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无刷自控电机在抽油机上的应用
发布时间:2013-5-16

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:平衡率  负载率  鼠笼电机  绕线电机  无刷自控电机

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

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= K1sinωt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=mg (与下泵深度、杆径等有关)

2原油的重量:F=mg(与原油液面有关)

3惯性力:F=m+mdv/dt=K1m+mcosωt

4磨擦力:F=ηA1v/Y  其中:η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= K2`V=K2`K1 sinωt = K2sinωt

5 平衡力:F1= mg

总阻力转矩为:M=F+F+F+FL1R1/L2 sinθ- FR2 sinθ

=[m+m)(g+ K1 cosωt+ K2sinωt] L1R1/L2 sinθ- mgR2 sinθ  1-1

同理可以求出:M=[mg+ K1 cosωt+ K3sinωt] L1R1/L2 sinθ- mgR2 sinθ  1-2

以一台CYJ10—3—53HB抽油机为例,该抽油机主要参数为:S=3mn=6r/minL1=3m L2=2.5m R1=1.2mR2=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 mF= 33KN  F+F=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:60 KN.m,可画出“转矩与曲柄夹角θ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

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),启动电流大(约为额定转矩的7)

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-637KWne=982r/minIe=70.2A、λ=Mmax/Me=1.8Ist/Ie=6.5)鼠笼异步电动机和一台以Y225M-622KWne=980r/minIe=45A、λ=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=λMe=9.55λPe/ne得两电机最大转矩分别为:Mmax1=647N.mMmax2 =600N.m

2.            根据电机额定转差率:Se=no-ne/noSe1=0.018Se2=0.02

3.            根据电机临界转差率:Slj=[λ+(λ2-1)1/2]SeSlj1=0.06Slj2=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=1Slj22=0.65,电阻切换速度分别为n1=415r/minn1=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*Ser21=0.056Ω和r22=0.098Ω

6.            根据电机感抗:x1+x2=Ue/Ist得(x1+x21=0.482Ω和(x1+x2)2=0.75Ω

7.            根据Ist=I2=Ue/[x1+x22+r1+r2/S2]1/2,并设无刷自控电机转子串入电阻分别为R1=0.652Ω、R2=0.152Ω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

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

《电力拖动与自动控制》 张永丰主编,机械工业出版社出版,1979年9月

作者简介

翟佑华:工程师,中国石油化工装备协会仪表电气专家委员会电气专家委员,已有五项国家专利(仅无刷自控电机及其启动装置就有三项专利),已在国家级学术期刊上公开发表11篇学术论文,获局(地市)、处()两级各种科技奖励十余次,现主要从事无刷自控电机的推广应用工作。Zyh806@sohu.com,电话号码13137080750

, T-SIZE: 10.5pt; mso-spacerun: 'yes'">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*Ser21=0.056Ω和r22=0.098Ω

6.            根据电机感抗:x1+x2=Ue/Ist得(x1+x21=0.482Ω和(x1+x2)2=0.75Ω

7.            根据Ist=I2=Ue/[x1+x22+r1+r2/S2]1/2,并设无刷自控电机转子串入电阻分别为R1=0.652Ω、R2=0.152Ω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

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

《电力拖动与自动控制》 张永丰主编,机械工业出版社出版,1979年9月

作者简介

翟佑华:工程师,中国石油化工装备协会仪表电气专家委员会电气专家委员,已有五项国家专利(仅无刷自控电机及其启动装置就有三项专利),已在国家级学术期刊上公开发表11篇学术论文,获局(地市)、处()两级各种科技奖励十余次,现主要从事无刷自控电机的推广应用工作。Zyh806@sohu.com,电话号码13137080750

 
 
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