抽油机电机匹配和选型研究

试论抽油机电机匹配和选型研究
[摘要]做好抽油机与拖动电机的匹配工作对于细化节能而言至关重要。

本文首先介绍了抽油机运行特性，然后分析了拖动电动机的匹配特性，最后针对几种常用的电动机的运行特点进行了阐述。

[关键词]抽油机；电机；匹配选型
中图分类号：te933.1 文献标识码：b... 文章编号：1009-914x （2013）22-0242-01
一、引言
改革开放以来，伴随着中国经济的高速增长，对石油的需求量越来越多，这便需要更多的抽油机来进行采油工作。

但是由于抽油机的负载经常性的呈周期性变化，并且在拖动动、静负载时显现的差异较大，拖动电机的起动力矩往往过大，电机的功率经常大于负载所需功率，造成耗能严重。

因此，如何有效做好抽油机在电机匹配工作便显得尤为重要，这便要求我们需要了解抽油机运行时的特性，并且通过对电动机匹配特性的分析，能够合理匹配电机容量。

二、抽油机运行特性与电动机匹配特性分析
1、抽油机运行特性
作为石油挖掘开采中的动力来源，抽油机的工作过程主要分为四个阶段，分别为向上提拉抽油杆、向上提拉抽油杆与向下放落抽油杆的过渡过程、向下放落抽油杆、向下放落抽油杆与向上提拉抽油杆过渡过程。

抽油机的负载经常性的呈周期性变化，且具有很大的运动惯量，且抽油机在向上提拉和向下放落的冲程中，具有两个“死
点”，这也通过峰值体现在负荷曲线上，而抽油机往往从死点处进行停车再启动，致使需要更大的起动力矩，但是起动力矩相对负载严重过剩的情况下无疑会增加无功抽取时间，使电机的功率经常大于负载所需功率，致使增大能耗。

因此，在进行抽油机的匹配电机选型时，应着重针对启动性能和过载能力进行考虑。

同时再根据工况变化在现场采用实测光杆功率法重新进行计算匹配。

2、电动机匹配特性分析
电动机的机械特性硬度是考察其机械特性好坏的重要标准之一，它可以体现电动机的扭矩t与转速n两者之间的关联，通常用β来表示。

公式为：β=dm/dn，通过公式可知β是转矩在机械特性曲线上对该点转速的微分值。

当转速变化时，所对应的转矩变化如越小，则β越小，表示机械特性越软，反之为硬特性。

硬特性电机是不利于用作抽油机。

如图1所示，为三相异步电机机械特性曲线，其中启动点s对应转速为0，对应的转矩为启动转矩tq，它也是反映电动机整体性能的一个重要标准，其数值大小直接反映了电机能够带动多大负载进行启动，启动转矩的公式如下所示：
式中-定子绕组数，-功率，-定子电压，-转子电阻折算值，-频率，n-转速，-定子绕组电阻，-定子绕组漏感系数，-转子漏电抗折算值。

通过观察启动转矩的公式，可以看出其主要受定子电压和转子电阻影响，当内部参数一定时，tq∝u1，因此，在实际中启动转矩受
电网电压的影响是比较大的。

此外，当电网电压的频率恒定时，通过改变转子绕组的电阻值，可以改变启动转矩的大小，如图2中曲线1和2的对比。

从公式中还可以观察到tq在一定程度上还受功率p影响，但是通过改变功率提高启动转矩会降低电机的负载率，致使功率因数减小，空载损耗增大，严重影响电机的运行效率，不利于抽油机减小动力能耗，所以此方法经济性较差。

在计算油井电机的最小匹配功率时，可根据工况变化在现场采用实测光杆功率法。

光杆功率即是抽油机悬点载荷做功的功率，是提升液体和克服井下消耗所需要的功率实测光杆功率受抽油机实测
最大、最小负荷、油井参数等影响，在计算出光杆功率后，便可通过其与电机功率对应表，得到油井电机的最小匹配功率，但当实际工况发生变化时应及时进行匹配调整。

三、常用电动机运行特点分析
生产生活中常用的电动机主要包括以下几种，分别对它们各自的运行特点进行分析：
1、普通三相异步电动机
这种电动机目前被游梁式抽油机广泛采用。

若处于转差率不足5%的额定工况下，电动机具有很硬的机械特性，导致电动机在起动时，其起动转矩mq无法达到最大转矩mm，虽然使用增大功率方法能够抑制抽油机起动惯量，对起动性能的提高有一定的帮助作用，但是极易使电动机起动后仍以轻负载运行，降低了其功率因数和工作效率，此外，由于异步电动机在起动时的堵转电流很大，经常达到额
定电流的几倍高，增大了电网的电压降，致使异步电机定子绕组获得的电压无法达到额定电压，在定子电压较低的情况下，堵转转矩会以平方倍降低，不利于异步电机起动。

2、（超）高转差率电动机
其特性如图2曲线2，通过加大转子绕组的电阻改变了电动机特性，使启动转矩高于同功率下的三相异步电动机，因而使起动性能提高，属较软特性电机。

同一抽油机可配用较三相异步电动机功率小的超高转差电动机，虽然功率因数较三相异步电动机有所提高，但仍不能达到理想要求，另由于它的转子绕组内阻较大，转子上的功率损耗增大，所以，电机的发热量大，电动机的保护要求严格，过载能力差，机体散热要特殊处理，造价高。

3、永磁同步电机
抽油机上所用的永磁同步电动机是一种异步启动的同步电机。

其特点是由转子交流启动后牵入同步运行，类似于交流同步电动机。

其工作原理是：定子线圈在气隙中可以生成旋转磁场，转子上磁钢和此旋转磁场便存在磁力吸引，此时，定转子之间便可以同步旋转，产生做功效果。

在永磁同步电机中，转子相当于电阻，因此其功率因数较高，又因此种电机不存在励磁电流，故降低了空载损耗，可将电动机效率提高到95%以上，相对于普通三相异步电动机有了明显提高。

此外，因同步电机无法直接自启动，故需增设启动线圈并将其镶嵌在转子内，启动线圈仅作用于启动过程中，因此可以增大启动线圈的电阻值，以增加其启动扭矩，最大可增加至额定转矩的
3倍。

在永磁同步电机投入运转后，若其反电动势低于电网电压，以感性负载状态运行；若其反电动势高于电网电压，以容性负载状态运行；若其反电动势约等于电压幅值，那么对应的功率因数可以达到0.9，否则，电机功率因数较低；此外，永磁同步电机的功率因数在其负载率不足1/4的情况下也偏小。

因此，永磁同步电机的功率因数是随电网电压的变化而变化的，且受影响程度较大，虽然在电网电压波动率较小的区域利用井口自动调压变压器可以使电压变的平稳，进而矫正功率因数，但是对功率因数进行补偿也不太容易。

该此外，电机造价较高，在故障情况下，有可能发生不可逆退磁。

当温度升高超过120度或剧烈碰撞都会不同程度地退磁。

4、其他类型电动机
例如传统调速电机，其能耗非常大，且调速范围有限，因此已经被逐渐淘汰；而绕线式异步电动机虽然其启动转矩非常充裕，但也无法掩盖其功率因数不高、能耗较大的缺点。

目前新兴的永磁式十二极电机无论在功率因数、启动转矩和能耗方面都非常出色、且具有低冲次的特点，但是其可靠性和性价比还有待进一步考察。

四、结束语
随着国民经济和国家现代化进程的迅猛发展，使得在城市化建设中需要开采更多的石油，而抽油机作为开采石油过程中的不可缺少的设备，其耗能问题一直受业内关注，通过掌握抽油机运行特性与电动机匹配特性，对于合理选型并匹配电机而言有很大帮助。

参考文献
[1] 李佳新，王国伟.高转差率电机驱动抽油机系统得能耗分析[j].新疆石油科，2010，（10）；187-188.
[2] 张东凯，王文楷.抽油机用双功率电机的设计及试验研究[j].中国新技术新产品，2011，（03）；167-168.。