抽油机用电动机和外加装置的节能运行分析

高佩忠

(胜利油田管理局电力管理总公司，山东 东营267061)

0 引言

抽油机是用电能换取石油的机械，在能源问题日益严重的今天，如何以最少的电能开采出尽可能多的石油，是抽油机面临的主要的问题。电机及外加装置是抽油机节能的关键。许多针对抽油机特点的特种电机、节能装置得到应用，取得了一定的节能效果，但往往又会引起新的问题。抽油机系统是比较复杂的系统，抽油机的效率与生产工艺、电动机自身运行效率和输电线路上的损耗有关，因此，节能装置的研制应全面考虑这些问题，除此以外，还得考虑成本、维护等问题。

本文将深入分析普通三相异步电动机带动的抽油机系统存在的问题，剖析其节能潜力，分析比较各种特种电机和节能装置的节能运行原理及优缺点，并给出抽油机外加节能装置的发展趋势，为节能装置的改进或研制提供借鉴。

1 普通三相异步电动机带动的抽油机系统节能潜力分析

普通三相鼠笼式异步电机结构简单、价格低廉、运行可靠，在抽油机中得到广泛应用。然而，电网直接供电的普通三相异步电动机的特点与抽油机的负载特性不能很好地匹配，导致抽油机的效率低下，这是抽油机节能潜力的根源。

1.1 普通三相鼠笼式异步电机特点

(1)起动电流非常大，可达到其额定电流的5～10倍，但起动转矩较小，通常为额定转矩的0.8～1.8倍［1］。

(2)运行时需从电网吸收滞后的无功，用来建立电机内的磁场，当端电压不变时，无功分量随负载变化不大，但随电机容量的增大而增大。

(3)空载或轻载时效率很低。

(4)机械特性较硬，转速随负载变化波动不大。直接接到电网上运行时，无法进行调速。

1.2 抽油机负载的特点及对电动机的需求

地下油况千差万别，且随着时间改变，再加上气候变化等因素，抽油机的负载特性比较复杂。即使对于同一口井，在不同的时间和气候条件下，负载也不同［2－3］。尽管如此，抽油机负载还是有如下一些共性的特点:

(1)所需起动转矩大。抽油机需要带负载起动，起动时杆与井壁的摩擦力比较大。这就需要有大起动转矩的电动机，但由于对起动转速没有要求，所以起动功率不一定大［4］。

(2)负载变化较大。抽油机的负荷呈周期性波动。在一个冲次内，其负载转矩交变，实测转矩特性曲线如图1所示［2］，在下冲程，负载转矩为负。这就需要一种在变化负载的情况下，仍然有较高效率的系统，而且最好能够将负转矩阶段的机械能转换为电能返回到电网。

图1 抽油机实测转矩特性曲线

(3)冲次的频率与产油量及抽油机寿命之间有很大关系［5］。不同的油井地下油况的不相同，冲次的频率应根据实际情况调整。如果地下油量较少，冲次频率应小一些，如果油量较多，冲次的频率可以大一些。从维护抽油机械的角度看，冲次的频率也是一个重要的需要考虑的方面。这就要求电机能够根据实际需要调速。

1.3 普通三相异步电动机带动的抽油机系统存在的问题

由上面的分析可知，如果采用电网直接供电的普通异步电动机带动抽油机，必须选用较大容量的异步电机才能满足抽油机负载大起动转矩的需要，通常选用容量为正常运行所需容量2～3倍的异步电机。而电动机在正常工作时却处于轻载状态。这就是所谓的大马拉小车现象［6］，从而引发了起动电流、无功和铁耗增大等问题。

相同极对数、额定电压的异步电机，容量越大，所需的励磁电流越大，从电网吸收的无功也越大，过多的无功会使得输出电线路上的损耗增加，影响整体上电能的利用率;铁芯的材料、磁密幅值和频率不变，但容量大的异步电机的铁芯体积大，所以总的铁耗大。

由电网直接供电的普通异步电机的转速由电网电压的频率决定，不能根据油况或生产工艺的需要调节冲次的频率来节能。

异步电机带动抽油机，本来就有无功和铁耗的问题，那是不可避免的，但是大马拉小车加剧了无功和铁耗的问题，电网直接供电带来了电机不能调速的问题，这些问题是系统节能潜力的重要根源。所以节能的思路主要有两条:一是对电机进行改良或选用其它类型的电机，改善大马拉小车问题;二是通过外加装置来补偿无功、降低铁耗、调节转速。

2 抽油机用的特种节能电机

对普通异步电机进行改良或选用其它类型的电机，使电机在容量较小的情况下起动转矩大、起动电流小，减少电机正常运行时的无功及损耗，可以部分地解决大马拉小车问题。目前主要有以下几种抽油机特种节能电机:

2.1 双功率电机

相当于将两台普通异步电机串联，起动时2台一起工作，以使起动转矩增大，正常运转时甩掉一台以降低电机功率，从而取得一定的节能效果。但电机的体积庞大，功率的级差太大，难以真正实现与抽油机负载合理匹配，也就难以真正实现高效运行。

2.2 高转差率异步电机

其结构与普通的鼠笼式异步电机几乎完全一样，只是它的转子导条用电阻率较大的铝合金等材料做成，因此转子电阻较大，这样既限制了起动电流，又使起动转矩增大。可选用较小容量的电机带动抽油机，无功节电效果较好，功率因数有所提高。但其机械特性较软，正常运行时的转子铜耗较大，电机易发热，夏季因电机发热烧坏的较多。

2.3 抽油机专用永磁同步电机

永磁同步电机不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，又减少了定子铜耗，在稳定运行时没有转子铜耗，可以减小风扇和相应的风摩损耗，其效率比同规格的异步电动机提高2%～8%［7－8］。因此永磁同步电机也被国家发改委选为“十一五”期间在石油行业重点推广的一项技术。

永磁同步电机存在的不足是:电机选型不当或负载状况恶劣时，可导致其在运行过程中发生永磁体去磁，导致其损坏;较难维护及维修;价格较高。

直接将电机接在电网上，上述的三类电机用在抽油机上均有各自的优点和不足。没有一种电机在各方面都是最优，而且，因为不能调速，也不是系统最优。所以，仅仅靠电机本身的特点来提高抽油机系统的效率是不现实的。要提高抽油机的效率，关键要提高系统的整体效率，并考虑其它诸如功率因数、谐波、可靠性及成本，使系统整体最优，这就需要外加节能装置。

3 外加节能装置

为了补偿电机所吸收的滞后的无功或使系统能够调速来节能，通常使用外加装置。抽油机用的外加节能装置主要有:无功补偿装置、调压节能装置、通用变频调速装置、双PWM变频调速装置。

3.1 无功补偿装置

普通的或经改良的异步电机带动抽油机负载，需要从电网上吸收无功来进行励磁，无功电流在输电线路上造成损耗，影响系统的效率，必须进行无功补偿。

无功补偿装置种类很多，最常用的是投切电容器，由于电容器容值存在级差，不可能实现无功的无级补偿。静止无功发生器(SVG)也是一种无功补偿的装置，主要是由全控电力电子器件构成。其动态性能较晶闸管投切电容器更高，而且可以实现无级补偿。但其成本较高，功能单一。

3.2 交流调压节能装置

交流调压节能装置由双向晶闸管构成。普通异步电机带动抽油机负载，在正常运行时处于轻载状态，通过交流调压装置降低其端电压可实现节能。

不改变频率f，只降低电机端电压有效值U，由式(1)知，电机的气隙主磁通Φm将下降。Φm下降，频率不变，则铁耗下降，所以降低端电压可以使异步电机的铁耗下降。

主磁路的磁化曲线如图2所示，在磁化曲线的非线性段(BC段)，随着Φm的下降，励磁电流Im下降地较快;当进入磁化曲线的线性段(OC段)，随着Φm的下降，Im与之呈线性关系下降。降低端电压，气隙主磁通下降，励磁电流减少。从额定电压刚开始降压时，励磁电流减少地较多。

图2 异步电机的磁化曲线

图3 异步电机等效电路

综上，在轻载降压的过程中，铁耗总是在下降，转子铜耗总是在上升，而定子铜耗则是先降后升。应有一个最佳的降压值，在这个电压下，电机的损耗最小。文献［9］指出，最佳降压值与负载率有直接的关系，并且给出了这一关系。

但是，晶闸管交流调压节能装置有如下不足:(1)输入和输出特性较差，从电网吸收无功且引起较严重的谐波污染，电机的端电压波形已非正弦，有较多的谐波分量，这些谐波分量容易增加电机的损耗，增大转矩脉动，不利于抽油机的效率提高和可靠运行;(2)调速范围有限，不能用来减少冲次、通过改善工艺而达到节能目的;(3)文献［9］虽然给出了最佳降压值与负载率之间的关系，由于抽油机在一个冲次内的负载率总是在变化，而且有负的负载率，晶闸管调压装置又无法随着负载率的变化实时地进行调压，所以无法运行于最佳电压值，也就难以达到理想的调压节能的效果。

3.3 调速装置

合理选择冲次频率对于提高整个系统的效率，提高整个系统的寿命具有很重要的作用。而对于抽油机系统而言，一旦装置安装好，通过机械方面改变冲次频率是很难的，只有通过调节电动机的转速来改变冲次，这就需要电机拖动系统能方便调速。

随着IGBT等全控电力电子器件的成熟及广泛应用，由二极管不控整流+PWM逆变构成的通用变频器(如图4所示)在抽油机中得到应用，它不仅可以带动异步电机，而且可以带同步电机。除可以调节电机转速，满足抽油机系统改变冲次的需要外，还将带来如下好处:(1)电机的损耗将减少。对于异步电机，其转子铜耗基本不变，铁耗减少，定子铜耗也将基本不变，所以系统的损耗要比额定状态时小。对于同步电机定子铜耗基本不变，而铁耗将减少;(2)可以选用小容量的普通异步电动机，改善大马拉小车现象。使用变频器，可以使异步电动机以最大转矩起动，而普通异步电动机的最大转矩一般为其额定转矩的2倍左右，所以选用较小容量的普通异步电动机就可以满足抽油机大起动转矩的要求［10－11］。

图4 通用变频器交流调速系统

通用变频器的前级是由二极管构成的不控整流器，虽然成本低，可靠性高，但带来了一些问题:(1)输入功率因数差，输入电流的谐波含量多，对电网容易产生谐波污染;(2)功率只能够单向流动，不能将抽油机下冲程发出的电能送到电网上去，必须有直流母线放电环节来限制直流母线电压的升高，而直接接到电网上的异步电机和永磁同步电机则可以将下冲程电机发出的电能送到电网上去，从能量回馈的角度上来讲，通用变频器使系统的效率降低;(3)成本较高。

使用通用变频器带动抽油电机已能解决调节冲次频率的问题，也解决了大马拉小车的问题，但又带来了新的问题，制约着它在抽油机上的广泛应用。由PWM整流器+PWM逆变器构成的双PWM变频器(如图5所示)则可以很好地克服它的不足。

图5 双PWM变频器交流调速系统

双PWM变频器除了具有通用变频器的所有优点外，还具有如下优点:(1)可实现单位功率因数运行，也可实现超前或滞后功率因数运行，起到SVG的功能;(2)输入电流接近正弦，THDi可以控制在5%以内;(3)能量可以双向流动，能够将电机在下冲程中发出的电能回馈到电网;(4)对电网电压的波动、不平衡等异常情况有一定的适应能力，由于是可控整流，通过合理地控制，可在电网电压波动及不平衡时仍能得到一个稳定的直流电压。这是通用变频器所不能做到的，直接用电网供电的电机在电网电压异常的情况下适应能力也较差。

双PWM变频器的不足在于控制复杂、成本较高，但随着电力电子器件及高性能微控制器成本的下降，双PWM变频器的成本与其节能效果相比，已不是问题。而且，双PWM变频器已成功应用于变速恒频风力发电和高性能的交流调速领域，可靠性及优良的输入输出性能已得到验证，所以，它是解决抽油机系统运行过程中出现的起动、无功、谐波、调速、能量双向流动等问题的一个具有优势的选择。

总之，外加装置的引入，可以提高抽油机的某一方面或某几个方面的运行性能。其中，双PWM变频器是最具有优势的外加装置。

4 结论

抽油机的节能运行不仅仅是电机的节能运行，而应是从电机损耗、冲次频率、输电线路损耗、引起电网的谐波污染和能量回馈等诸多方面综合考虑。本文从以上方面对抽油机用的电动机和外加装置的节能原理及存在的问题进行了分析，并得到了如下结论:从效率最优的角度上来看，双PWM变频器+永磁同步电动机的方案是最优的;从效率兼顾成本的角度上看，双PWM变频器+普通变频异步电机的方案是最好的选择。

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