无刷自控电机在抽油机上的应用

无刷自控电机在抽油机上的应用无刷自控电机在抽油机上的应用 摘要 摘要 本文以一个实际的抽油机作为参照物 通过计算机仿真出抽油机曲柄在一个周期内的转矩 转角曲 线 鼠笼电机和无刷自控电机速度 转矩和电流曲线后 指出小容量无刷自控电机代替大容量鼠 笼电机的优越性 供抽油机选配电机和降本增效参考 关键词 关键词 平衡率 负载率 鼠笼电机 绕线电机 无刷自控电机 一 前言一 前言 在电力拖动力系统中存在着两个转矩 一个是电动机的电磁转矩 另一个是生产机械的负载转矩 从电动机和生产机械本身来说 其转矩与速度和时间之间存在着一定的关系 这个关系分别叫做电动机 的机械特性和生产机械的负载特性 由于电动机与生产机械是紧密相联的 它们的特性只有适当配合 才能得到理想的工作状态 因此 了解生产机械和电动机的相关特性 是保证机械设备安全 可靠和经 济运行的关键所在 游梁式抽油机是石油开采的主要采油设备 它的用电量占整个油田总用电量的 60 以上 但由于到 目前为止 还没有找到一种能与抽油机实现合理地配合的电动机 它造成抽油机电机的平均负载率不足 电机额定功率的 30 与它配套的变压器的负载率不足 10 电动机的实际效率小于 0 8 电动机额定负 荷时的效率为 0 87 0 90 它不断造成抽油机电力拖动系统投资较大 浪费了大量的电网容量 同时 也造成大量的能源浪费 如何提高抽油机电机的转矩 降低电机容量 是抽油机电机节约电能 降本增效的关键 为了合理 地选配抽油机电机 必须了解抽油机和电动机的负载特性 二 抽油机的负载特性二 抽油机的负载特性 抽油机是通过抽油机光杆 泵 上下运动 将原油从数百至数千米的地下抽出 为抓住主要矛盾 便于计算机仿真 我们将抽油机简化成图 1 的物理模型 从图 1 可以看出 抽油机光杆的运动速度是随 V K1sin t 而变化的 在光杆上升过程中 主要受到 以下力的作用 1 抽油机光杆的自重 F光 m光g 与下泵深度 杆径等有关 2 原油的重量 F油 m油g 与原油液面有关 3 惯性力 F惯 m光 m油 dv dt K1 m光 m油 cos t 4 磨擦力 F磨 A1v Y 其中 为原油的运动粘度 A1油管内表面积 Y 为油管内表面与光杆 外表面间的距离 为分析问题方便 设 F磨 K2 V K2 K1 sin t K2sin t 5 平衡力 F1 m平g 总阻力转矩为 M上 F光 F油 F惯 F磨 L1R1 L2 sin F平R2 sin m光 m油 g K1 cos t K2sin t L1R1 L2 sin m平gR2 sin 1 1 同理可以求出 M下 m光 g K1 cos t K3sin t L1R1 L2 sin m平gR2 sin 1 2 以一台 CYJ10 3 53HB 抽油机为例 该抽油机主要参数为 S 3m n 6r min L1 3m L2 2 5m R1 1 2m R2 1 5m 以某抽油机生产厂家提供的典型安装参数 最大下泵深度 1412 m F光 33KN F光 F油 91KN K2 6KN K3 2KN 并以原油液面在 1412m 为例 将上述数据代入式 1 1 和 1 2 中 利用 Microsoft Excel 工作表 并将平衡系数分别设置成 100 33 和无平衡 以厂家要求配置 37KW 982r min 的电动机的额定转矩为 360N m 折算到抽油机减 速箱输出轴上的转矩转矩为 60KN m 可画出 转矩与曲柄夹角 的关系曲线 如图 2 所示 从图 2 可以看出 抽油机的转矩是一个随着曲柄角度而周期性变化的 它与风机水泵等恒转矩负载有 很大的不同 电机额定转矩与平均转矩之比为 0 48 抽油机消耗功率为 0 48 37 17 76KW 实际使用的 抽油机 由于受到原油液面 选型余量和最大阻力转矩等影响 负载率只有 0 3 即功率为 10 1KW 左右 最大转矩与平均转矩之比 随平衡系数不同 分别为 1 73 100 平衡 2 76 33 平衡 和 4 8 未平衡 最大转矩为 300N m 474 N m 828 N m 抽油机启动时 抽油杆一般处于最低位置 所需启动转矩只需克服静磨擦力及原油的表面张力的影响 因此 所需转矩相对较小 抽油机启动后 抽油杆开始上升 很快 约 2 5S 就碰到了第一个最大阻力 转矩 因此 它一方面要求电动机具有较大的静启转矩 克服静磨擦力 另一方面 要求电机具有较大 的平均启动转矩 以便使电机在第一个最大阻力转矩到来之前 超过电机临界 最大转矩转速 使电 机进入稳定工作状态 三 鼠笼异步电动机和无刷自控电机的机械特性三 鼠笼异步电动机和无刷自控电机的机械特性 普通鼠笼异步电动机具有结构简单 效率高 0 90 和价格低等优点 应用在抽油机上 最大的缺点 是启动转矩小 小于额定转矩的 1 6 倍 启动电流大 约为额定转矩的 7 倍 无刷自控电机 专利号 ZL01277402 2 就是具有高启动转矩 小启动电流的异步电动机 能以最大转 矩启动电机 它可以由绕线式异步电动机去掉滑环 碳刷和复杂的启动装置后 加装无刷自控电机启动 器获得 它的典型结构如图 3 所示 现以 CYJ10 3 53HB 抽油机要求配置的 Y225M 6 37KW ne 982r min Ie 70 2A Mmax Me 1 8 Ist Ie 6 5 鼠笼异步电动机和一台以 Y225M 6 22KW ne 980r min Ie 45A Mmax Me 2 8 绕线式异步电动机为母机 加装无刷自控电机启动 器后的无刷自控电机为例 分析转速与转矩和电流的关系 1 根据电机最大转矩 Mmax Me 9 55 Pe ne得两电机最大转矩分别为 Mmax1 647N m 和 Mmax2 600N m 2 根据电机额定转差率 Se no ne no得 Se1 0 018 和 Se2 0 02 3 根据电机临界转差率 Slj 2 1 1 2 Se得 Slj1 0 06 和 Slj2 0 11 4 根据 M 2Mmax Slj S S Slj 并设无刷自控电机转子串入电阻后的 Slj21 1 和 Slj22 0 65 电 阻切换速度分别为 n1 415r min 和 n1 810r min 分别画出它们的电机启动特性曲线和启动电流特 性曲线 如图 4 所示 5 根据转子电阻 r2 Ue Ie Se得 r21 0 056 和 r22 0 098 6 根据电机感抗 x1 x2 Ue Ist得 x1 x2 1 0 482 和 x1 x2 2 0 75 7 根据 Ist I2 Ue x1 x2 2 r1 r2 S 2 1 2 并设无刷自控电机转子串入电阻分别为 R1 0 652 R2 0 152 画出电机启动电流曲线如图 5 所示 从图 4 可以看出 22KW 的无刷自控电机与 37KW 的鼠笼异步电动机相比 启动平均转矩由 218 8N m 提升到 558 2N m 启动时的堵转转矩由 80N m 提升到 600N m 从图 5 还可以看出 22KW 的无刷自控电机与 37KW 的鼠笼异步电动机相比 启动平均电流从 408 7A 降到 188 9A 启动最大电流 也由 450A 下降到 250A 四 尾记四 尾记 CYJ10 3 53HB 抽油机在最大负载情况下 平均负载功率只有 17KW 实际功率一般不超过 12KW 如采用 37KW 鼠笼电动机 电机的负载率只有 48 采用 22KW 无刷自控电动机后 电机负 载率仍不足 80 无刷自控电机与鼠笼电机相比 启动平均转矩增加了一倍以上 它保证了电机在第一 个最大阻力转矩到来之前 更加接近额定转速 提高了抽油机一次启动成功率 无刷自控电机的启动装置是采用免维护设计 避免了电子节能控制装置成本高 故障率高等缺点 它 本身不会增加电机的运行 维护工作量 同时 由于无刷自控电机启动转矩增大 启动电流减少 避免 了电机因堵转 断相和重复启动而烧毁电机线圈的现象 提高了电机运行的可靠性 减少了电机的故障 率 22KW 的无刷自控电机代替 37KW 的鼠笼异步电动机 电机容量减少 1 3 以上 启动电流减少 1 2 以上 与它配套的变压器容量也可减少 1 3 左右 因此 它不但减少了电机的空载损耗 同时也减少了 变压器的空载损耗 提高了供电线路的功率因素 综上所述 无刷自控电机与抽油机的机械特性实现了合理的配合 使它成为抽油机的一种经济的 节能的配套电机 参考资料参考资料 电力拖动与自动控制 张