抽油机专用永磁同步电机及其系统的研制
油田抽油机用永磁同步电动机高效运行研究
布 了Ｑ ／ Ｓ Ｈ ０ ４ ５ １ —２ ０ ｌ ２《 抽 油 机 用 永 磁 同步 电动 机
２ ） 电 流下 降使 得 线 路 损 耗 下 降 。变 压 器 至 电
中国石 油 、中 国石 化 联合 组 织技 术专 家 历 时两 配 套 三 相异 步 电 动机 功 率 降低 ｌ ～ ２ 个 功率 段 。 每 台 年 ，测 试 抽 油 机 用 各 类 电 动 机 ２ ０ ０ ０余 台 ，分 析 总 ３ ０ ｋ Ｗ 永 磁 高 效 同步 电 动 机 替 代 ５ ５ ｋ Ｗ 异 步 电 动
第 一 作 者 简 介 ： 于 治 华 ，高 级 工 程 师 ， １ ９ ９ ４ 年 毕 业 于 青 岛 建 筑 工 程 学 院 ，从 事 电 动 机 节 能 控 制 和 永 磁 同 步 电 动 机 研 究 工 作 ，Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ｙ ｕ ｚ ｈ ｉ ｈ ｕ ａ ６ ７ ８ ９ ＠１ ６ ３ ． ｅ ｏ ｍ，地 址 ： 山东 成 华 电 子 科 技 有 限 公 司 生 产 技
电 动 机 ，任 何 抽 油 机 上 都 可 以 应 用 ，节 电效 果 最 不 改变 原来 供 电设 备 的基 础上 ，增 加 系统 的供 电能
１ 油 田应 用 永磁 同步 电动机 经 济 效益
分 析
标 准 起 草专 家测 试 总结 分 析 ，抽油 机 专用 永 磁 行 ，低 压侧 不 需要 增 加任 何 电容补 偿 ，就 可 使线 路
术 部 ，２ ７ ６ ８ ０ ０ 。
不 同额 定功 率 （ ２ ２ ｋ Ｗ、３ ０ຫໍສະໝຸດ ｋ Ｗ ） 和 不 同 转 速
抽油机直驱电动机的现场应用及效果
随着石油行业的发展和节能要求的增加，常规游梁式抽油机井节能改造形成了以更换节能拖动装置、参数优化为主的技术措施，但其地面设备节能挖潜空间越来越小。
通过系统分析，在抽油机的驱动环节研发应用了永磁半直驱电动机，该电动机具有低转速、大力矩、运行效率高等特点，由永磁同步电动机、配套的控制箱及支撑部分组成[1]。
随着低速电动机的发展，在永磁半直驱电动机的基础上，研发了抽油机直驱电动机，抽油机举升方式仍以游梁式抽油机为主。
与永磁半直驱电动机对比，取消了减速器部分，电动机直接驱动四连杆机构，通过变频器控制实现需要的冲次数，减少了游梁式抽油机的结构部件，具有简化结构、减少维护部件、运行平稳、节能效果等优势。
抽油机直驱电动机的现场应用及效果许立红李青竹刘士玉姜冬梅（大庆油田有限责任公司第四采油厂）摘要：常规游梁式抽油机在节能改造方面形成了以更换节能拖动装置、参数优化为主的技术措施，未改变其能量传递方式，存在节能挖潜空间逐渐减少的问题。
因此，开展抽油机直驱电动机的现场试验。
采用抽油机直驱电动机直接驱动游梁抽油机四连杆机构传动，减少了减速箱、皮带传动部分，系统简单，机械效率明显提高。
试验结果表明，抽油机直驱电动机节能效果显著，噪音得到了有效降低，与普通游梁抽油机比较，功率因数和系统效率均得到较大提高。
解决了常规游梁式抽油机受四连杆机构固有特性的影响，传动效率低，系统能耗高的问题，年节约电量2.30×104kWh，年创经济效益1.47万元，为抽油机井降低能耗提供了技术支撑。
关键词：抽油机；直驱；电动机；机械效率DOI :10.3969/j.issn.2095-1493.2022.07.011Field application and effect of direct drive motor in pumping unit XU Lihong，LI Qingzhu，LIU Shiyu，JIANG Dongmei No.4Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co ．，Ltd ．Abstract：In view of the problem that technical measures of replacing energy-saving drive system and optimizing parameters didn't change the way of energy transfer in conventional beam pumping unit，the field application test of direct drive motor in pumping unit is carried out．The direct drive motor in pumping unit directly drives the four bar mechanism of beam pumping unit，which reduces reducer casing and belt pulley and improves the efficiency significantly．The research results show that energy-saving effect of direct drive motor in pumping unit is obvious and the noise of pumping unit is effective-ly reduced．Compared with conventional pumping unit，the power factor and system efficiency are greatly enhanced．The direct drive motor has solved the problem of low transmission efficiency and high energy consumption of conventional pumping unit，caused by the four bar mechanism．With an-nual energy-saving 2.30×104kWh and annual economic benefits of 14700yuan，the direct drive moter provides technical support for energy-saving in pumping unit．Keywords：pumping unit；direct drive；motor；energ-saving 第一作者简介：许立红，高级工程师，1994年毕业于大庆石油学院（采油工程专业），从事机采节能管理工作，131****8120，***********************.cn，黑龙江省大庆市红岗区红岗西街6号工艺研究所水驱机采室，163511。
试析永磁电机应用在抽油机中的原理与效果
试析永磁电机应用在抽油机中的原理与效果作者：丁阿曼来源：《中国科技博览》2013年第25期[摘要]抽油机是将原油从地下抽到地面上来的设备。
本文通过对抽油机的负荷特点及托运现状的分析，得出抽没机普遍彩的异步电动机都存在着严重的电能浪费现象。
从而得出永磁电机应用在抽油机中的节能效果还是很明显的。
[关键词]永磁电机抽油机中图分类号：TE933.07 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0273-01抽油机是将原油（含原油的液体）从地面（几百米至几千米）抽到地面上来的设备。
抽油机虽然型号不同，传动系统也不同，但都是由电动机驱动工作的，它的功能是将电动机的旋转运动转变为往复直线运动。
抽油机的分类比较多，油田上用的最广泛的是游梁式抽油机。
它是一种变形的四连杆机构，其整机的结构犹如一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷，而且由驱动电机经复杂的齿轮减速机构进行往复运动。
电动机轴上的负载转矩是油井负荷与平衡转矩的合成转矩。
游梁式抽油机是一种带有冲击性的周期交变负载，其启动转矩大，在一个周期内负载波动大，抽油机停车后总是从负荷最重的点开始启动，为了使抽油机启动顺利，常按抽油机的最大负荷来选配电动机，也就是要求驱动电动机在选择容量时留有足够的余量，以保证带载启动时能克服抽油机较大的惯性扭矩，以满足启动要求。
在运行时有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩，这就造成了运行过程中大多数情况下电动机处于轻载状态，运行效率和功率因数都很低，从而使电动机非常耗电。
所以，为达到降本增效的目的，大力推广抽油机节能技术势在必行。
近年来，国内各油田陆续采用了各种节能方法，取得了不少成果，其中比较成功的是高转差电机。
抽油机负荷周期性波动时高转差电机的转速波动也很大，转差变化范围在10%～26%，高转差虽然改善了抽油机的受力有不少优点，但从节能的角度看是不利的，不仅使转差损耗增大，也使过渡过程损耗增加，而稀土永磁同步电动机在节能方面的优点显著。
永磁同步电机在抽油机负荷中的应用
取更换低等级功率 的永磁电机或采取异步机和电容补偿柜相 配套的办法来提高功率 因数 。我们采取 了更换
的目的。但在使用过程中发现 ， 永磁电机运行状况的好坏与负载率 、 电压质量及抽油机平衡率等多项 因素有
关。
１ 永磁 同步 电机工作原理
永磁同步电动机与三相异步电动机结构相同 ， 定子为三相对称绕组 ， 子上粘有磁 钢， 转 是一种异步启动
的同步电机 ， 由转子交流启动后牵入同步运行 ， 类似于交流同步 电机 。其运行是靠定子线圈在气隙中产生旋 转磁场与已充磁的磁极作用 ， 带动转子与旋转磁场 同步旋转而做功。其转子等效为电阻电路 ， 故功率 因数
低等级功率 ２ｋ ２Ｗ的永磁电机 ， 负载率提高到了 ５ ％， ０ 功率因数也达标了。以下是更换前后数据对比见表 ２ 。
表 ２ 电机更换前后运行参数对 比表
４ 处 理 措 施
通过 以上情况可以看出， 油井 的平衡率 ， 运行 电压的稳定及负载率 的高低是保证永磁同步电机 良好运行
状态 的前 提 。
高， 因无励磁电流 ， 其空载损耗小 ， 效率可达 ９ ％ ， ６ 较三相异步电动机高。
２ 影响永磁 电机耗 电量的 因素
由于目前油井多采用游梁式抽油机或皮带式抽油机 ， 而油井泵挂深度 、 油质 的粘度 、 液量的多少等多项
动态变化的因素 ， 导致抽油井很难达到理想的平衡状态 ， 负荷为交变负荷 。由于永磁电机的结构所制约 ， 如 果抽油机平衡率不达标 ， 永磁电机 的倒发电现象比异步电机还要严重 ， 目前油井用 电的计量结算方式普遍 而
一种适用于抽油机的永磁同步电动机的研发
（ １ ． 东北电力大学 电气工程学院 ， 吉林 吉林 １ ３ ２ ０ １ ２ ； ２ ． 山东大学 电气＿ ３ ２ 程学院 ，山东 济南 ２ ５ ０ ０ ６ １ ）
摘
要： 针对 目前 油田抽 油机正 常运行 时 ， 负载只有额 定 负载 的 ２ ０ ％一 ３ ０ ％， 此 时感应 电动机 的效 率
第 １ ７卷
第 ２期
电 机 与 控 制 学 报
ＥＬＥＣＴＲＩ Ｃ ＭＡＣＨＩ ＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ
Ｖｏ １ ． １ ７ Ｎｏ ． ２ Ｆｅ ｂ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 ２月
一
种 适 用 于抽 油 机 的永磁 同步 电动 机 的研 机 ；高起 动转 矩 ；经济 运行
中图分类号 ： Ｔ Ｐ２ ４ ２ ， Ｔ Ｐ２ ７ ３ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７ — ４ ４ ９ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ９ ８ —０ ５
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ
和功率 因数都很低 ， 造 成 电能 大量浪 费的 问题 ， 研 究 了提 高永磁 同步 电动机 的起 动转 矩、 效 率 以及 扩
大经济运行 范围的措施 ， 制定 了高效 高起动 转矩永磁 同步 电动机设 计准则 ， 研发 了 １台 ２ ２ ｋ Ｗ、 ６极 高
效高起 动转矩永磁 同步 电动 机样 机 。试 验 结果 表 明 ， 该 永磁 同步 电动机 完全 可以替 代抽 油机 用 ３ ７ ｋ Ｗ、 ６极 感应 电动机 。研发 的 电机性能 高 ， 已经在 油田推广使 用 ， 大大减 少用 电量 ， 节 能效果显著。
抽油机用永磁同步电动机制动装置的研制
一
机
械
６６ 一
Ｃ ＩＡＰＴ Ｏ Ｅ ＭＭ Ｃ ＩＥ Ｙ ＨＮ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ａ ＨＮ Ｒ
２１ ０ ０年
第３ ８卷
第 ５期
新 产 品 开 发
抽 油机 用 永磁 同步 电动机 制动 装 置 的研 制
董 明霞 董艾 平
（ 利 油 田 分公 司技 术检 测 中心 ） 胜
与永磁 同步 电动机 的输 入端 连接 。其 中主控 制 电路 为 Ｔ 的 ＭＳ ４ ０单 片机 ，还 与储 能 电源 连接 。 Ｉ Ｐ３
１２ 工 作原理 ．
２ 试 验及 应用
２ １ 室 内试验 ．
永磁 同步 电动 机制 动装 置 的工 作原 理 ：永磁 同 步 电动机 在制 动和再 生发 电状 态产 生 的过 电压远 高 于 电动机 的额 定工 作 电压 ，尤 其 是 断 开 主 回路 后 ， 过 电压 是额 定 电压 的数倍 ，制 动装 置将额 定 电压 的 １１ ．５倍设定 为 门 限值 ，超 过 门限 值 就 自动 投 切 能 耗制动 电阻 ，吸 收过 电压 ，保护 电动 机和控 制 柜安
率 比正常运 行所需 的电动机 功率 大 ２个 功率 等级 甚
至更 多 ，造 成拖 动系统 电动 机 的负载 率低 、功率 因 数低 和 电动机效率 低 ，因此 具有启 动转 矩大 、高 效
１ 技 术分 析
１ １ 制动 装置 的组成 ．
区宽 和功率 因数 高等优 点 的永磁 同步 电动机 逐渐 被
摘要 目前 抽油机 用永 磁 同步 电动机 因停 电或故 障停机 时 ，会 产 生 能量 倒送 ，使 得 电动机 高
速 反转 ，在 电动机输 出端 形成 高压 电势 ，如 不及 时处 理 ，会 导 致 电动 机 线 圈击 穿 、烧 毁和 控 制柜 烧毁 等严 重事 故 ，为 此研 制 了抽 油机 用永磁 同步 电动机 制 动装 置 。该 制 动装 置 包括 制 动 电 阻 、信
永磁电动机在抽油机上应用分析
永磁同步电机在抽油机上应用分析技术检测中心2005——11永磁同步电机在抽油机上应用分析引言近几年永磁同步电动机在抽油机上的试用和分析研究证明，永磁同步电动机在抽油机上使用具有启动转矩大、效率高、功率因数高等优点，这些优点已被大家所公认。
然而，由于特殊的抽油机工况，永磁同步电动机在抽油机上的应用有其特殊性，如果不掌握这些特性，在实际使用中永磁同步电动机的优点就不能充分发挥出来，就不能达到最佳节电效果。
近几年永磁同步电动机在胜利油田的抽油机已有一定规模的推广应用，显示出许多独有的特性，掌握这些特性对用好永磁同步电动机十分必要。
应用情况分析1.应用情况2000年在抽油机上试用永磁同步电机，2001年做小规模先导试验，2002年开始一定规模的推广应用，到2005年6月我们胜利油田已在4个采油厂推广应用永磁同步电机2024台，累计节约电量5500多万kW.h，平均功率因数大于0.9且大部分呈容性。
节电测试统计数据（见表1）。
表1 2024台永磁同步电机与Y系列电动机节电参数比对表2.故障率调查统计2004年底，对在用2年以上的1356台永磁同步电动机作了跟踪调查和统计，有1189台一直运行良好，167台先后出现故障，其中断轴32起，轴承损坏113起，退磁2起，年故障率6.16%，低于10家采油厂Y系列电动机的年平均故障率8%。
在故障电机中：机械故障约占90%，电气故障约占10%。
3.关于退磁问题永磁同步电动机机在抽油机上的应用，人们最耽心的是退磁问题。
为此，笔者从正在抽油机井场运行2年以上的永磁同步电机随机抽取5台进行解剖，拆出所有永磁体，从每台中随机抽取4——5块，共抽取23块永磁体型号为（NTP33SH）。
用中国计量科学院生产的NIM——10000H大块稀土永磁无损测量装置测试23块永磁体的剩磁、磁感矫顽力、内禀矫顽力、最大磁能积，测试结果见表3。
从测试结果可以看出，随机抽取的5台电机23块永磁体，所有磁性参数都达到国家标准。
抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机设计
步 电动机 在 ３ ％Ｐ 附近 效率 迅 速 下 降。永磁 同步 ５ Ｎ
行范 围宽 ， 异步 电动 机难 以满足要求 ， 成电能的浪 费。 造 为替 代异 步电动机 和满足 高效 、 高起动转 矩和 宽经 济运 行范 围的要求 ， 进行高效 、 高起 动转 矩２ ｋ ６ 永磁 同 ２ Ｗ、 极
ｔ ｋ ｉ ｄ ｔ ｎ ｔ ｆ ｌｃ ｒｃｅ ｅ ｇ ｓｅ ． ｎｏ ｄ ｒ ａ ｅｔ ｓ ｕ ｙ ａ ｄ ａ ｌ ｅ ｔ ｉ ｎ ｒ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ｉ ｗａ ｔ ｄ Ｉ ｒ ｅ ｈ ｏｏ ｅ ｓ
ｔ ｖ ｌ ｈ ｇ ｅ ｃ ｅ ｃ ＰＭ ｙ ｈｒ ｎｏ ｏ ｏ ｉｈ ｏ ｄｅ ｅｏｐ ｔ ｅ ｈｉ ｈ— ｆ ｉ ｎ ｙ ｉ ｓ ｎｃ ｏ ｕｓｍ ｔ ｒｗ ｔ
动机 ， 抽油机对 电机的要求是大起 动转 矩 、 高效
率和宽广的经济运行范围。 为满足大起动转矩的 要求， 采用大容量的异步电动机， 而抽油机正常工 作时负载较小 （ 一般为额定功率Ｐ 的３％） 效率 Ｎ ０ ， 和功率因数很低， 造成电能的浪费。
与异 步 电动 机 相 比 ， 永磁 同步 电动 机 应 用 将
越来 越广 泛的应 用。
目前， 油田抽油机 的配套 电机是三相异步电
为达 到高起 动转 矩和宽经济运 行范围的要
求， 本文 对影响起动转矩 、 经济运行的因素进行 研究 ， 给出抽油机用高效 、 高起动转 矩永磁同步
电动 机 设计 准 则 。 对上 述 电机 进 行了 设计 和试 并
验。
ｓ ｂ ｔ ｕ ｅ ａ ３ ｋ ｏ ｅ Ｍ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒ ｗｉ ｅ ｕ ｓｉ ｔ ７ Ｗ ６ ｐ ｌｓ Ｐ ｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｍｏ ｏ ｔ ｒ — ｔ ｈ
油田抽油机电机节能运行技术研究
3171 油田抽油机电机节能运行技术研究1.1 无功补偿在抽油机中所采用的驱动装置均属于感性设备，这势必会造成电机在运行过程中存在功率因数低、线路能耗大、无功功率大等现象，从而导致抽油机的能耗大大增加，这不利于油田领域的可持续发展，现阶段，在所有抽油机电机节能运行技术中，以无功补偿技术的节能效果最好，该技术是通过补偿电容器的设置来实现无功补偿的。
1.2 调整电机容量抽油机在启动时，其扭矩较大，由于在对稀油井或低产油井进行开采时往往不需要较大的扭矩，这就造成抽油机中的电机在容量不变时，存在极大的能源浪费问题。
如果对电机容量进行调整，使其电机容量得以相对较低，便可提高电机工作效率，从而使电机的损耗大大降低。
在对电机容量进行调整时，主要是在电机启动时，将接线设置为角接方式，当电机正常运转后将接线方式设置为沿边三角形接法或星接，通过接线方式的转换来实现对电机中电流大小的自动转换，这样能够使电机在稀油井或低产油井中运行时，能够起到非常明显的节电效果。
1.3 电机电压的自动化调节依据电机在运行过程中的电流大小及其功率因数，对电机中晶闸管的导通角进行调整，使以往抽油机中电机的电压得以改变，并对电机的容量进行调整，能够使电机的运行效率大大提高，进而起到良好的节能效果。
当然，该技术也存在较大的弊端，这是因为调整晶闸管导通角，会使电压的波形发生改变，进而产生大量的谐波，此时晶闸管如果是深度导通，必然会造成电机发热现象严重，进而产生较大的热损耗，而且还会对电网产生较大的污染。
因此，在对该技术进行应用时，必须要对晶闸管导通角的深度予以控制，同时利用测量仪表对滤波进行测量，以此避免热损耗大量增加情况的出现。
1.4 抽油自动化控制装置在抽油机电机节能运行技术中，可通过抽油机在井下的供液能力检测来对电机的启动或停止状态进行控制，从而使抽油机实现全自动化的间歇抽油。
当抽油机在井下的供液能力较强时，电机可进行快速抽油，而当井下的供液能力较弱时，电机可停止待液。
永磁同步电机控制系统的
03
永磁同步电机控制策略
Chapter
矢量控制策略
总结词
矢量控制是一种广泛应用于永磁同步电机控制的高 效控制策略，通过将电流分解为两个正交分量，实 现转矩和磁通的控制。
详细描述
矢量控制的核心思想是将三相电流分解为两个正交 分量，即直轴电流和交轴电流。通过控制这两个分 量，可以独立控制电机的转矩和磁通，从而实现高 性能的电机控制。
02
永磁同步电机控制系统
Chapter
永磁同步电机控制系统的组成
01
控制器
用于发出控制指令， 以控制电机的转速和 扭矩。
02
驱动器
将控制器发出的指令 转化为电机的实际运 转。
03
传感器
检测电机的转速、位 置和电流等参数，反 馈给控制器。
04
电源
为整个系统提供电力 。
永磁同步电机控制系统的原理
通过控制器控制驱动器，使电机按照预设的转速和扭矩运 转。
发展
随着电力电子技术、微处理器技术和控制理论的发展，永磁 同步电机的性能不断提高，应用领域也不断扩大。
永磁同步电机的基本结构
01
02
03
定子
定子是电机的固定部分， 主要由铁心、绕组和机壳 组成。
转子
转子是电机的旋转部分， 主要由永磁体、导磁体和 转轴组成。
控制器
控制器是电机的控制系统 ，主要由电力电子器件、 微处理器和传感器组成。
Chapter
永磁同步电机控制系统的发展趋势与展望
要点一
总结词
要点二
详细描述
永磁同步电机控制系统在新能源领域具有广泛的应用 前景。
永磁同步电机电磁设计及优化研究
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油田专用双速电机研制与应用
转 速使 电动机 为某 一 指定 值 。异 步 电 动机 的转 速 可
表示 为 ：
， ｌ ＝
式 中
６ （－）ｐ ； １ ｓ／
的 电动机转 速 下 ， 以更 换皮 带 轮 直径 的方 式 来调 节 抽 油 井 的冲次 。 梁油 田陆 ９井 区使 用 的多 为 ８级 单速 陆
电动机 ， 电动 机 轴 径及 转 速 的 限制 ， 油 机 的调 参 受 抽 范 围只有 在 ４ ５ ６三个 冲次 之 间进行 转换 。由于电机 、、
业 要 求 安 装 在 陆 ９井 和 Ｌ ８ ４ Ｕ ｌ ５两 抽 油 井 上 进 行 试
能 否在 原抽 油井 上 实 现用 更低 、更 多的 冲 次可选 ， 以
满 足 油 田生 产要 求 ， 达 到此 目的必 须采 用倍 级 比双 要
运行， 以考察 测试 其 运 行 状 态 、 全 性 能 及 运 行 技 术 安 指 标 ，０ ４年 ３月 ９ 日由 中 国石 油天 然 气 集 团公 司 ２ｏ
２或 ４３调 速 以及三 速和 四速 电机 。 ：
２ 变 极 调 速 原 理
所 谓 异步 电动 机调 速 是 指在 某 一 转矩 下 ，调 节
３ 油 田专 用 双 速 电机研 制 的必 要 性 、 可 行 性
３１油 田专 用 双 速 电 机研 制 的 必 要 性 ．
目前油 田广 泛 采用 调 参 方 式是 抽 油 机 井 在 固 定
的。
０ Ｍ
经 过 近 ２年 在 陆梁 油 田 ６ ０口抽 油 井 的安 装 使 用 ， 经 国家权 威 部 门测试 认 可 ， 田专 用 双 速 电机 并 油
研 制 与应用 项 目是 成功 的 。 图 １ 变 极调 速 时的机 械 特性
应用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置效果分析
徐达：应用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置效果分析第9卷第5期（2019-05）游梁式抽油机工作时，由电动机提供动力，经皮带传动系统、减速箱与四连杆机构等，带动抽油管柱上下往复运动。
皮带传动系统在工作中极易出现下列问题：因恶劣天气因素易出现皮带打滑、丢转和烧毁现象，降低了抽油机机械传动效率，同时也影响生产时率；因皮带传动会给减速箱输入轴施加一个单边拉力，造成减速箱轴承及支撑件受力不均问题，从而出现偏磨现象，降低了零部件使用寿命；也增加了工人的劳动强度和维护成本。
同时，由于设计上需考虑抽油机高负载启动问题，致使出现电动机装机功率偏大而运行时出现低效运转的现象，造成能耗的浪费[1]。
目前油田开发已进入中后期，产液量不同程度的下降，调小地面参数工作量较大。
针对问题，某厂逐渐采用抽油机用永磁半直驱同步拖动装置，提高机械传动效率，避免因调节参数、更换皮带造成油井停产，影响产量和增加维护成本，实现节能降耗的目的[2]。
1设备功能简介抽油机用永磁半直驱同步拖动装置由永磁半直驱同步电动机、多功能调速控制箱、连接及支撑系统组成。
电动机设计采用的是低速大转矩永磁同步电动机，不存在滑差，转速平稳，不因负载加大而丢转，因电动机启动力矩大，平衡块在任何位置都可以启动、停机。
多功能调速控制箱是根据电动机的工作特点设计的一体化变频控制箱，旋钮控制转速调节，操控面板直接显示电压、电流、转速等参数。
永磁半直驱同步电动机直接安装在减速箱输入轴上，取消了皮带传动系统，图1和图2分别为安装示意图和变频器操作界面。
装置工作时，通过控制箱控制电动机启停，在控制箱变频控制作用下，可以实现电动机软启动[3]。
图1电动机安装位置图永磁半直驱同步拖动装置具备如下特点:1）可以通过调整电动机频率来调节抽油机冲速，最低冲速可以达到0.1次/min，根本上解决间抽油井和贫油油井参数下调困难的问题。
2）采用高效稀土永磁半直驱同步电动机，运行效率较高，低负载率时的效率明显高于异步电动机。
用于往复式抽油泵的永磁直线同步电机控制系统设计
的形 状 和尺寸 可 以灵 活 多变等 特点 ．以它 为基础
收稿 日期 ：０ ７ ０ — ６ ２ｏ—９２
构 。在 永 磁 同步 直 线 电机 中 ，一 般 称 初 级 为 定
子 ，次级 为动子 。
１ ． 系统整体 构成 ２
耗 电量 占油 田总耗 电量 的２ ％～ ０ ０ ３ ％。随 着多数 油 田相继 进入 开发 中后期 ，井 况变得 更 加 复杂 ，近
年来 出现 了各 种节 能 型抽 油机 ｆ 双 驴头 游梁 式 如 抽 油机 、渐 开 线游 梁 式 抽 油 机等 ） ，但 是 它 们 并
未完 全解决 常规 机存 在 的问题 ，其 复杂 的传 动结
０ 引 言
采油 设备一 直是 油 田的主要 耗 能设 备 ，常规
研制 和开 发 的永磁 直线 电机抽 油机 能够 大大 提高
效率 ，有效 地节 约能源 。
本 文介 绍 了利 用 Ｔ公 司的 电机 控 制专 用 Ｄ Ｐ Ｉ Ｓ 芯 片Ｔ Ｓ ２ Ｌ ２ ０ Ａ 对永 磁 同步直线 抽 油 电机 Ｍ ３０ Ｆ４ ７ 来
子绕 组所 构成 的磁场 极性 情况 ； （）表示 转变成 ｂ 扁平 型直 线 电机后 ，初级 绕组所 构 成 的磁场 的极 性分 布情 况 ， （ ｅ ）表示扁 平直 线 电机沿 着 直线运 动 的垂直方 向卷接 成筒状 ，即圆筒型 直线 电机 。 本文 中的永磁 同步直 线抽 油机 就是 圆筒 型结
本 系统 硬 件 电路 中 的 电机 控 制 采 用 典 型 的
５ 电手 元 嚣 件 主 用 ２ ０ ． ｆ ． ｄ ｃ ０ ０ ８ ｗ ） ｅ ￣ ｎ ２ ｗ ￣ｃ
油田开采永磁电机稳定生产技术整合应用
油田开采永磁电机稳定生产技术整合应用2010年03月30日资源网一、来源油田抽油机广泛采用的永磁同步电机功率因数高，节能效果明显，己经成为一项重要的节能技术。
但是由于永磁同步电机特性及使用过程中存在一些问题，现场应用受到一定限制。
如电压低不易启动，电压高则易失磁；目前普遍采用的CJ20系列交流接触器自身耗电较多且启动时存在振颤现象，易导致触头烧蚀吸合不好；加之日常存在的不规范操作，如安装皮带轮及调整电机时剧烈震动、惯性启动操作等对电机造成伤害，甚至是不可逆失磁。
永磁电机失磁后导致功率因数下降，耗电量增加，被迫进行无功补偿或闲置待修。
这样既影响了节能效果，也造成了成本浪费。
因此对永磁电机稳定生产措施进行整合研究，提高永磁电机的适用性，减少对永磁电机性能造成伤害，才能充分发挥永磁电机节能优势，节约成本。
2009年在对以往永磁电机运行数据进行分析的基础上，开展攻关研究，整合应用了四方面成果：一是研制无敲击电机、滑轨移动器，减少对电机的震动伤害；二是引进永磁交流接触器开展适应性研究，解决永磁电机启动困难问题；三是引进锥度衬套式皮带轮开展适应性研究，对新引进永磁电机要求采取锥度轴，减少对电机的震动伤害；四是开展操作方法研究，减少诸如惯性启动、高电压、高电流对电机性能的伤害。
二、技术难点2007年12月胜利油田孤东采油三矿油井在用的永磁电机32台。
2008年集中引进永磁电机20台，到2008年底油井在用的永磁电机只有35台，其余永磁电机闲置或待修。
与2007年12月相比原井在用电机只有11台，平均使用年限小于3.2年。
永磁电机闲置备用多，失磁速度过快。
在调整电机“四点一线”时，尤其是对电机、滑轨进行横向移动时，撬杠无效，普遍采用大锤敲击的方式，对电机的震动伤害很大，会造成永磁电机失磁。
实用的电机滑轨移动器研制攻关是一个难点。
永磁电机直轴皮带轮的安装，也普遍采取大锤敲击的方式，一是造成轴承的损伤，二是造成永磁体的失磁；锥度衬套式式皮带轮现场适应性如何需要研究。
抽油机永磁半直驱同步电动机的应用
抽油机永磁半直驱同步电动机的应用摘要：常规游梁式抽油机有着很强的耐用性，操作起来很方便，结构也相对简单，可是其运行过程中所产生的能耗较大，更换皮带也存在费用高、安全性差，参数调整不方便。
结合该缺点，对其实施抽油机永磁半直驱同步电动机改造，在保留游离式抽油机优势的相关基础上，取消了皮带传动，提升了系统传动效率，提高了操作安全性，同时解决了参数调整及能耗高的问题，是一种较好的抽油机生产方式。
关键词：采油举升方式抽油机永磁半直驱同步电动机节能1引言当前油田采油举升方式以游梁式抽油机生产方式为主。
其主要耗能节点是抽油机设备耗电，抽油机的传动系统采用传统皮带传动方式，皮带传动方式具有适应性广、传动平稳无噪声、结构简单、操作方便等优点，但也存在电机运行效率低、传动效率低、冲次调整范围小、智能化程度低的缺点。
1.1电机与减速箱传动效率低电机与减速箱之间采用皮带传送方式，而皮带传动存在多种损失，造成传动效率低；同时如果皮带张紧度不足或雨季皮带打滑，影响传动效率，进而影响机采系统效率，增加能耗。
1.2冲次优化受到限制目前使用的抽油机电机主要是普通异步电动机，采用皮带传动方式，配套最小直径的电机皮带轮为180mm，对应最低冲次为3.5n/min，无法满足低液量井冲次优化的需求，油井长期供液不足生产，造成能耗大，检泵周期短。
1.3维护成本高，智能化程度低随着油田开采时间的增加，电机及控制柜老龄化严重，电机维修及更换皮带频繁，造成现场工作量大，成本高；同时根据工信部颁布的《高耗能落后机电设备(产品)淘汰目录》，目前使用的Y系列电机属高耗能、落后设备，与油田智能化建设的方针不相符。
为深挖节能降耗的潜力点，提高能效水平，开展了抽油机井半直驱同步电动机的研究及应用。
2抽油机永磁半直驱同步电动机应用2.1技术简介抽油机永磁半直驱同步电动机是专为油田游梁式抽油机设计的低转速、大扭矩永磁同步电动机，主要由永磁半直驱电动机和控制系统及机械连接部分组成，该电机采取直接驱动减速箱输入轴驱动抽油机运行，取消了一级皮带减速机构，是取消皮带传动方式的新的驱动工艺。
抽油机用永磁同步电动机选型技术要求2013
启动品质因数K
0.0605
备注: 1.抽油机模拟状态下变压器≤50kVA。
2.启动品质因数计算公式为：K
T st
I
2 st
9.2 2.05 0.0242
9.7 1.9 0.0202
2 启动问题
额定电压下启动转矩大且启动电流也大的永磁同步电机在 抽油机工作状态下启动转矩反而小 ,因此,在抽油机上考虑永磁同 步电机的启动性能时,仅仅考虑启动转矩倍数是不够的,还应当考 虑启动电流的影响.
2 试验室试验
3 起草工作简要过程
统计20XX以来的的试验室测试数据,主要包括空载测试参数、负 载测试参数、堵转测试参数.
20XX永磁同步电动机试验室测试数据,包括不同功率、不同极数 永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势,不同负载率下的电动机功 率因数、电动机效率.
20XX、20XX永磁同步电动机试验室测试数据,包括不同功率、不 同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势,不同负载率下〔负 载率为25%、50%、75%、100%、125%的电动机功率因数、电动机 效率.
转矩测试采用的电机堵转转矩测试装置,能在1s内采集600个点,并通 过信号调理模块将应变电信号转换成232格式,通过电脑可清晰的看出瞬 时堵转数据并通过软件计算出电机堵转转矩.
电动机的堵转转矩具体测试方法是将钢臂一端固定在电机转轴上,另 一端放在压力传感器上.对电机施加电压,测试其堵转转矩.
3 起草工作简要过程
2 启动问题
抽油机电机运行时负载率都很低,而启动时又需要大的启动转矩,因此, 人们在选择永磁同步电机时总希望启动转矩倍数大的电机,这样可以降低抽 油机配备电机的额定功率,进而提高电机的负载率,达到节电之目的.但在抽 油机工作状况下,部分生产厂家的永磁同步电机启动转矩倍数远低于说明书 中的指标,故抽油机启动困难,甚至无法启动.主要原因是：低压线路较长,启 动电流过大〔实测在10倍额定电流以上,有的在启动开始的前2个周波达到 18倍,导致变压器及低压线路的压降很大,永磁同步电机在严重欠压状态下 启动.
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抽油机专用永磁同步电机的研制及推广应用胜利油田分公司技术检测中心目录前言 (1)一、项目概况 (3)（一）课题的提出 (3)（二）国内外技术发展现状及发展趋势 (4)1、电动机节能技术 (4)2、控制柜节能技术 (5)3、稀土永磁同步电动机 (7)二、永磁同步电动机在抽油机上的应用分析 (9)（一）永磁同步电动机应用现状调查 (9)（二）确定合作伙伴 (10)三、抽油机专用永磁同步电动机设计思路 (11)（一）永磁同步电动机与异步电动机相比的优点 (11)（二）现有永磁同步电动机存在问题的分析及对策 (11)（三）电机自起动分析 (12)（四）设计思路 (13)四、抽油机专用永磁同步电动机的研制 (14)（一）永磁同步电动机的设计 (14)1.设计依据 (14)2.使用条件 (14)3.技术要求 (14)4.产品型号表示方法 (15)（二）结构设计及试制的创新点 (15)1.采用永久磁钢星形切向结构布置方式 (15)2.用直接冷却磁钢的内部通风回路降低转子温升 (16)3.通过结构设计提高磁极轴向刚度、牵入特性和过载能力 (17)4.增大轴承 (17)5.提高磁钢的矫顽力 (17)（三）制定Q/HR01-2003《TYCX系列抽油机用永磁同步电动机》标准 (17)五、抽油机专用永磁同步电动机室内实验及数据分析 (18)（一）型式实验 (18)1.实验目的 (18)2.执行标准 (18)3.实验数据 (18)4.结果分析 (19)（二）电压偏离条件下效率及功率因数试验 (19)1.实验目的 (19)2.实验数据 (20)3.实验结果分析 (20)（三）负荷特性实验 (21)1.实验目的 (21)2.负荷特性实验 (21)3.结果分析 (22)六、抽油机专用永磁同步电动机现场实验及数据分析 (24)（一）启动性能试验 (24)1.试验目的 (24)2.试验过程 (24)3.实验结果 (24)4.结果分析 (24)（二）现场转子温升试验 (25)（三）现场节电效果试验 (25)1.实验目的 (25)2.实验依据 (25)3.选井条件 (25)4.测试仪器 (25)5.实验方法 (26)6.测试结果分析方法 (26)7.现场测试数据及分析 (28)（四）现场使用前后性能对比实验 (30)1.试验目的 (30)2.试验依据 (30)3.试验电机 (30)4.试验方法 (30)5.试验过程 (30)6.试验数据及曲线 (30)7.试验结果 (32)8.试验结果分析 (32)七、抽油机专用永磁同步电动机特点、工作特性及创新点 (33)（一）抽油机专用永磁同步电动机特点 (33)（二）抽油机专用永磁同步电机现场的工作特性 (33)（三）抽油机专用永磁电机的创新点 (33)（四）使用永磁电机应注意的问题 (34)八、抽油机专用永磁同步电动机典型应用实例 (36)（一）桩西采油厂的应用情况 (36)（二）临盘采油厂的应用情况 (37)九、抽油机专用永磁同步电动机经济效益分析 (39)前言节能是国家发展经济的一项长远战略方针。
节约能源不仅关系到用能者提高能源效率和经济效益，而且起着保护环境和保障能源安全、保障国民经济健康发展的作用，是转变经济增长方式与实施可持续发展战略的重要组成部分，是确保国家能源安全的最现实最经济的重要手段。
党的十六届五中全会根据贯彻科学发展观和建设资源节约型、环境友好性社会的要求，明确提出“十一五”期间确保2010年人均GDP比2000年翻一番的同时，单位GDP能耗应比2005年降低20% 的目标。
“十一五”的第一年2006年已经过去，从国家统计局局长在2007年初对媒体宣布结果可知，2006年全国没有完成4%的节约指标。
胜利油田分公司2006年总耗电量不但没降，反而比2005年的44.61亿kWh增加了1.3亿kWh。
油田企业既是产能大户也是用能大户，节能指标能否完成，将直接影响到国家整体目标的实现。
所以，我们油田企业对如何选用最好的节能技术、如何选用最好的节能产品、如何选用最先进的管理手段、如何投入资金最少而节能效果最好、如何完成“十一五”节能20%的指标，是目前迫在眉睫的一个重要研究课题。
胜利油田是我国第二大油田，其原油产量居全国第二位，但同时，胜利油田也是耗能大户，据统计我局目前的能源消耗占生产总成本的40%以上，其中以电力消耗和油气消耗为主要能源消耗形式，电能占到全部能源消耗的40%以上。
因此，作好节电工作，对降低全油田能源消耗，降低原油生产成本，提高企业的市场竞争力，具有极其重要的经济价值和社会价值。
众所周知，目前我国国内的油田专用抽油机所采用的电机绝大部分是异步电动机，由于抽油机启动时需要很大的启动转矩，正常工作时往往又出现“大马拉小车”的现象，尽管胜利油田在抽油机电机的节能方面做了大量工作，也使用过永磁同步电动机，油田对此问题也多次进行攻关，采用的办法也是各种各样，但效果均不是太好，包括永磁同步电动机低负荷时功率因数低，起动困难，长期运行易发生退磁等，未能从根本上解决抽油机的耗能问题。
对常规的异步电机，功率因数低是不可避免的，导致对电网无功损耗加大，进行无功补偿也产生附加损耗。
为此，我们在2003年开展了抽油机专用永磁同步电动机及其系统研制项目。
该项目作为胜利油田抽油机节能重点项目，在2004年2月通过油田评定验收。
专家评定意见结论为：该项目指导思想明确，技术路线正确，整体设计合理，效益显著，资料准确齐全，整体技术成果达到国内领先水平，同意通过鉴定；建议进一步研究时间与磁钢退磁的关系，在保证质量的前提下加速商品化转化。
该项目获得2004年度局科技进步奖二等奖。
该项目根据我国目前油田抽油机电机效率低、功率因数差、耗能大等缺点，开发研制出了新一代高效率、高功率因数稀土永磁同步电动机，该电动机具有启动转矩大、效率和功率因数高、无转差及过负载能力强的特点，更具有可以替代高一个机座号三相异步电动机的优越性。
该电机在国内外首次采用转子表面、磁钢、磁极上下通风回路、风扇增压的循环冷却散热系统结构，降低了磁极、磁钢温度，转子温度降低了10～15℃，有效防止永磁体热退磁。
采用了反磁材料的轴向拉紧键结构设计，提高了磁极钢度，提高了永磁同步电动机的牵入特性和过载能力。
采用了复合笼条和反磁隔磁套结构，有效的压制了启动电流，协调了启动转矩和牵入转矩的矛盾，有效的防止了永磁体在大电流启动下造成的电退磁。
项目完成时在现河采油厂试运行过程中证明，经过夏季高温直晒、多次启动的考验，该电机性能稳定具有良好的推广前景和极高的使用价值。
在现河采油厂王70-63，王543-1两口井上使用，平均日节电34.2kW·h；有功节电率为16.45%；无功节电率为89.80%；综合节电率为20.27%；功率因数提高了0.5205，单井每年可节约运行电费8200多元，经济、社会效益显著。
2005年开始，项目在油田财务处、科技处、技术监督处等部门的大力支持下开始推广应用抽油机专用同步永磁电动机，并在推广应用过程中进一步研究了TYCXX型永磁同步电动机和自动调压变压器配套使用的新型抽油机拖动系统，制定了Q/HR01-2003《TYCXX系列抽油机用永磁同步电动机》标准。
到目前为止，在河口、现河、桩西、临盘采油厂共推广应用了1821套新型抽油机拖动系统。
该系统的使用，使改造后机采系统效率平均提高了8.29。
运行两年后，累计节约资金9060.2万元。
一、项目概况（一）课题的提出我国的石油生产中，普遍采用机械采油的方法，游梁式抽油机是其中的主要的人工举升采油方式。
目前我国国内的抽油机所采用的电机绝大部分是异步电动机，从生产现场来看，抽油机的系统效率和电机的效率都很低，主要原因是：一是抽油机带有冲击的周期性交变载荷特性，与按恒定负荷设计制造的通用电机的工作特性不匹配，增加了电机的损耗；二是由于考虑到抽油机启动等特殊情况的需要，为避免抽油机出现卡死现象，抽油机配套电动机的功率不得不留有较大的功率裕度，导致正常工作时出现“大马拉小车”的现象。
油田对此问题也多次进行攻关，采用的办法也是各种各样，但效果均不是太好，包括永磁同步电动机低负荷时功率因数低，启动困难，长期运行易发生退磁等，未能从根本上解决抽油机的耗能问题。
油田抽油机工作周期长，年运行时间大于300天，本项目要求在现有永磁同步电动机的基础上选用高效率的永磁同步电动机来逐步替代现有的异步电动机，实践证明：是抽油机电机各种节能措施最有效、最经济的一种：（1）明显提高电机的运行效率和功率因数，特别是负荷率在40%及以下时功率因数要求在0.84以上；（2）大幅提高电机的启动转矩，并尽可能抑制启动电流，减少线路压降，提高起动品质因数；（3）永磁同步电动机与传统异步电动机相比，配套功率降低一到两档，避免“大马拉小车”现象；（4）从电磁设计和磁体冷却结构着手，降低永磁同步电动机电退磁特别是热退磁的可能性，提高长期运行的可靠性，真正做到高效节能。
因此，项目组决定开发、研制这一新产品，该项目被批准并列入中国石化胜利油田有限公司2003年科学进步计划重点项目计划。
（二）国内外技术发展现状及发展趋势针对目前采油过程中电能浪费、成本过高的问题，各油田以及许多科研机构、大专院校、电机生产厂家对此进行了大量的研究和探讨，设计了多种解决问题的办法，但这些节能措施还有一定的局限性。
现将主要方法简单归纳如下：1、电动机节能技术主要有以下几种方式(1)双转子电机:该电机有两套笼型转子，一套是运行转子，一套是启动转子。
启动时启动笼电流较大，因而启动转矩较大。
运行时启动笼切除，下笼工作。
该方法可有效提高电机启动转矩，减小电机容量。
但双笼电机受电压降影响也达不到额定转矩，且在正常运行时功率因数较单笼电机功率因数低。
(2)双功率电机:该电机定子有两套绕组，每套绕组对应的功率不同。
启动时将高功率绕组接入，以获得大的启动转矩；运行时切换为低功率绕组，以解决电机容量过大的问题。
但电机的体积大，成本高，而且将同一台电机设计成两种功率，难以得到最优的设计效果。
(3)电磁调速电机:该电机由Y系列电机、电感转差离合器、测速发电机等组成。
在启动时降低转速，电机恒功率运行以提高启动转矩。
但启动转矩提高较小，且电磁调速系统要自耗一部分电能，整体效率较低，电机结构复杂，可靠性差，不适于抽油机的运行工况与环境。
(4)高转差电机:该电机启动转矩大，因而可以选用较小容量的电机，但其机械特性较软，正常运行时电机转差大，效率略低，易发热烧坏电机，且变压器电压降落过大的问题仍然存在。
(5)双电机结构:该方法实质上是将两台电机组合制造成为一个整体。
启动时两台电机同时运行，启动转矩大。
正常运行时以一台工作，有效降低了电机的功率。