抽油机拖动用开关磁阻电动机试验测试与评价

２０１４年第４３卷第１１期第６９页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜　２０１４，４３（１１）：６９７１文章编号：１００１３４８２（２０１４）１１００６９０３抽油机拖动用开关磁阻电动机试验测试与评价李　明１，２，韩二涛１，２，张　磊１，２，刘　涛１，２，甘庆明１，２，黄　伟１，２（１．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安７１００１８；２．长庆油田分公司油气工艺研究院，西安７１００１８）摘要：对游梁式抽油机用开关磁阻电动机的调速系统进行室内试验分析，评价其对油井工况的适应性。通过测试在不同负载、不周转速情况下电动机的输出转矩与电动机效率，得到电机的特性曲线。测试结果表明：开关磁阻电动机调速系统具有良好的起动特性，在０．２倍额定电流情况下输出转矩能够达到额定转矩的２．５倍；良好的调速性能使得电动机可以在０．２倍额定转速下正常工作，同时过载能力达到２．２，且保持５０％以上的效率；在５％负载情况下开关磁阻电动机效率达到７５％，而同规格异步机仅为３０％。该开关磁阻电动机对抽油机“重载起动、低负运行”工况具有较好的适应性。关键词：开关磁阻电动机；负载；特性曲线；转矩；效率中图分类号：ＴＥ９３３．１　　　文献标识码：Ａ　　　犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３８４２．２０１４．１１．０１７犛狋狌犱狔犪狀犱犜犲狊狋狅狀犛犚犇犪狊狋犺犲犘狅狑犲狉犉狅狉犮犲狅犳犅犲犪犿犘狌犿狆犻狀犵犝狀犻狋犲ＬＩＭｉｎｇ１，２，ＨＡＮＥｒｔａｏ１，２，ＺＨＡＮＧＬｅｉ１，２，ＬＩＵＴａｏ１，２，ＧＡＮＱｉｎｇｍｉｎｇ１，２，ＨＵＡＮＧＷｅｉ１，２（１．犖犪狋犻狅狀犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犜犻犵犺狋犗犻犾牔犌犪狊犉犻犲犾犱犈狓狆犾狅狉犪狋犻狅狀犪狀犱犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋，犡犻’犪狀７１００１８，犆犺犻狀犪；２．犗犻犾牔犌犪狊犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犆犺犪狀犵犻狀犵犗犻犾犳犻犲犾犱犆狅犿狆犪狀狔，犡犻’犪狀７１００１８，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＰｒｅｃｅｄｉｎｇａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｅｓｔｓｉｓｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＳＲＤｆｏｒｗｅｌｌｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔｔｏｇｅｔｔｈｅｃｈａｒｏｆｍｏｔｏｒｂｙｔｅｓｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄａｎｄｓｐｅｅｄ．ＳＲＤｉｓａｗｅｌｌｓｙｓｔｅｍｏｆｐｒｅｆｅｒａｂｌｅｓｔａｒｔｉｎｇａｎｄｓｐｅｅｄｔｕｒｎｉｎｇ：ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｒｏｔａｔｉｎｇｔｏｒｑｕｅｒｅａｃｈｅｓ２．５ｔｉｍｅｓｒａｔｅｄｔｏｒｑｕｅａｔ０．２ｔｉｍｅｓｒａｔｅｄｃｕｒｒｅｎｔ．ＳＲＤｃａｎｗｏｒｋｗｅｌｌａｔ０．２ｔｉｍｅｓｒａｔｅｄｓｐｅｅｄａｎｄｇｉｖｅ２．２ｔｉｍｅｓｒａｔｅｄｔｏｒｑｕｅ，ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓ５０％．Ｗｈｅｎｌｏａｄｉｓ５％，ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＳＲＤｉｓ７５％，ｂｕｔｏｔｈｅｒｓｏｎｌｙａｒｅ３０％．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｔｅｌｌｓｕｓ：ＳＲＤｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｔｈｅｗｅｌｌｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＳＲＤ；ｌｏａｄ；ｃｈａｒｏｆｍｏｔｏｒ；ｔｏｒｑｕｅ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　　国内油田游梁式抽油机主要使用三相异步电动机，部分油田试验了永磁、高转差率等类型电动机，以提高电动机对抽油机井工况的适应性，提高系统效率；但是效果都不十分明显。开关磁阻电动机（ＳｗｉｔｅｈｅｄＲｅｌｕｅｔａｎｅｅＭｏｔｏｒＭｏｔｏｒ，简称ＳＲＭ）及驱动系统（ＳｗｉｔｅｈｅｄＲｅｌｕｅｔａｎｅｅＭｏｔｏｒＤｒｉｖｅ，简称ＳＲＤ）诞生于１６０多年前，随着近代电子、微电子技术的发展，其起动与调速性能越来越优良。在煤矿、纺织、机械加工、电动汽车等行业应用的也越来越广泛。在石油系统内也有过相关的应用试验，但是对其基本特性还需要进行评价，分析其对抽油机工况的适应性［１６］。１　开关磁阻电动机基本原理１．１　基本结构原理开关磁阻电动机是开关磁阻电动机驱动系统　收稿日期：２０１４０５１２　基金项目：国土资源部“长庆姬塬油田特低渗透油藏综合利用示范基地”（国土资厅发［２０１１］８８）　作者简介：李　明（１９７８），男，黑龙江安达人，工程师，硕士，主要从事采油工艺技术、井下工具设计、水平井采油技术的研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。的执行元件。与传统电动机原理不同的是其运动遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的“磁导最大原理”，产生磁拉力形成磁阻性质的转矩。控制系统及运转原理如图１所示。开关磁阻电动机定、转子一般采用凸极结构设计，并且定、转子齿极数不相等。定子装有简单的绕阻，径向相对的２个绕阻串联成一相，转子由叠片构成。控制系统根据检测到的转子角位置信息，控制开关器的开与合，定子不同磁极产生相应的磁转矩，带动转子旋转［７］。图１　开关磁阻电动机基本结构与原理１．２　基本特点从结构与原理上看，开关磁阻电动机是一种高速大步距的反应式电动机。转子运转方向与电源换向直接相关，属于转子位置的闭环控制。开关磁阻电动机调速系统具有４个特点：①具有开通角、关断角、相电流幅值、直流电压幅值４个可控参数，调速性能好；②结构简单、可靠，适宜在恶劣下运行；③在宽广的转速和功率范围内均具有高效率输出；④转矩脉动较大［８］。２　室内试验测试利用开关磁阻电动机良好的起动特性与调速性能，替代三相异步机作为游梁抽油机的拖动机构，能够解决在低负载情况下电动机运行效率低的问题。开展磁阻电动机特性室内测试，分析其基本特性，评价其重载起动可靠性与低负载效率状况；与异步机对比分析，评价其整体运行优势。目前，长庆油田在用抽油机配套的电动机功率主要为７．５、１１．０、１５．０、１８．５、２１．０ｋＷ，选择１５ｋＷ开关磁阻电动机，其基本参数如表１所示。试验采用开关磁阻电动机拖动三相异步机方式进行，二者中间连接转矩测试仪。通过增大２台电动机间的速度差实现磁阻电动机负载的变化，异步机采用变频调速，磁阻电动机设计转速为０～１．８倍额定转速。表１　１５犽犠开关磁阻电动机性能参数额定电流／Ａ额定电压／Ｖ额定功率／ｋＷ功率因数额定转速／（ｒ·ｍｉｎ－１）额定转矩／（Ｎ·ｍ）理论效率／％２６３８０１５１７５０１９１９１２．１　电动机机械特性测试在不同转速情况下测试电动机最大输出转矩，无因次转速与转矩关系如图２所示。测试结果显示，开关磁阻电动机在额定转速７５０ｒ／ｍｉｎ以内，其最大输出转矩均能达到额定转矩的１．５倍以上。起动时，电动机最大转矩能够达到２．５倍额定转矩。并且此时电流是额定电流的０．２倍。当电动机转速超过额定转速后，电动机能够达到最大转矩下降，电机恒功率运行。转速超过１．４倍额定转速时，电动机能够达到的最大转矩下降幅度加大。从试验结果分析得，到电动机的第１、第２临界转速分别为额定转速、１．４倍额定转速。图２　开关磁阻电动机机械性能测试·０７·　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年１１月　２．２　负载运行效率测试在不同负载情况下，测试电动机各转速时的效率，分析电动机使用特性。磁阻电动机在额定转速下运行，负载与效率关系如图３所示。开关磁阻电动机负载率５％、１０％时效率分别为７５％、８５％，而异步机仅为２０％、４０％。测试结果显示开关磁阻电动机具有良好的运行特性，在不同负载情况下，能够保持较好的运行效率。图３　开关磁阻电动机运行特性　　测试不同转速与负载情况下电动机的效率，结果如图４所示。当电动机转速为０．２倍额定转速时，在不同负载情况下其效率在５０～７０％；当转速达到０．４倍额定转速以上时其效率均在７０％以上。图４　不同转速与负载情况下电动机的效率曲线２．３　与变频调速对比分析在相同转速与负载情况下对开关磁阻电动机调速系统与变频调速系统进行空载损耗、起动电流、运行效率方面对比分析，结果如图５及表２所示。磁阻电动机较变频系统空载损耗低近４０％。在高负载时开关磁阻电动机运行效率与变频系统相当，在低负载时，开关磁阻电动机运行效率比变频系统高近２倍。图５　开关磁阻电动机与变频调速系统空载损耗对比表２　不同转速与负载情况下的运行效率％转速／（ｒ·ｍｉｎ－１）负载率／％３０６０１００开关磁阻电动机４５０８４．０８６．０８１．０变频调速３９．３３７．８７８．５开关磁阻电动机６００８４．０８６．０８８．０变频调速２９．７３６．５８５．０开关磁阻电动机６７５８９．０８８．０９２．０变频调速２９．８４２．８８６．１开关磁阻电动机７５０８３．０９０．０９３．０变频调速２９．９４４．５１００．０２．４　开关磁阻电动机机械特性与抽油机运行对比游梁式抽油机起动时，其需要的转矩可能是正常运行时的２～３倍，而正常运转时，电动机的负载率一般低于３０％，这使得电动机的运行效率较低。开关磁阻电动机具有高起动转矩、低负载高效的特点，与抽油机的运行特点相适应，能够较好的提高运行效率。３　结论１）　开关磁阻电动机具有较好的起动特性，在低电流情况下能够输出较大转矩。２）　低负载及不同转速情况下，开关磁阻电动机都具有较高的运行效率。３）　与变频调速系统相比，开关磁阻电动机具有较低的空载损耗，同时在低负载低转速时，具有更高的运行效率。参考文献：［１］　冯子明，张金东，顾慧彬，等．抽油机用电动机节电特性试验研究［Ｊ］．石油矿场机械，２０１３，４２（７）：５５５８．［２］　杨培东，王建华，许敏，等．机械采油高效拖动装置应用分析［Ｊ］．石油矿场机械，２０１３，４２（１１）：９０９２．［３］　白连平，白实．抽油机电机质量的评价方法［Ｊ］．石油矿场机械，２００９，３８（３）：２０２２．［４］　姜民政，董康兴，孙振旭，等．抽油机系统地面装置效率试验研究［Ｊ］．石油矿场机械，２０１１，４０（４）：５４５６．［５］　张军，韩兵奇，刘宗恩，等．抽油机节能方案研究［Ｊ］．机电工程技术，２０１０，３９（８）：６１６４．［６］　孙振兴．开关磁阻电动机调速技术研究［Ｄ］．济南：山东大学，２０１０．［７］　孙珊．开关磁阻电动机工作原理及其调速系统概述［Ｊ］．科技广场，２０１０（５）：２２８２３０．［８］　唐任远．中国电气工程大典（９）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８．·１７·　第４３卷　第１１期　　　　　李　明，等：抽油机拖动用开关磁阻电动机试验测试与评价