摘要：針對(duì)常規(guī)游梁式抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提升空間有限，能耗整體偏高等問題，提出了盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)方案。采用盤式永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速器，不需要皮帶傳動(dòng)，從而提高地面系統(tǒng)效率；利用永磁電機(jī)的變頻調(diào)速特性，并結(jié)合游梁尾部設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)平衡裝置，形成了一套自平衡式抽油機(jī)控制方案。根據(jù)直驅(qū)抽油機(jī)對(duì)電機(jī)尺寸和效率的要求，對(duì)盤式電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，電機(jī)效率可達(dá)93.8%。提出 “粗精結(jié)合”的自平衡調(diào)節(jié)方案，以曲柄平衡調(diào)節(jié)為主、游梁自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)為輔，建立了根據(jù)功率平衡度自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡的控制策略，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)無極調(diào)速。電機(jī)測(cè)試和抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：運(yùn)行過程中盤式永磁電機(jī)性能穩(wěn)定，帶動(dòng)抽油機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)可靠，日耗電量下降19.5%，具有良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：半直驅(qū)抽油機(jī)；盤式電機(jī)；自動(dòng)平衡；數(shù)值仿真；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TE933.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.012

Design of Self-Balancing Pumping Unit Driven by Disc Motor

WANG Zenglin1，JIANG Dong1，SU Qiuhan1，LI Zengliang2，WANG Feng1

（1. Shengli Oilfield Petroleum Engineering Technology Research Institute， Dongying 25700 ，China；

2.China University of Petroleum （East China），Qingdao 266580， China）

Abstract：The driving system of the conventional beam pumping unit has low operating efficiency and high energy consumption. Therefore， a new beam-pumping unit structure with a semi-direct drive and self-balancing system was proposed. The newly proposed beam pumping unit is directly driven by a disk permanent magnet motor， eliminating the belt and improving the efficiency of the ground system. A control scheme of a semi-direct drive self-balancing pumping unit was developed based on the permanent magnet motor's frequency conversion and speed regulation character-

［12］Pierre-Olivier Gourmelon，Kyle Wiesenborn，Gocha Chochua.A Novel Approach to Wireline Debris Removal［R］.SPE 194279，2019.

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［16］Pierre-Olivier G.Methods and Apparatus for Collecting Debris and Filtering Fluid： EP3156584B1［P］.2018.istics combined with the automatic balancing device designed at the tail of the beam. According to the requirements of the size and efficiency of the motor in the pumping unit， the structure design and optimization of the disk motor were carried out， and the efficiency of the motor reached 93.8% after optimization. A combined self-balancing adjustment scheme was proposed. The crank balance adjustment was token as the main part and the beam automatic balance adjustment was the auxiliary part of the scheme. The control strategy of adjustable stroke and automatic balance adjustment according to power balance degree was established， and the control system model of the pumping unit was built. The temperature test of the motor and field test of the pumping unit was carried out. The result shows that the daily power consumption of this type of pumping unit decreases by 19.5%， which has a good energy-saving effect.

Key words： semi-direct-drive pumping unit; disc permanent magnet motor; electromagnetic design; numerical simulation; field test.

我國(guó)已開采油氣資源主要分布在陸地和淺海地區(qū)，其中機(jī)采井占總油井?dāng)?shù)量的95%以上［1］?，F(xiàn)有機(jī)采井又可分為有桿泵采油和無桿泵采油，以游梁式抽油機(jī)為代表的有桿泵采油系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，占各類抽油機(jī)總量的94%［2］。游梁式抽油機(jī)的主要作用是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而為井下桿泵系統(tǒng)提供動(dòng)力，將井筒中的原油舉升至地面。常規(guī)游梁式抽油機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、傳動(dòng)換向系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和安全輔助系統(tǒng)5大部分組成。游梁式抽油機(jī)配套設(shè)施完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、維修方便，是主要人工舉升方式［3］。但是，游梁式抽油機(jī)能耗高，能耗約占油田總能耗的33%，電動(dòng)機(jī)用電效率不足30%［4］。地面機(jī)械傳動(dòng)效率普遍低，尤其是電機(jī)、皮帶和減速箱的結(jié)構(gòu)使傳動(dòng)鏈增長(zhǎng)。而且，由于懸點(diǎn)載荷的不均勻?qū)е码妱?dòng)機(jī)的負(fù)載率低，平衡調(diào)節(jié)困難，需要進(jìn)行停機(jī)調(diào)節(jié)［5］。此外，皮帶受環(huán)境因素影響大，易老化損壞，頻繁更壞會(huì)污染環(huán)境［6］。

由于游梁式抽油機(jī)的諸多缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)性開展了許多節(jié)能改造和優(yōu)化工作，旨在提高抽油機(jī)的可靠性和運(yùn)行效率，優(yōu)化對(duì)象涉及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、平衡方式、節(jié)能裝置以及控制系統(tǒng)［2，4］。其中，由于電機(jī)技術(shù)的限制，以往對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造未取得很好的效果。隨著永磁電機(jī)的發(fā)展，電機(jī)性能和可靠性有了很大提升［7］，特別是盤式永磁電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)［8-9］。本文在12型游梁式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了滿足驅(qū)動(dòng)和安裝要求的盤式永磁電機(jī)，同時(shí)研制了游梁自動(dòng)平衡裝置，給出了整機(jī)控制方案和策略。通過理論分析和試驗(yàn)，對(duì)新型抽油機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在不改動(dòng)游梁式抽油機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)的情況下，通過改造驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，形成高效盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)設(shè)計(jì)方案。高效盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。盤式電機(jī)直接裝在減速箱輸入軸上（此時(shí)減速箱的輸入軸就是電機(jī)輸出軸），經(jīng)過減速箱減速，帶動(dòng)輸出軸（即曲柄軸）做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；曲柄軸左右兩側(cè)通過鍵與曲柄相連，曲柄上安裝曲柄平衡塊；在游梁尾部有用來布置游梁平衡系統(tǒng)的外接游梁，游梁通過中部軸承座固定在支架上，游梁前端與驢頭相連。

與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)有3個(gè)特點(diǎn)：①去掉了電機(jī)與減速箱之間的皮帶傳動(dòng)，采用盤式電機(jī)直接與減速箱輸入軸相連；②在游梁上安裝自動(dòng)平衡裝置，能夠根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)游梁平衡重的位置進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；③電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與自動(dòng)平衡系統(tǒng)相互耦合，共同使抽油機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

由永磁電機(jī)代替原有的三相異步電機(jī)—皮帶—皮帶輪，省略了皮帶—皮帶輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了三級(jí)傳動(dòng)到二級(jí)傳動(dòng)，提高了傳動(dòng)效率，同時(shí)避免了因皮帶老化帶來的各種問題。盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)采用曲柄平衡加游梁自動(dòng)平衡的復(fù)合平衡方式，該方式以曲柄平衡作為“粗平衡”，游梁自動(dòng)平衡作為“精平衡”，使抽油機(jī)的平衡效果提升，各零部件的受力更加合理。抽油機(jī)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和曲柄的無級(jí)調(diào)速，可以有效降低曲柄轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)負(fù)載效率。

此外，本方案沿用了常規(guī)游梁式抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)在表1中給出。

2永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析

永磁電機(jī)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，由于結(jié)構(gòu)形式、尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)特性較常規(guī)三相異步電機(jī)有很大區(qū)別，需要對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2.1電機(jī)的安裝位置

由于盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)游梁式抽油機(jī)對(duì)電機(jī)安裝尺寸的限制，使得盤式永磁同步電機(jī)成為最佳選擇。盤式電機(jī)具有軸向長(zhǎng)度小、質(zhì)量輕、效率高、轉(zhuǎn)矩密度大等優(yōu)點(diǎn)，適用于機(jī)械系統(tǒng)提效和節(jié)能改造。圖2為盤式永磁電機(jī)的安裝位置示意圖。

2.2電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

盤式電機(jī)是一種軸向磁通電機(jī)，其定子和轉(zhuǎn)子沿軸向分布，轉(zhuǎn)子和定子的數(shù)量及安裝順序可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。根據(jù)定、轉(zhuǎn)子的個(gè)數(shù)，盤式電機(jī)可分為單定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子-內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙轉(zhuǎn)子-內(nèi)定子結(jié)構(gòu)和多盤式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖2盤式電機(jī)安裝位置示意

本文采用雙轉(zhuǎn)子中間定子（TORUS）結(jié)構(gòu)的盤式電機(jī)。該型電機(jī)由2個(gè)轉(zhuǎn)子和1個(gè)定子構(gòu)成，與其它型式的盤式永磁電機(jī)相比，該型結(jié)構(gòu)同時(shí)具有轉(zhuǎn)矩密度大、效率高、軸向尺寸小等優(yōu)勢(shì)［10］。如圖4所示，TORUS電機(jī)根據(jù)磁路不同可分為NN型和NS型，NS型結(jié)構(gòu)的2個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)位置處的磁極屬性相反，而NN型結(jié)構(gòu)兩個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)位置處的磁極屬性相同。

NS型結(jié)構(gòu)的2側(cè)磁極共同構(gòu)成1個(gè)磁路，而NN型結(jié)構(gòu)的2側(cè)磁極分別形成了2個(gè)磁路。根據(jù)磁力線是1條N出S入的不相交閉合曲線可得，NS型結(jié)構(gòu)的磁力線直接穿過定子，而NN型結(jié)構(gòu)需要定子磁軛進(jìn)行磁路的傳導(dǎo)，這導(dǎo)致NN型結(jié)構(gòu)定子軸向尺寸和鐵芯損耗大于NS型結(jié)構(gòu)。為獲得更高的轉(zhuǎn)矩密度和效率，本文采用NS型磁路結(jié)構(gòu)。

與普通徑向永磁同步電機(jī)運(yùn)行原理類似，盤式永磁電機(jī)的運(yùn)行也是依靠定、轉(zhuǎn)子之間的電磁作用原理。首先，帶有永磁體的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生1個(gè)固定磁場(chǎng)，定子位于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中。當(dāng)定子通入三相對(duì)稱交流電后，會(huì)產(chǎn)生1個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于定子固定，故轉(zhuǎn)子會(huì)受到定子磁場(chǎng)電磁拉力的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子電磁力矩大于電機(jī)輸出軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)處于工作狀態(tài)；而當(dāng)轉(zhuǎn)子電磁力矩小于電機(jī)輸出軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)就會(huì)減速，直至停止。

2.3電機(jī)指標(biāo)和參數(shù)確定

電機(jī)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)包括電機(jī)相數(shù)、工作制、驅(qū)動(dòng)電壓，以及功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和效率等。為使抽油機(jī)沖次可調(diào)，需采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，所以在確定電機(jī)指標(biāo)前先要確定電機(jī)的運(yùn)行特性。

根據(jù)12型游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，曲柄軸額定轉(zhuǎn)矩為73 kN·m，沖次為6.3 min-1。由減速箱輸入輸出關(guān)系可知：

Tout=Tinηi

nout=nini " " " " " " "（1）

式中，Tout為減速箱輸出軸轉(zhuǎn)矩，N·m；Tin為減速箱輸入軸轉(zhuǎn)矩，N·m；η為減速箱的使用系數(shù)，其值大于1；i為減速箱的傳動(dòng)比；nout為減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min；nin為減速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由于減速箱輸出軸即曲柄軸，輸入軸即電機(jī)軸，所以將12型游梁式抽油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)帶入式（1）中可得電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為2.15 kN·m，額定轉(zhuǎn)速為200 r/min。電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式：

To=9.55Pon " " " " " " " "（2）

式中，To為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Po為電機(jī)的輸出功率，kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

將所需電機(jī)額定扭矩和額定轉(zhuǎn)速帶入式（2）可得電機(jī)額定功率為45 kW。

已知三相電機(jī)的功率計(jì)算式為：

Po=3UNINcosφ·ηm " " " " "（3）

式中，UN為額定電壓，V；IN為額定電流，A；cosφ為功率因數(shù)；ηm為電機(jī)效率。

設(shè)計(jì)電機(jī)的功率因數(shù)在0.85左右，效率應(yīng)大于90%。然后，根據(jù)式（3）計(jì)算得到電機(jī)額定電流約為89 A。

根據(jù)安裝尺寸要求，抽油機(jī)所用盤式永磁電機(jī)的最大軸向長(zhǎng)度為250 mm，機(jī)體徑向最大徑向尺寸為1 100 mm。

2.4仿真分析

2.4.1模型建立

借助有限元法進(jìn)行電磁仿真分析，采用Maxwell和Workbench軟件平臺(tái)建立盤式永磁電機(jī)的有限元仿真模型，如圖5所示。

完整的盤式電機(jī)的三維模型復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量較大。根據(jù)單元電機(jī)的理論，當(dāng)槽極數(shù)存在最大公約數(shù)t時(shí)，可將電機(jī)看作t個(gè)單元電機(jī)的組合。根據(jù)盤式電機(jī)的極槽配合關(guān)系，可得t為2，故可將原模型化簡(jiǎn)為二分之一模型。建模前先要確定模型變量，表2給出了設(shè)計(jì)變量。根據(jù)給定的變量取值范圍，通過對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸分析，建立各尺寸與設(shè)計(jì)變量間的關(guān)系，進(jìn)而可以建立電機(jī)的幾何模型。

2.4.2空載運(yùn)行分析

空載反電勢(shì)的大小決定了電機(jī)是增磁運(yùn)行還是去磁運(yùn)行，其波形決定了電機(jī)機(jī)械特性的好壞。因此，合理的空載反電勢(shì)能夠有效減小定子電流，提高電機(jī)效率，降低電機(jī)的溫升［11］。圖6為仿真得到的空載相反電勢(shì)波形圖。

從圖6中可以看出，三相繞組反電勢(shì)的幅值約為283.8 V，并且波形具有很好的對(duì)稱特性。為了更好地觀察反電勢(shì)波形的質(zhì)量，先利用FFT將其轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。基波幅值約為274.9 V，畸變率約為4.29%，表明反電勢(shì)具有較好的正弦特性。

氣隙磁場(chǎng)是電機(jī)磁場(chǎng)重要的組成部分，其內(nèi)部磁密大小和波形對(duì)電機(jī)輸出性能有重要影響，圖7為軸向氣隙磁密分布情況。從圖7中可以看到，軸向氣隙磁密具有明顯的正弦分布特性，且磁密大部分均勻分布在-1～1 T之間，符合盤式電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

2.4.3負(fù)載運(yùn)行分析

額定狀態(tài)是電機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)大部分時(shí)間都在額定狀態(tài)下運(yùn)行，因此對(duì)其進(jìn)行額定狀態(tài)下的分析十分必要。在額定狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載、電流等均為額定值［12］。

額定運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩如圖8所示，經(jīng)過計(jì)算可得平均輸出轉(zhuǎn)矩值約為2 237.9 N·m，符合使用要求。與此同時(shí)，計(jì)算得出輸出轉(zhuǎn)矩與平均轉(zhuǎn)矩差值的脈動(dòng)曲線，可得最大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰值約為50 N·m，僅為平均輸出轉(zhuǎn)矩的2.2%，表明輸出轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)，具有較高質(zhì)量。

額定工況下電機(jī)的磁密分布對(duì)電機(jī)性能也至關(guān)重要。圖9為電機(jī)定子齒和轉(zhuǎn)子的三維磁密分布情況。為保證電機(jī)的正常工作，鐵芯部件中的磁密應(yīng)當(dāng)小于飽和值，對(duì)于硅鋼片其飽和值一般為1.6 T左右。從圖9a中可以看出，定子鐵芯磁密大部分在飽和區(qū)內(nèi)工作，僅有定子齒兩端靠近氣隙處的邊緣位置有飽和現(xiàn)象。在圖9b中可得，轉(zhuǎn)子磁密大部分也在飽和區(qū)內(nèi)，僅有2個(gè)永磁體間連接處有些許飽和，這也是盤式電機(jī)的顯著特點(diǎn)之一［13］。

根據(jù)效率定義可知，提高電機(jī)效率就是降低其損耗。永磁電機(jī)的損耗主要包括雜散損耗、鐵耗、銅損、風(fēng)摩損耗和渦流損耗等，其中鐵耗、銅耗和渦流損耗可以在Maxwell中進(jìn)行計(jì)算分析。在滿載狀態(tài)下，鐵耗和銅耗占電機(jī)總損耗的50%左右，因此僅給出電機(jī)鐵耗和銅耗的計(jì)算結(jié)果。穩(wěn)定后電機(jī)的鐵耗大約為110 W，銅耗約為1.5 kW，假設(shè)兩者占總損耗的50%，可得電機(jī)的效率約為93.8%。

3平衡系統(tǒng)及整機(jī)運(yùn)行分析

3.1平衡方式

為了克服常規(guī)游梁式抽油機(jī)平衡塊調(diào)節(jié)困難和調(diào)平效果差的缺點(diǎn)， 采用曲柄平衡作為“粗平衡”，游梁自動(dòng)平衡系統(tǒng)作為“精平衡”的平衡方式。其中，游梁自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)是通過伺服電缸來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于復(fù)合平衡，平衡系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由曲柄平衡機(jī)構(gòu)和游梁平衡機(jī)構(gòu)2部分組成。其中，曲柄平衡機(jī)構(gòu)主要由曲柄和曲柄平衡塊構(gòu)成，可直接在游梁式抽油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)件中進(jìn)行選型使用。游梁平衡采用自動(dòng)平衡裝置，如圖10所示為由電動(dòng)缸、后接游梁和游梁平衡塊構(gòu)成的游梁自動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)。

游梁自動(dòng)平衡裝置中，伺服電缸主要起到驅(qū)動(dòng)和控制游梁平衡塊按照指定移動(dòng)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的作用。游梁平衡塊的可滑動(dòng)范圍為2.2 m，為防止碰撞等意外發(fā)生，在電動(dòng)缸最近側(cè)和最遠(yuǎn)側(cè)各取圖10游梁自平衡機(jī)構(gòu)0.1 m的安全裕量，因此電動(dòng)缸的實(shí)際有效行程為2 000 mm。從運(yùn)行性能考慮，由于需要驅(qū)動(dòng)幾噸質(zhì)量的游梁平衡塊運(yùn)動(dòng)，所以速度要低且穩(wěn)定，否則容易在電動(dòng)缸啟停過程中引起較大的沖擊和振動(dòng)，進(jìn)而影響抽油機(jī)工作的穩(wěn)定性。電動(dòng)缸始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行既有利于控制，又有利于提高伺服電機(jī)的運(yùn)行效率。本文取伺服電動(dòng)缸的額定運(yùn)行速度為100 mm/s。通過電動(dòng)缸工作過程受力分析，得到額定輸出力為11 756 N。由于減速器速比為3，取伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為360 r/min，得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩約為36.71 N·m，故可得伺服電機(jī)的額定功率為1.38 kW。

3.2控制策略

要發(fā)揮半直驅(qū)自平衡抽油機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，不僅需要合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，還需要良好的控制策略驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果。

盤式電機(jī)自動(dòng)平衡抽油機(jī)的整機(jī)控制流程框如圖11所示。主要由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制臺(tái)、控制柜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和監(jiān)測(cè)裝置組成。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制臺(tái)的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)送控制指令；控制柜內(nèi)有控制系統(tǒng)電路，其作用是根據(jù)控制指令或返回的監(jiān)測(cè)信息，在進(jìn)行信息處理后發(fā)出執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠識(shí)別的控制信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)缸和抽油機(jī)本體，其作用是執(zhí)行控制命令，完成指定動(dòng)作；監(jiān)測(cè)裝置主要是電表和各類傳感器，作用是將抽油機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋給控制臺(tái)或控制柜，以便進(jìn)行后續(xù)的控制。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制模塊中，主要部分是功率平衡度的測(cè)定。每當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行1個(gè)沖程，就會(huì)根據(jù)測(cè)量的電機(jī)功率計(jì)算1次功率平衡度，后續(xù)模塊使用功率平衡度進(jìn)行平衡的自動(dòng)調(diào)節(jié)。功率平衡度需要計(jì)算上、下沖程中的2個(gè)功率峰值，采用記憶模塊和使能模塊進(jìn)行求解。

3.3運(yùn)行分析

圖12展示了懸點(diǎn)速度和加速度的最值隨沖次的變化規(guī)律，通過分析結(jié)果可知，懸點(diǎn)正向最大速度和負(fù)向最大速度均與沖次成線性變化關(guān)系，而懸點(diǎn)正向最大加速度和負(fù)向最大加速度與沖次為非線性變化關(guān)系。

懸點(diǎn)載荷作為抽油機(jī)的外載荷，其復(fù)雜的變化規(guī)律是造成抽油效率低的主要原因，平衡系統(tǒng)也主要針對(duì)懸點(diǎn)載荷進(jìn)行平衡。圖13為不同沖次下的動(dòng)載荷變化規(guī)律示意圖。可以看出，動(dòng)載荷隨抽油機(jī)沖次變化，這是由于動(dòng)載荷大小與懸點(diǎn)加速度相關(guān)。與靜載荷相比，動(dòng)載荷的數(shù)值較小，如在6.3 min-1的沖次下，動(dòng)載荷最大絕對(duì)值也僅為靜載荷最大值的8.5%，所以當(dāng)沖次較低時(shí)可忽略動(dòng)載荷的影響。

曲柄平衡塊在抽油機(jī)運(yùn)行前需要停機(jī)進(jìn)行人工調(diào)整，運(yùn)行過程中其位置不發(fā)生變化，所以對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行自動(dòng)平衡分析前先要對(duì)曲柄平衡塊的位置進(jìn)行調(diào)整。在曲柄平衡塊位置調(diào)整過程中，沖次為6.3 min-1，并且游梁平衡塊固定在零刻度位置上。

已知曲柄兩側(cè)有刻度和平衡塊定位齒，刻度表示曲柄平衡塊的平衡半徑。本文所用曲柄軸上的量程刻度起點(diǎn)為200 mm，終點(diǎn)為2 000 mm，齒距為25 mm。抽油機(jī)曲柄平衡塊有曲柄兩側(cè)都安裝和僅一側(cè)安裝2種布置方式，其中僅一側(cè)安裝分為靠近井口側(cè)安裝和遠(yuǎn)離進(jìn)口側(cè)安裝（以驢頭朝右，曲柄豎直為參考）。需要注意的是，為保證運(yùn)行穩(wěn)定性，2個(gè)曲柄上相同位置的平衡塊要成對(duì)安裝。

安裝平衡塊都能起到縮小電機(jī)負(fù)載不均的作用，而且隨著平衡半徑的增加，負(fù)載的波動(dòng)程度在降低。綜合兩種情況，選擇在曲柄兩側(cè)均安裝平衡塊，可得如圖14所示的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲柄兩側(cè)均安裝平衡塊時(shí)，若2個(gè)平衡塊位置的平均值相等則其平衡效果也相等，故圖14中的位置為兩側(cè)平衡塊位置的平均值。

為獲得曲柄平衡塊在不同位置時(shí)的平衡效果，圖15給出了上、下沖程中峰值轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。從圖15中可得，隨著曲柄平衡塊平衡半徑的增加，上沖程的電機(jī)軸峰值轉(zhuǎn)矩線性下降，而下沖程的電機(jī)軸峰值轉(zhuǎn)矩則線性上升。當(dāng)上沖程的電機(jī)軸峰值轉(zhuǎn)矩等于下沖程峰值轉(zhuǎn)矩時(shí)，表明抽油機(jī)有良好的平衡效果。從圖15可以看出，在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)只有雙側(cè)安裝方式有最佳平衡位置A，此時(shí)曲柄平衡塊的位置約在1 325 mm處。當(dāng)調(diào)節(jié)位置在1 550 mm內(nèi)時(shí)，雙側(cè)安裝方式的載荷波動(dòng)要低于單側(cè)安裝方式。并且電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩均方根值與平衡半徑成非線性關(guān)系，雙側(cè)安裝平衡塊時(shí)，隨著平衡半徑的增加轉(zhuǎn)矩均方根值先降低再減小，而最低點(diǎn)在1 100 mm與1 550 mm之間。綜上所述，選取雙側(cè)安裝方式來安裝曲柄平衡塊，曲柄的平衡半徑設(shè)置為1 325 mm。

4樣機(jī)試制及試驗(yàn)

4.1盤式電機(jī)測(cè)試

電機(jī)的測(cè)試內(nèi)容包括噪聲測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試以及溫升測(cè)試。

噪聲和振動(dòng)的大小反映了電機(jī)設(shè)計(jì)和安裝的合理性。該測(cè)試在空載狀態(tài)下進(jìn)行，其運(yùn)行參數(shù)為：電壓為365 V；電流為0.91 A；頻率為3 Hz；轉(zhuǎn)速為201 r/min。圖16為噪聲和振動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果。運(yùn)行過程中，電機(jī)穩(wěn)定，軸承平穩(wěn)，無異常響動(dòng)。

電機(jī)溫升測(cè)試時(shí)間為7 h，選定的測(cè)試對(duì)象包括三相繞組、電機(jī)軸承、永磁體磁塊和電機(jī)外部環(huán)境，測(cè)試條件為額定負(fù)載的60%，電機(jī)不同結(jié)構(gòu)溫度變化曲線如圖17所示。可以看出隨著試驗(yàn)進(jìn)行，各部分的溫度變化逐漸趨于平穩(wěn)；在整個(gè)試驗(yàn)過程中溫度從大到小的順序?yàn)槿嗬@組、永磁體磁塊、電機(jī)軸承和外部環(huán)境，且溫度平穩(wěn)后三相繞組的溫度約為90 ℃、磁塊溫度約為67 ℃、軸承溫度約為60 ℃，環(huán)境溫度保持在12 ℃左右。將溫升試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)比較后可知，均符合要求。

4.2整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)

盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)的大部分結(jié)構(gòu)沿用了原游梁式抽油機(jī)，如傳動(dòng)換向結(jié)構(gòu)以及齒輪減速箱等。圖18為抽油機(jī)控制柜及面板實(shí)物照片，圖19為整機(jī)實(shí)物照片。在控制面板的顯示屏上可以實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速、電流等運(yùn)行參數(shù)。這些參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

通過與原常規(guī)游梁式抽油機(jī)對(duì)比，在額定運(yùn)行狀態(tài)下可得該機(jī)型日耗電量降低了40 kW·h，降幅約為19.5%，百米噸液耗電降低了15.4%；平均運(yùn)行電流降低了35 A。測(cè)試結(jié)果有效證明了盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)的提效和節(jié)能的能力。

5結(jié)論

1）本文提出了基于盤式永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自平衡抽油機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案。該方案將原有的永磁電機(jī)—皮帶—皮帶輪—減速箱系統(tǒng)簡(jiǎn)化為高效盤式電機(jī)—減速箱系統(tǒng)，提高了地面系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；設(shè)計(jì)了以曲柄平衡為“粗平衡”、游梁自動(dòng)平衡為“精平衡”的平衡方式，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整，使抽油機(jī)保持良好的平衡效果。

2）通過對(duì)盤式電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理的分析，采用了雙轉(zhuǎn)子中間定子NS型盤式電機(jī)。根據(jù)12型抽油機(jī)性能參數(shù)確定了電機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)，并據(jù)此對(duì)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、極槽配合、繞組方式和電機(jī)材料等電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了盤式電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。建立了電機(jī)的仿真模型，對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載和負(fù)載運(yùn)行分析，結(jié)果表明電機(jī)技術(shù)參數(shù)滿足直驅(qū)要求，整體效率可達(dá)93.8%。

3）開展了盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡抽油機(jī)整機(jī)運(yùn)行分析，研究了抽油機(jī)的平衡效果，對(duì)平衡塊位置進(jìn)行了優(yōu)選。在理論和仿真研究的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，并開展了整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明該平衡抽油機(jī)具有較高的效率和較低的能耗，日耗電量降幅約為19.5%，百米噸液耗電降低了15.4%。

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