向，可達(dá)1000次/h。

◇調(diào)速范圍寬，高效區(qū)寬。

◇空載電流小，只有額定電流的1%左右。

◇轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，不僅減少了繞組熱損耗，同時(shí)也節(jié)約了制造成本，簡(jiǎn)化了制造工藝。

3 SRD應(yīng)用于游梁機(jī)節(jié)能分析

目前國(guó)內(nèi)的游梁機(jī)絕大部分都是采用三相異步電動(dòng)機(jī)直接接入工頻電壓的方式運(yùn)行。

三相異步電動(dòng)機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速非常接近，轉(zhuǎn)差率約為0，轉(zhuǎn)子回路等效電阻近似無(wú)窮大，轉(zhuǎn)子繞組中電流近似為0，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組功率因素沒(méi)有意義；定子繞組的電流有功分量所占的比重很小，絕大部分都是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的無(wú)功電流分量，因此電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的功率因數(shù)非常低，只有0.2左右。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率減小，轉(zhuǎn)子繞組電勢(shì)降低，而轉(zhuǎn)子繞組電阻分量增加，電抗分量減小，所以轉(zhuǎn)子繞組阻抗角小于額定負(fù)載，因此輕載時(shí)轉(zhuǎn)子的功率因素比額定負(fù)載時(shí)要高；但輕載時(shí)，定子繞組阻抗的電抗分量增加很大，定子繞組功率因素很低，綜合定轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)，三相異步電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)的功率因數(shù)仍然比較低。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率只有5%左右，轉(zhuǎn)子回路電阻增大，因此，轉(zhuǎn)子繞組阻抗角減小，轉(zhuǎn)子功率因素能達(dá)到0.8~0.9；而定子繞組中，定子繞組是轉(zhuǎn)子電流和勵(lì)磁電流之和，因轉(zhuǎn)子電流相電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勵(lì)磁電流，故定子繞組功率因素也較高，約在0.8~0.85，因此額定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)整體的功率因素相對(duì)較高[3]。

由上可知，三相異步電動(dòng)機(jī)功率因素在空載到額定負(fù)載范圍內(nèi)，是隨負(fù)載的增大而增大的，只有電動(dòng)機(jī)工作在額定負(fù)載點(diǎn)或負(fù)載相差不大的工作條件下，才能取得較高的功率因素，而游梁機(jī)的負(fù)載特性非常的不均衡，一個(gè)周期內(nèi)大部分時(shí)間都是在輕載甚至空載的情況下運(yùn)行，因此可以推斷系統(tǒng)的功率因素平均會(huì)在一個(gè)很低的范圍內(nèi)。電動(dòng)機(jī)繞組中無(wú)功電流增加，使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱量增加，增大電能損耗，降低了系統(tǒng)的工作效率，且繞組發(fā)熱也會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

三相異步電動(dòng)機(jī)直接接入工頻電壓運(yùn)行后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就只和電壓的頻率有關(guān)，無(wú)法改變，因此只能通過(guò)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最基本的啟停控制，無(wú)法通過(guò)遠(yuǎn)程控制器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，例如若需要更改游梁機(jī)的沖程，只能通過(guò)更換電動(dòng)機(jī)皮帶輪的大小來(lái)調(diào)節(jié)，工作難度和強(qiáng)度都很大，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，非常不適用于油田現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)代化遠(yuǎn)程控制。

S R D 是最新的無(wú)極調(diào)速系統(tǒng)，可以根據(jù)負(fù)載情況及轉(zhuǎn)速的不同分別采用角度位置控制（A PC 控制）、電流斬波控制（CCC 控制）及電壓斬波控制（PW M 控制）等不同的控制策略，通過(guò)改變電流的幅值、開(kāi)通角、關(guān)斷角，改變電壓的幅值及相位等降低電動(dòng)機(jī)定子繞組的無(wú)功分量，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的功率因素和工作效率，另外S R M 的轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，消除了轉(zhuǎn)子繞組引起的發(fā)熱，減小了的電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗，同時(shí)降低了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行溫度。

圖2為22kW 、額定轉(zhuǎn)速750r的S R D 的效率特性M A P 圖。由圖2可以看出，在45%以上的負(fù)載、500r以上的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，S R D 的輸出效率始終可達(dá)85%以上。

圖2 SRD效率特性MAP圖

S R D 控制器有著豐富的外圍信號(hào)接入端，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。通過(guò)工圖采集和分析可以實(shí)時(shí)調(diào)整S R D 的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使得油井始終工作在高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)整體運(yùn)行的節(jié)能。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊可以非常簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停、遠(yuǎn)程換向、遠(yuǎn)程調(diào)速等基本功能；還可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸電動(dòng)機(jī)及控制器的各種運(yùn)行參數(shù)及警告故障信息，方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此S R D 用于游梁機(jī)可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)抽油設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

為驗(yàn)證S R D 相比于與三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果，在東營(yíng)勝利油田某油井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。油井原采用的是額定功率22kW 三相異步電動(dòng)機(jī)，額定電壓660V，額定轉(zhuǎn)速600r/min，采用工頻電源直接接入電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式；對(duì)比試驗(yàn)采用的S R M 為額定功率22kW ，額定電壓660V，額定轉(zhuǎn)速750r/min。對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，S R M 相比于三相異步電動(dòng)機(jī)在各電氣測(cè)試項(xiàng)目中均有優(yōu)勢(shì)：有功功率每小時(shí)節(jié)電1.02kW ，節(jié)電率為15.27%；無(wú)功功率每小時(shí)節(jié)電高達(dá)20.32 kvar，節(jié)電率高達(dá)81.78%，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量按0.03kW /kvar計(jì)算，可得綜合節(jié)電率達(dá)21.96%；功率因素也由較低的0.259提高到了0.780，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。因此將S R M 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于游梁機(jī)，不僅節(jié)省了大量的電能，同時(shí)大幅度的減少了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的無(wú)功電流，增加了電網(wǎng)輸出的有功功率，提高了油田電網(wǎng)的利用率，減少了線路能量損耗，電網(wǎng)設(shè)備的容量在額定范圍內(nèi)得到更加充分的利用，節(jié)約了巨大的電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的成本。

表1 三相異步電動(dòng)機(jī)與SRM運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)以上的論述，可以得出，相比于三相異步電動(dòng)機(jī)，S R D 應(yīng)用于游梁機(jī)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

1）SRD有著很寬的高效區(qū)，更適合應(yīng)對(duì)游梁機(jī)難以克服的負(fù)載不均衡的缺點(diǎn)，可取得很好的節(jié)能效果。

2）SRD工作過(guò)程中，無(wú)功電流較小，可以節(jié)約油田電網(wǎng)大量的建設(shè)和維護(hù)成本。

3）SRD有著很寬的調(diào)試范圍，可以在不停機(jī)的工作條件下對(duì)游梁機(jī)進(jìn)行沖程調(diào)節(jié)，沖程調(diào)節(jié)范圍很寬，且可以調(diào)節(jié)在沖程范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上。

4）SRM轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有著更高的可靠性，更易于維護(hù)，同時(shí)無(wú)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱。

以實(shí)測(cè)的22kWSRD為例，一臺(tái)游梁機(jī)每年大約可以節(jié)約電能約14 000kW ，按目前工業(yè)用電電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，每年僅電費(fèi)就可節(jié)約1.5 萬(wàn)元人民幣左右；如若改造大型游梁機(jī)，應(yīng)會(huì)取得更大的節(jié)能效果。因此，將S R D 應(yīng)用在游梁機(jī)中，具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張傻薩,楊波,張磊,等.雙繞組串聯(lián)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在游梁抽油機(jī)中的應(yīng)用[J].微電動(dòng)機(jī),2009,42(4):81-83.

[2]吳建華.開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:1-7.

[3]顧繩谷,姚守猷.電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)上冊(cè)[M].第4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:141-143.