基于电功率的抽油机示功图测试系统研究

谭 雷，谢 强，王广明

（渤海装备（天津）新世纪机械制造有限公司抽油机制造厂，天津 300280）

1 抽油机地面系统整体设计

1.1 整体分析和简化

地面的抽油机系统组成中包含电机、控制设备以及传动机构等部分。电机通过转化电能，驱动抽油杆的机械部分运动，能够实现由旋转运动向上下往复运行的转变。通过变频器对电机的控制，使抽油机实现自动控制。由于曲柄轴在电机与抽油机中不处于同一轴上，因此需要在两者之间做好对相关传动机构的设置，例如皮带、减速器等，其能够对高速运转的电机进行变速，然后向抽油机曲柄轴进行传送。

由于功率传递和运动转换不断地在地面抽油机系统中进行着，因此，功率不断地在传递和转换阶段出现损失，导致系统从整体上对功率的流失[1]。通过变频器对电机的控制，能够实现对转速的输入，使悬点运动在抽油机中得到控制。

以传动机构和抽油机为基础，通过对其运动、扭矩以及功率等因素的分析，能够使抽油机系统得到简化，电力拖动系统采用单轴即可，最后在电机中通过输入相关参数，就能够得知其悬点运动和载荷值。

1.2 运动精度所受到的转速波动的影响分析

根据相关参数和示功图能够得知，抽油机地面运动在悬点有位移s、速度v、加速度a 等。其中s、TF、δ 分别为悬点位移、扭矩因数和游梁与水平线之间的夹角，相关因素仅运动时抽油机的位置，即曲柄转角θ，其与抽油机的关系，可以用式（1）表示：

如果抽油机能够保持结构参数不变，并且曲柄孔号能够保持不变，有式（2）：

1.3 抽油机示功图对电功率的测试原理

如果悬点载荷不需要考虑的话，曲柄轴受到抽油机自身结构重量的作用会产生T0的扭矩为式（3）：

式中：T0代表总扭矩；Ty代表平衡状态下的游梁扭矩；Tr代表平衡状态下的曲柄扭矩；TB不平衡扭矩是重平衡的。

由于悬点处的曲柄轴存在自重，因此会有扭矩的产生，即Twm纯光杆载荷扭矩，如式（4）：

由于存在不同的扭矩方向，因此曲柄轴上的所有扭矩Tn，也就是式（5）所示的曲柄轴净扭矩。

在不需要考虑曲柄平衡惯性时的扭矩为式6 所示。

根据瞬间传动效率通过对四连杆机构的考虑，输出轴所提供的减速器扭矩为式（7）。

式中：曲柄和平衡块在抽油机两侧的总重为Qe1Qe2；整个曲柄和平衡块在抽油机两侧的中心距离曲柄轴Re1Re2长；相位角为τ 时，抽油机处于平衡状态，机构四连杆的效率和效率指数分别为ηb和m。

由于电机及传动系统会受到转速波动和相关效率的影响，因此，通过式（8）能够得知减速器输出多少扭矩，如何计算电机输入功率：

式中：变频器的输入功率为P1；电机、皮带、减速箱瞬时效率分别为η1、η2、η3；效率指数为m；当Tn>0 时，m=1；当Tn<0 时，m=-1；电机瞬时转速为n电机；皮带总传动比和减速器总传动比为i总。

悬点载荷与电机输入功率的关系如式（9）、式（10）所示。

式中：系数为K1，当Tm>0 时，K1=1，当Tm<0 时，K1=-1，电机的电磁扭矩Tm；系数为K2，当时，K2=1，当时，K2=-1。

当曲柄与抽油机处于平衡状态时，平衡状态下的游梁重为0，悬点载荷可以按照式（11）、式（12）计算。

如果电机输入功率相比一定值更小时，所有电机、皮带以及减速器会随着不断增大的电机输入功率而出现增大的效率，那根据总传动效率和输入功率，电机皮带减速箱和电机之间的函数为式（13）。

其中，在空载状态下通过对电机功率的测试能够获得η总。

数据在经过处理后就可以实时对电机转速进行测试，也可以对电机转速进行实时的计算，在转动比固定的情况下，曲柄转角与电机在皮带减速器中每转一周的对应角度为曲柄转角为式（14）。

式中：从下死点开始抽油机内的电机总共的转速为m；皮带与减速器两者的总传动比为i总。

所以，再结合输入功率和测试所得的电机转速后，能够求出悬点位置的载荷和位移，因此通过示功图能够在无传感器的情况下，间接地进行测试。

2 设计测试系统

2.1 选择测试方案

通过对传动系统的求解和所仿真示功图的验证得知其效率和准确性，需要根据示功图对抽油机进行实测。对有功状态下的电机功率、电机转速以及上死点和下死点等参数进行测试，根据运动通过对抽油机以及经过处理和试验后的数据的分析能够得知其他参数。

测试电参数时需要将电流及电量变送器安装于电控箱中。重要的是对死点的获取，如果无法准确的获取死点，就会导致电机功率和转速周期出现错误，进而导致示功图无法保持原有的仿真精度。因此，设计以下方案来进行测试。

通过仪器对电参数的测试，能够实现对电机输入功率的测试，通过对接近开关的使用，能够实现对电机转速以及死点位置的测试。将磁钢贴在电机输出轴的两端，然后通过接近开关能够实现对电机转向以及电机转速的测试。将磁钢贴在曲柄轴的恰当位置，通过接近开关，测试抽油机的死点位置。需要对接近开关进行良好的固定，并且，感应面需要正对着磁钢旋转轨迹。

2.2 测试系统硬件

测试系统包括1 个用于采集电能参数的模块，3 个电流互感器、2 支接近开关、1 台负责采集动态数据的仪器、1 台笔记本电脑等。

测试系统具有如下特点：①相关模块具有电参数采集功能，采用DC 15 V 电源的霍尔线传感器，充电电池需要进行手动操作；②在测试四相线的电能时，每秒测试20 组速度数据；③可以同时实现对示功图的测试；④需要频繁的采集转速数据，最高能够达到10 000 Hz 的频率，采用多通道的方式采集数据，可以同时对多个轴的转速进行测试，如果大量磁钢贴到轴上后，通过对转轴的测试，能够得知其瞬时角速度；⑤笔记本电脑通过网线能够获取到所采集的数据，电脑在连接串口线后能够读取功图数据，只有采集完所有功图数据后才能在电脑中进行导入。

3 抽油机总传动效率求解

3.1 结构重不平衡状态下抽油机的扭矩分析

通过相关算法，在不平衡结构重的情况下，通过分析扭矩可以了解到，在任何部件载重不清楚的情况下，需要测试阀门空载，或无法获得平衡数据时，那么对点击瞬时转数的结合，能够对曲柄轴的不同扭矩进行详细的分析，并且能够反推出电机轴具有的扭矩。由于扭矩存在惯性，所以在计算曲柄轴和电机轴后发现，扭矩存在的惯性非常小，不存在任何影响。

3.2 研究空载测试的总传动效率

经过空载测试得知：①变频器输入端能够将电功率传递到曲柄轴中，变频器所损耗的功率关系着其输入功率，两者之间为正相关关系；②在变频器频率没有发生改变的情况下，变频器输入端能够将功率传递给电机轴，在这一过程中的变频器传递效率与其输入功率呈正相关；③如果存在着不同的频率，在变频器不变的情况下，也会产生不同的输入功率和传动效率，功率值在特定范围内不会发生变化，降低频率，增大扭矩，传动系统在此时的效率更高。如果超过特定高功率，在功率相同的时候，频率越大扭矩越小，相反则会加大传动效率；通过对测试所得的瞬时效率取消的拟合能够得知η总=f（P1）为效率曲线函数；⑤通过拟合获取到的η总=f（P1）可以用来对悬点示功图进行计算。

4 误差分析

（1）误差参数的输入。应对措施：根据说明书上所表明的尺寸结构、平衡重、曲柄重心以及重量等抽油机数据，对抽油机进行相应的设置。如果没有说明书，可以对曲柄和平衡重进行尺寸的测试，并在此基础上进行三维建模，以此来根据重量和中心对平衡重进行计算。如果在不平衡重的情况下，通过空载测试也能够得知。

（2）测试原始数据存在的误差。主要出现于测试仪器以及冲次。应对措施：需要采用具有更高精度的仪器对电参数进行测试，例如分析电能质量的仪器以及测试电功率的仪器，对出现地点的位置进行判断，能够使一周期的数据定位更加精确。

（3）标定效率的误差。应对措施：通过扭矩对示功图的计算，会导致示功图在上点、下点附近更加无法闭合，也就是悬点载荷在上死点和下死点附近时，异常值的出现较为常见。在软件中通过对相关模块的设置，能够实现对平衡度的监控，如果平衡度过低，就会发出警告提示平衡度过低，此时管理员需要对平衡度进行调节。在对电机转速进行辅助测试后，通过对负功率段的计算能够得知电磁扭矩。

5 结束语

以传动机构和抽油机为基础，通过对其运动、扭矩以及功率等因素的分析，能够使地面抽油机系统从整体上得到简化，转变为单轴电力拖动系统，最终通过对电机参数的输入，能够实现对悬点运动和相关载荷的描述。通过对实测参数以及总传动效率曲线的结合，对多组示功图进行计算，并根据示功图对计算结果和实测结果进行对比，对示功图计算所受到的影响因素进行分析。