开关磁阻电机应用于抽油机的基本节电分析

目前各油田的抽油设备90%以上为常规游梁式抽油机, 其存在的主要问题是电动机能耗大、运行效率低, 同时游梁式抽油机在运行的过程中存在一些缺陷, 不仅影响游梁式抽油机的运行质量, 还造成了严重的能源浪费。

游梁式抽油机是机、杆、泵组成的复杂系统, 而且上下冲程固定单一造成采油效率低下, 根据其运行特点, 分析游梁式抽油机传统电动机在运行中, 产生严重资源浪费现象的因素, 主要体现在:

(1) 游梁式抽油机的连接是刚性的, 在运行的过程中会因为载荷过大, 造成能量的损失, 导致游梁式抽油机运行中没有较好的平衡性能。游梁式抽油杆有非常大的冲击性, 而且其运行呈现周期交变, 转矩非常大, 在一个运行周期之内, 会发生非常大的负载变化。 (2) 在抽油机使用过程中, 是处于一直工作的状态, 而游梁式抽油机在运行的过程中, 其中的曲柄也在不同的运动, 而且运行的角度在不停的变化中, 不同的角度, 其产生的运行平衡效果不同, 因此在游梁式抽油机运行中, 因为平衡无法保证, 所以造成能源浪费。 (3) 游梁式抽油机的运行是有周期性的, 在完成一个周期的运行过程中, 抽油机的冲程负荷保持不平衡的状态, 而且上下冲程的负荷平衡性有很大的差异, 进而在运行的过程中, 因为负荷的不平衡造成能源的浪费。

在油田作业中, 使用最为广泛的抽油机就是游梁式抽油机, 这种类型的抽油机运行特点和目前的使用现状, 所采用电动机应具有以下特点: (1) 电机损耗小; (2) 电动机的运行速度可以稳定的变化调节, 而且有非常宽的速度调节范围, 因此抽油机使用这种电动机可以在不同的油井要求下进行运行速度的调节; (3) 其采用的电动机运行方式是软启动, 这种启动方式将启动中对抽油机自身产生的冲击减小, 进而将抽油机变压器、电机等设备的容量降低, 不影响抽油机的正常运行和受用寿命。在油井工作中需要满足这些运行特点的抽油机自身有非常高的功率因数和运行效率, 这样才可以保证抽油机的运行质量。同时在这个特点下抽油机的各个部件例如、机、杆、泵等可以进行完美的结合将抽油机的工作效率提升。将这些优点集合在一起, 体现在一个系统上, 将这个系统应用到抽油机中进行工作, 可以大大的提高油井的抽油质量和抽油效率。开关磁阻电机驱动系统就是集合这些优点于一身的电机驱动系统, 这种新型的电机驱动系统, 在当前的抽油机领域是运行效果最好的动力系统, 也是最理想的动力系统, 开关磁阻电机驱动系统在抽油机领域具有非常大的作用和研究意义。

一、开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电动机外型与普通鼠笼电动机基本一致, 但内部的定转子结构与感应电机大不相同, 另外为满足控制需要, 还在电机后部增加了转子位置传感器。开关磁阻电动机的铁芯是将硅钢片进行相关处理后, 压入到定子风冷机壳中, 形成风冷电动机。开关磁阻电动机使用的电动机类型是12/8极SRD, 这种电动机的定子和转子具有相同结构, 均是凸极式结构造型, 但是定子和转子也有不同之处, 定子和转子的齿和槽是相同的, 定子上的齿和槽均为12个, 而转子上的齿和槽只有8个。

开关磁阻电动机的铁芯的每一个极上都有每一个绕组, 在定子铁芯每个极上的绕组为集中绕组, , 绕组是多股并绕的软线圈, 位于定子的槽中, 并有环氧酚醛玻璃板将其固定, 在定子绕组和定子铁芯之间设有一个槽绝缘, 而且同一个定子槽中相临两个极的绕组, 也有绝缘设置。和定子不同的是转子没有绕组。槽绝缘和相绝缘材料均为F级。传感器板通过输出线向SRD控制单元提供电动机的转速、转向和角位移信号, 该输出线引到电机出线腔的接线方式为一个圆形接线座。

二、开关磁阻电机系统的节电特性和原理

1. 自动检测负载, 调整电流

开关磁阻电机的控制调速系统在抽油机运行中, 通过智能程序和感触装置, 适时、自动检测抽油机所需功率和扭矩, 并据此向电网取所需大小的电流, 而不是不论负载如何, 总是消耗较多电流, 无论在何种状态运行, 都不存在倒发电, 冲击电网现象。因此, 从本质上实现了在游梁式抽油机上的节电。

2. 本身是一种最优秀的高效率电机调速系统

开关磁阻电机系统集合了众多优点于一身, 使其成为一种高效率的电机调速系统。在开关磁阻电机系统中电动机的绕组没有发生铜损, 而且电动机有非常多可以控制的参数, 这些参数可以灵活的进行调整, 在其允许的运行速度范围内, 以及不同的负载下实现电动机的高效控制。例如37k W SRD, 该电动机系统在不同的速度下, 其运行效率均在80%以上, 有效的保证了电动机的运行效率。开关磁阻电机系统和PWM变频器电动机系统相比, 该系统的运行效率在不同的转速、负载等条件下, 均比PWM变频器电动机系统的高, 而且运行效率高5~15%不等。

3. 调速范围宽, 低速范围, 效率高

开关磁阻电机从最低转速到最高转速的范围内均可带载长期运行, 在开关磁阻电机系统非常宽的转速范围和运行效率范围内, 开关磁阻电机系统有非常高的输出效率。即使开关磁阻电机系统的转速和负载转矩变化范围发生较大变化, 其都能稳定在高水平, 可以有效的提高抽油机的运行效率, 实现节能和降低采油成本。以37KW电机为例, 平均都可以达到83%的综合效率, 额定点负载可以达到95%的效率。

4. 开关磁阻电机系统在启动时, 具有小电流大扭矩

开关磁阻电机系统中的控制系统, 其控制器会在开关磁阻电机系统启动时从电源中吸收较小的电流, 同时在电动机那里获取较大的转矩, 进行自身的启动。例如当控制器的启动电流是开关磁阻电机系统电源额定电流的15%时, 在电动机那里获取的启动转矩为100%的额定转矩;控制器的启动电流是开关磁阻电机系统电源额定电流的30%时, 在电动机那里获取的启动转矩为150%的额定转矩。由此可以得出开关磁阻电机系统非常适合在油井抽油机中使用, 或者在运行时间较长、运行速度较低、载重加大的抽油机中使用。