抽油机用新型永磁电动机控制系统研究

抽油机用新型永磁电动机控制系统研究

鞠鑫烨1刘可夫2

（1大庆油田有限责任公司第三采油厂第五油矿；2大庆油田有限责任公司第三采油厂电力大队）

摘要：现阶段，抽油机在油田使用中是必不可少的工具之一。国内油田中的抽油机主要都是传统设备，其缺点是运行效率较低。油田抽油机的节能改造提高了抽油机效率，显著降低采油能耗。文的研究结合重大专项‘高效节能永磁电机研发”项目与北京航天林泉石油装备有限公司共同合作的“复式永磁电机抽油机”项目，根据目前抽油机的运行状况、电机本体和电机控制系统的发展，对整个抽油机系统进行规划和设计，采用低速大转矩永磁电机，使抽油机系统体积减小、性能提高，并大大减小用电量。论文研究内容具有重要的实际应用意义。

关键词：抽油机；永磁电动机；控制系统；研究

引言

抽油机是石油开采的主要设备，原油生产井使用抽油机将蕴藏在地下的石油通过抽油管抽出。据统计在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗，而抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%，对抽油机的机械系统和电气控制系统进行节能改造，可带来相当可观的经济效益。

1永磁同步电机结构及原理

近年来，永磁材料在高能积、小尺寸、轻量化等方面不断发展，并且其使用温度在不断提高和材料成本也在不断降低，这些使永磁同步电机得到了很大的发展。永磁同步电机具有以下优点：体积小，结构简单，重量轻；损耗低，效率高，节约能源；温升低，可靠性高，使用寿命长；适应性强，特别是与电力电子控制系统的匹配性好。本课题中设计了新型永磁电动机抽油机（永磁盘面电机（或称永磁盘式电机）和复合式电机），下面将通过介绍各种电机来说明新型永磁电动机的结构和特点。

1.1普通旋转永磁同步电机

永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，已省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性，又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。正是由于永磁同步电机突出的优点，非常适合在交流伺服系统中的应用，因而它是近年来研究得较多的并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。永磁同步电动机也是由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的，也可以用铁片叠压而成。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用集中整距绕组，而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。在一些正弦波电流控制永磁同步电动机中，为了减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布以提高电动机的有关性能，采用了一些非常规绕组，如正弦绕组，电动机转矩纹波，常采用星形接法。提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗。可大大减小定子绕组通永磁同步电动机的气隙是一个非常关键的尺寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此外，气隙长度的大小还对电动机的制造工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。

1.2永磁盘面电机

永磁盘面电机属于轴向磁场的电动机。电动机的气隙是平面形的，气隙磁场方向垂直于气隙平面且和转子轴的方向相同，所以称为轴向磁场电动机。而普通圆柱式电动机的气隙是圆桶形的，气隙磁场方向垂直于圆桶切线的方向与电动机定子和转子截面径向方向相同，故称为径向磁场电动机。1821年，法拉第所发明的世界上第1台电机就是轴向磁场的靠永磁体来产生励磁磁场的永磁电机。由于当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石，磁性能较低，所以制成的电机电磁性能很低且电机体积庞大，不久就被电励磁的电机所取代。由于普通圆柱式电动机存在一些缺点，如冷却困难和转子铁心利用率低等，所以在上个世纪中叶以前，人们就又开始着手于轴向磁场电动机的研制。过去，由于受到永磁材料技术发展的限制，盘式永磁同步电动机一直未能得到有效的发展。近年来，随着稀土永磁材料科研技术的重大突破，大功率电力电子器件和驱动控制技术、计算机技术的高速发展，轴向磁场永磁同步电动机才得以大力的发展和应用。由于电动机作用磁场方向的变换，使得电机制造的轴向尺寸可设计的非常短，厚度大为减小，可广泛应用于各种薄型安装的特定场合，如电梯行业中的无机房电梯就大量地采用它作为曳引驱动的原动机。

2抽油机机械结构方案的选择

2.1用永磁同步电动机来代替普通的异步电动机

永磁同步电动机的出力和电机效率都比同类的异步电动机高，用永磁同步电动机来代替异步电动机可以使电机体积减小、效率提高，可以达到节能的目的。但这种方案相对于传统的抽油机来说只是改变了动力源，对其他的机械结构并没有简化，整个系统还是非常复杂。

2.2用永磁盘面电机替代减速器结构

在本方案中采用了新型永磁盘面电动机，新型永磁盘面电动机为低速大力矩电机，由于电机半径大，因此在电机圆周上可得到很大的出力。采用新型永磁电动机可直接驱动抽油机悬梁，去掉了复杂的减速机构，提高系统工作效率。这种低速大力矩电机为了获得大的出力，所以电机半径需要较大，但与传统抽油机系统相比体积还是减小了很多。采用盘面电机替代减速器结构。本方案包括驴头、游梁、连杆、机架、电机和调速装置。电机采用了永磁盘面电机，是由两个平行设置的扁平式定子和转子组成，盘面垂直主轴，构成驱动单元，并且，为了提高驱动能力，采用了在支架两端设置两个并行的盘面电机的结构，在这个方案中电机是连续运行的。定子中的电枢绕组和转子中的永磁磁极相对应，并且两个盘面电机的磁极也是相对应的，定子和转子分别安装在电机的机座和主轴上，连杆直接连接在游梁与电机转子的盘面所设的支轴之间，带动驴头上下运动。由于这种结构采用电机连杆驱动，没有齿轮减速机构，简化了抽油机的机械结构，从而提高了抽油机的机械效率，而且电机转子盘面面积大，有利于解决大力矩输出结构的设计问题。

3控制系统方案选择

3.1他控式变频调速

他控式变频调速采用独立的变频器（即输出频率由外部振荡器控制）作为同步电动机的变压变频电源。这样，电机相当于开环运行，所用变频器和变频调速的基本原理以及方法都和异步电动机变频调速基本相同。有研究表明，永磁同步调速驱动系统开环运行（特别是中频/中速下运行）常常难以稳定，但如果驱动系统在固定的滞后功率因数下运行，则可以在整个速度范围内保持稳定。

3.2自控式变频调速

自控式变频调速由电机轴上所带的转子位置检测器发出信号来控制逆变器的触发换相，即采用输出频率由电动机转子位置来控制的变压变频电源为同步电动机供电，这样就从永磁同步电机的内部原理上保证了频率与转速必然同步，构成“自控式”。自控式变频同步电机又称为无换向器电机。

结语

总之，以上是我个人见解。现行的抽油机系统效率非常低，新型抽油机在工作性能和节能技术指标上有明显的优势。本课题结合当今国内外抽油机节能系统的现状，对新型的永磁电动机作了深入研究，研究分析了盘式抽油机和复合式抽油机的结构，并针对消除齿槽效应，使电机运行更稳定。新型永磁电动机抽油机系统在工作性能和节能技术指标上有了明显的提高，通过一定的推广应用过程可以形成产品，可以大量的生产，并具有非常现实的意义。本文主要完成了以下几个方面的工作：

（1）对抽油机系统节能方案进行研究，对各种新型抽油机方案设计及优缺点进行比较，并且对盘式永磁电机和复合式永磁电机的具体结构进行研究与分析。

（2）对新型永磁电机抽油机齿槽效应引起的振动，结合生产工艺实际，采用斜槽及分段磁钢设计，通过三维电磁场有限元分析，设计合适的磁钢分布结构，实现平稳运行。

参考文献：

[1]李志民，张遇杰著，同步电动机调速系统.机械工业出版社.2001.

[2]苏奎峰等编著，TMS320F2812原理与开发，北京，电子工业出版社.2005.

[3]薛定宇，陈阳泉著，基于MATLAB/Simlink的系统仿真技术及应用.清华大学出版社.2002.