抽油機用電動機和外加裝置的節能運行分析

高佩忠

(勝利油田管理局電力管理總公司，山東 東營267061)

0 引言

抽油機是用電能換取石油的機械，在能源問題日益嚴重的今天，如何以最少的電能開采出盡可能多的石油，是抽油機面臨的主要的問題。電機及外加裝置是抽油機節能的關鍵。許多針對抽油機特點的特種電機、節能裝置得到應用，取得了一定的節能效果，但往往又會引起新的問題。抽油機系統是比較復雜的系統，抽油機的效率與生產工藝、電動機自身運行效率和輸電線路上的損耗有關，因此，節能裝置的研制應全面考慮這些問題，除此以外，還得考慮成本、維護等問題。

本文將深入分析普通三相異步電動機帶動的抽油機系統存在的問題，剖析其節能潛力，分析比較各種特種電機和節能裝置的節能運行原理及優缺點，并給出抽油機外加節能裝置的發展趨勢，為節能裝置的改進或研制提供借鑒。

1 普通三相異步電動機帶動的抽油機系統節能潛力分析

普通三相鼠籠式異步電機結構簡單、價格低廉、運行可靠，在抽油機中得到廣泛應用。然而，電網直接供電的普通三相異步電動機的特點與抽油機的負載特性不能很好地匹配，導致抽油機的效率低下，這是抽油機節能潛力的根源。

1.1 普通三相鼠籠式異步電機特點

(1)起動電流非常大，可達到其額定電流的5～10倍，但起動轉矩較小，通常為額定轉矩的0.8～1.8倍［1］。

(2)運行時需從電網吸收滯后的無功，用來建立電機內的磁場，當端電壓不變時，無功分量隨負載變化不大，但隨電機容量的增大而增大。

(3)空載或輕載時效率很低。

(4)機械特性較硬，轉速隨負載變化波動不大。直接接到電網上運行時，無法進行調速。

1.2 抽油機負載的特點及對電動機的需求

地下油況千差萬別，且隨著時間改變，再加上氣候變化等因素，抽油機的負載特性比較復雜。即使對于同一口井，在不同的時間和氣候條件下，負載也不同［2－3］。盡管如此，抽油機負載還是有如下一些共性的特點:

(1)所需起動轉矩大。抽油機需要帶負載起動，起動時桿與井壁的摩擦力比較大。這就需要有大起動轉矩的電動機，但由于對起動轉速沒有要求，所以起動功率不一定大［4］。

(2)負載變化較大。抽油機的負荷呈周期性波動。在一個沖次內，其負載轉矩交變，實測轉矩特性曲線如圖1所示［2］，在下沖程，負載轉矩為負。這就需要一種在變化負載的情況下，仍然有較高效率的系統，而且最好能夠將負轉矩階段的機械能轉換為電能返回到電網。

圖1 抽油機實測轉矩特性曲線

(3)沖次的頻率與產油量及抽油機壽命之間有很大關系［5］。不同的油井地下油況的不相同，沖次的頻率應根據實際情況調整。如果地下油量較少，沖次頻率應小一些，如果油量較多，沖次的頻率可以大一些。從維護抽油機械的角度看，沖次的頻率也是一個重要的需要考慮的方面。這就要求電機能夠根據實際需要調速。

1.3 普通三相異步電動機帶動的抽油機系統存在的問題

由上面的分析可知，如果采用電網直接供電的普通異步電動機帶動抽油機，必須選用較大容量的異步電機才能滿足抽油機負載大起動轉矩的需要，通常選用容量為正常運行所需容量2～3倍的異步電機。而電動機在正常工作時卻處于輕載狀態。這就是所謂的大馬拉小車現象［6］，從而引發了起動電流、無功和鐵耗增大等問題。

相同極對數、額定電壓的異步電機，容量越大，所需的勵磁電流越大，從電網吸收的無功也越大，過多的無功會使得輸出電線路上的損耗增加，影響整體上電能的利用率;鐵芯的材料、磁密幅值和頻率不變，但容量大的異步電機的鐵芯體積大，所以總的鐵耗大。

由電網直接供電的普通異步電機的轉速由電網電壓的頻率決定，不能根據油況或生產工藝的需要調節沖次的頻率來節能。

異步電機帶動抽油機，本來就有無功和鐵耗的問題，那是不可避免的，但是大馬拉小車加劇了無功和鐵耗的問題，電網直接供電帶來了電機不能調速的問題，這些問題是系統節能潛力的重要根源。所以節能的思路主要有兩條:一是對電機進行改良或選用其它類型的電機，改善大馬拉小車問題;二是通過外加裝置來補償無功、降低鐵耗、調節轉速。

2 抽油機用的特種節能電機

對普通異步電機進行改良或選用其它類型的電機，使電機在容量較小的情況下起動轉矩大、起動電流小，減少電機正常運行時的無功及損耗，可以部分地解決大馬拉小車問題。目前主要有以下幾種抽油機特種節能電機:

2.1 雙功率電機

相當于將兩臺普通異步電機串聯，起動時2臺一起工作，以使起動轉矩增大，正常運轉時甩掉一臺以降低電機功率，從而取得一定的節能效果。但電機的體積龐大，功率的級差太大，難以真正實現與抽油機負載合理匹配，也就難以真正實現高效運行。

2.2 高轉差率異步電機

其結構與普通的鼠籠式異步電機幾乎完全一樣，只是它的轉子導條用電阻率較大的鋁合金等材料做成，因此轉子電阻較大，這樣既限制了起動電流，又使起動轉矩增大。可選用較小容量的電機帶動抽油機，無功節電效果較好，功率因數有所提高。但其機械特性較軟，正常運行時的轉子銅耗較大，電機易發熱，夏季因電機發熱燒壞的較多。

2.3 抽油機專用永磁同步電機

永磁同步電機不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，又減少了定子銅耗，在穩定運行時沒有轉子銅耗，可以減小風扇和相應的風摩損耗，其效率比同規格的異步電動機提高2%～8%［7－8］。因此永磁同步電機也被國家發改委選為“十一五”期間在石油行業重點推廣的一項技術。

永磁同步電機存在的不足是:電機選型不當或負載狀況惡劣時，可導致其在運行過程中發生永磁體去磁，導致其損壞;較難維護及維修;價格較高。

直接將電機接在電網上，上述的三類電機用在抽油機上均有各自的優點和不足。沒有一種電機在各方面都是最優，而且，因為不能調速，也不是系統最優。所以，僅僅靠電機本身的特點來提高抽油機系統的效率是不現實的。要提高抽油機的效率，關鍵要提高系統的整體效率，并考慮其它諸如功率因數、諧波、可靠性及成本，使系統整體最優，這就需要外加節能裝置。

3 外加節能裝置

為了補償電機所吸收的滯后的無功或使系統能夠調速來節能，通常使用外加裝置。抽油機用的外加節能裝置主要有:無功補償裝置、調壓節能裝置、通用變頻調速裝置、雙PWM變頻調速裝置。

3.1 無功補償裝置

普通的或經改良的異步電機帶動抽油機負載，需要從電網上吸收無功來進行勵磁，無功電流在輸電線路上造成損耗，影響系統的效率，必須進行無功補償。

無功補償裝置種類很多，最常用的是投切電容器，由于電容器容值存在級差，不可能實現無功的無級補償。靜止無功發生器(SVG)也是一種無功補償的裝置，主要是由全控電力電子器件構成。其動態性能較晶閘管投切電容器更高，而且可以實現無級補償。但其成本較高，功能單一。

3.2 交流調壓節能裝置

交流調壓節能裝置由雙向晶閘管構成。普通異步電機帶動抽油機負載，在正常運行時處于輕載狀態，通過交流調壓裝置降低其端電壓可實現節能。

不改變頻率f，只降低電機端電壓有效值U，由式(1)知，電機的氣隙主磁通Φm將下降。Φm下降，頻率不變，則鐵耗下降，所以降低端電壓可以使異步電機的鐵耗下降。

主磁路的磁化曲線如圖2所示，在磁化曲線的非線性段(BC段)，隨著Φm的下降，勵磁電流Im下降地較快;當進入磁化曲線的線性段(OC段)，隨著Φm的下降，Im與之呈線性關系下降。降低端電壓，氣隙主磁通下降，勵磁電流減少。從額定電壓剛開始降壓時，勵磁電流減少地較多。

圖2 異步電機的磁化曲線

圖3 異步電機等效電路

綜上，在輕載降壓的過程中，鐵耗總是在下降，轉子銅耗總是在上升，而定子銅耗則是先降后升。應有一個最佳的降壓值，在這個電壓下，電機的損耗最小。文獻［9］指出，最佳降壓值與負載率有直接的關系，并且給出了這一關系。

但是，晶閘管交流調壓節能裝置有如下不足:(1)輸入和輸出特性較差，從電網吸收無功且引起較嚴重的諧波污染，電機的端電壓波形已非正弦，有較多的諧波分量，這些諧波分量容易增加電機的損耗，增大轉矩脈動，不利于抽油機的效率提高和可靠運行;(2)調速范圍有限，不能用來減少沖次、通過改善工藝而達到節能目的;(3)文獻［9］雖然給出了最佳降壓值與負載率之間的關系，由于抽油機在一個沖次內的負載率總是在變化，而且有負的負載率，晶閘管調壓裝置又無法隨著負載率的變化實時地進行調壓，所以無法運行于最佳電壓值，也就難以達到理想的調壓節能的效果。

3.3 調速裝置

合理選擇沖次頻率對于提高整個系統的效率，提高整個系統的壽命具有很重要的作用。而對于抽油機系統而言，一旦裝置安裝好，通過機械方面改變沖次頻率是很難的，只有通過調節電動機的轉速來改變沖次，這就需要電機拖動系統能方便調速。

隨著IGBT等全控電力電子器件的成熟及廣泛應用，由二極管不控整流+PWM逆變構成的通用變頻器(如圖4所示)在抽油機中得到應用，它不僅可以帶動異步電機，而且可以帶同步電機。除可以調節電機轉速，滿足抽油機系統改變沖次的需要外，還將帶來如下好處:(1)電機的損耗將減少。對于異步電機，其轉子銅耗基本不變，鐵耗減少，定子銅耗也將基本不變，所以系統的損耗要比額定狀態時小。對于同步電機定子銅耗基本不變，而鐵耗將減少;(2)可以選用小容量的普通異步電動機，改善大馬拉小車現象。使用變頻器，可以使異步電動機以最大轉矩起動，而普通異步電動機的最大轉矩一般為其額定轉矩的2倍左右，所以選用較小容量的普通異步電動機就可以滿足抽油機大起動轉矩的要求［10－11］。

圖4 通用變頻器交流調速系統

通用變頻器的前級是由二極管構成的不控整流器，雖然成本低，可靠性高，但帶來了一些問題:(1)輸入功率因數差，輸入電流的諧波含量多，對電網容易產生諧波污染;(2)功率只能夠單向流動，不能將抽油機下沖程發出的電能送到電網上去，必須有直流母線放電環節來限制直流母線電壓的升高，而直接接到電網上的異步電機和永磁同步電機則可以將下沖程電機發出的電能送到電網上去，從能量回饋的角度上來講，通用變頻器使系統的效率降低;(3)成本較高。

使用通用變頻器帶動抽油電機已能解決調節沖次頻率的問題，也解決了大馬拉小車的問題，但又帶來了新的問題，制約著它在抽油機上的廣泛應用。由PWM整流器+PWM逆變器構成的雙PWM變頻器(如圖5所示)則可以很好地克服它的不足。

圖5 雙PWM變頻器交流調速系統

雙PWM變頻器除了具有通用變頻器的所有優點外，還具有如下優點:(1)可實現單位功率因數運行，也可實現超前或滯后功率因數運行，起到SVG的功能;(2)輸入電流接近正弦，THDi可以控制在5%以內;(3)能量可以雙向流動，能夠將電機在下沖程中發出的電能回饋到電網;(4)對電網電壓的波動、不平衡等異常情況有一定的適應能力，由于是可控整流，通過合理地控制，可在電網電壓波動及不平衡時仍能得到一個穩定的直流電壓。這是通用變頻器所不能做到的，直接用電網供電的電機在電網電壓異常的情況下適應能力也較差。

雙PWM變頻器的不足在于控制復雜、成本較高，但隨著電力電子器件及高性能微控制器成本的下降，雙PWM變頻器的成本與其節能效果相比，已不是問題。而且，雙PWM變頻器已成功應用于變速恒頻風力發電和高性能的交流調速領域，可靠性及優良的輸入輸出性能已得到驗證，所以，它是解決抽油機系統運行過程中出現的起動、無功、諧波、調速、能量雙向流動等問題的一個具有優勢的選擇。

總之，外加裝置的引入，可以提高抽油機的某一方面或某幾個方面的運行性能。其中，雙PWM變頻器是最具有優勢的外加裝置。

4 結論

抽油機的節能運行不僅僅是電機的節能運行，而應是從電機損耗、沖次頻率、輸電線路損耗、引起電網的諧波污染和能量回饋等諸多方面綜合考慮。本文從以上方面對抽油機用的電動機和外加裝置的節能原理及存在的問題進行了分析，并得到了如下結論:從效率最優的角度上來看，雙PWM變頻器+永磁同步電動機的方案是最優的;從效率兼顧成本的角度上看，雙PWM變頻器+普通變頻異步電機的方案是最好的選擇。

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