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1、伺服电机在油田使用存在的问题以及解决办法赵国强、李强、张艳(第九采油厂工程技术大队)摘要：本文阐述了油田生产中的普通三相异步电机、永磁电机功率因数和效率特性，针对前 两种电机在应用中自身无法克服的缺点，齐家北油田优选了伺服电机，伺服电机是一种智能 化的节能电机，具有普通电机无法比拟的优势。通过在齐家北油田的试验应用，证明了伺服 电机能够满足油田生产以及节能降耗的需求，在油田生产过程中具有广泛的应用前景。关键字：在用电机；伺服电机；优点；面临问题；节能探讨；目前油田在用的电机主要有三相异步电机和稀土永磁电机两种，但是两种电机都有自身 无法克服的缺点，随着油田管理要求越来越精细、节能降耗形势日益严
2、峻，油田需要一种节 能并利于管理的电机以满足油田高效开发的需求。1.目前在用电机(1) 普通三相异步电机三相异步电动机运行时必须从电网中吸收的 无功功率来建立旋转的磁场，所以它的功率因数 永远小于1。空载时，p2= 0，=0，随着输出功 率的增加，效率也在增加异步电动机额定效率在 74%-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定 效率处。功率因数和效率较低是目前在用三相异 步电机存在的最大问题。Pi二3UiIiCos甲 1 Pem=3E2ll2lCos(p2、Jf ig 卞3顶砧 P=Pm+Pad(2) 稀土永磁电机 pFe=3Io2rm永磁电机较好的克服服了三相相异步电机功率因数和
3、效率较低的缺点，成为一种节能效果较 好的电机，但是由于自身结构，存在以下两方面的问题： 启动困难。永磁电机的启动困难始终是一个无法避免的问题，分析原因主要有以下 及几点：一是由于永磁电机属于同步电机，在0.4-1.0S之间达到同步转速，在启动期间需 要一个较大的启动转矩达，可以达到额定值的4-5倍甚至更高，所以启动电流也比较高，达 到100A以上。二是由于电流较高，从变压器到电机之间的线路上由一个较大的电压降，导 致定子产生的旋转磁场强度下降，转子与旋转磁场无法同步运行导致了启动失败，并且在未 达到同步转速以前，电机本身存在极大的震动和噪音，这些都给目前的生产造成了极大的不 便。 存在退磁可能
4、性。永磁电机无法保证转子的磁场和旋转的磁场严格的垂直且同步， 在某个阶段相对于转子磁场存在一个水平分量。该分量会有两方面的影响：一是与旋转的磁 场相互作用会散发出热量，导致转子升温，从而使永磁体存在退磁的可能性。二是该水平分 量使永磁体本身磁场发生变化，这是导致永磁体退磁的最主要原因。2. 伺服电机的应用伺服拖动系统主要由带编码器的稀土永磁同步伺服电机和交流伺服控制器两大部分组 成。伺服电机也称执行电机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在控制信号来 到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自行停转， 因而得名“伺服”。（1）较好的解决了永磁电机面临的问
5、题1）平稳启动、消除震动从根本上解决了永磁电机启动困难的问题。变速箱和电动机的扭矩和输入功率变化趋 于平缓，大大降低了机械冲击负载对机、杆、泵、变速箱的疲劳损伤，延长设备使用寿命。 下图是古702-56-斜70井的启动电流曲线。古702-56-斜70电机启动电流曲线磁电控制，以达到节能最大化，于此同时从根本避免了永磁电机应用过程中退磁的可能性。 从以上两点可以看出伺服电机在保持永磁电机节能的基础上较好的克服了其自身无法克服 的缺点。电机动液面（m）冲次P kWQ kvarS kV AA当量 能耗 kW h节电率%单耗kW h/(t*1 00m)平均单耗 kWh/(t* 100m)综合节 电率%
6、异步电机 37kW20064.7 52 0.5 521.4 30.2 21.5 721.0 480.7 240061 31 94 2208 902 9? 1 6807 236007.3 12 0.2 122.1 40.3 32.7 170.6 0 48082 1.8 92 3.9 30.3 33.0 4 40.5 0 7伺服电 机18. 5kW20063.6 10.2 53.6 311.0 063 5.9 80.6 710.5 222 7.64005.1 20.3 55.1 411.5 123 0.2 60.5 0 46006.6 40.6 66.70.9 92.1 392 1.2 70.4
7、7 58079 1_07 879 609 92 6 16140 704 36永磁同 步18. 5kW20064 1 300 44 1 609 91 2 3217 108 20.5 7719.84005.2 60.0 85.3 20.9 91.7 132 0.9 80.5 7 1606.4 70.0 96.5 30.9 92.2 6 216.7 50.5 0 38067 500 667 712 4 96180 104 16此外伺服电机还具有无级变速、实时监控并输出扭矩、过平衡保护等功能。（2）伺服电机在应用过程中存在的问题以及解决办法伺服电机作为一种全新的电机，在现场面临的问题可以分为以下两类：
8、一是技术方面; 二是现场管理方面。1）技术方面技术方面主要包括两点：一是针对伺服电机平衡与节能的关系（定性）；二是由于伺服 电机平衡度与节能的关系（定量）；对于伺服电机存在两种电流：一是从电源至控制系统的电流，在测量电机耗电时用；二 是控制系统处理后进入电机的电流，称为、IV、IW，在判断电机是否平衡时用。伺服电机平衡与节能的关系（定性）u V W控制系统中有高精度的编码器，实现了转子扭矩的实时控制，所以在一个完整的周期内 对于不需要输出扭矩的区间，电机断电不做功，抽油机在净扭矩作用下自主运行，正是由于 伺服电机具备该功能，会造成一种抽油机在不平衡状态下更节能的假象。以功率平衡法为标 准，通过
9、现场试验得出在平衡状态下能耗最低，在非平衡状态下存在某时段电机不做功的的 现象，但是电流峰值会大幅度的增加，从本质来讲抽油机的净扭矩更平稳，消耗功率反而会 更高。古702-58-斜76，在严重欠平衡时峰值电流为20A/10A，严重过平衡时电流峰值为 10A/24A，而平衡时峰值电流为12A/14A。伺服电机平衡标准的判定（定量）106.7%。如果但从节电角度讲，平衡度范围可以放宽，依功率平衡为标准，可以放宽至60%， 对应电流平衡度为80%，但是为了整个抽油机系统的安全平稳运行，最终给出的平衡范围为 70-100%，对应的电流平衡为90-100%。2）使用中存在的管理问题严重的欠平衡或者过平衡
10、，对于严重欠平衡的情况，在下冲程电机断电，抽油杆柱带 着曲柄和平衡块快速下行，整个下冲程电机不做功，反之，杆柱和液柱在曲柄和平衡块的带 动下快速上升，整个上冲程电机不做功。严重的过平衡或者欠平衡对整个系统的稳定性有严重的影响，并且在过平衡的情况下减速箱齿轮有打齿的可能性。 对于严重漏失、抽油杆断脱、油管断脱、以及活塞脱出泵筒的现象，由于活塞无法加 载，同样会出现严重的过平衡现象。古72-42-66井，投产初期由于活塞脱出工作筒，出现 严重的过平衡现象，由于控制系统有过平衡自保护系统，无法起机落实泵况，在取消了自保 护后，抽油机启动，测得功图为活塞脱出工作筒，该井重调防冲距后目前正常生产。 对于
11、活塞卡死的情况，会出现严重的欠平衡现象。活塞在泵筒内卡死，上冲程抽油机 拉伸抽油杆，下冲程抽油杆弹性缩短，会带动抽油机快速下行，出现严重的欠平衡的假象。 古72-56-斜62井在投产初期，四个平衡块半径均调至最大，仍然表现出严重的欠平衡现象， 上电流最大值为130A，下电流为0，后经落实该井初期卡泵。建议此类井洗井处理，处理开 后用吊车带动光杆憋泵，若起压则证明泵效正常，否则该井返工处理。 对于活塞未卡死的井，即上行遇阻或者下行遇阻，目前齐家北该类井共有9 口，其中 上行遇阻3 口，下行遇阻6 口。建议此类井洗井后若无法正常生产，建议更换大功率电机，3. 伺服电机应用前景（1）合理匹配参数，进
12、一步节能降耗1）通过理论计算和实测得出冲程、冲次、泵径与耗电的关系曲线3 2 1率功耗消日产液2t,D=32mm,n=5min 冲程（m）1.6 1.822.2 2.4 2.6 2.833.24 3 2 1 率功耗消02468日产液 2t,s=2m,D=32mm，冲次（min-1）4日产液2t,s=2m,n=5min 泵径（mm）26283032343638403 2 L率功耗消1从以上三个图可以看出：对于冲程、冲次，增加另外一个参数，能耗增加比较明显，相 对于冲程，冲次对能耗影响为最敏感。从图中可以看出，在冲程和冲次一定的前提下，泵径的增加对消耗功率并无明显的影响， 这就对进一步节能提供了新
13、思路。2）使用大一级泵可行性分析目前齐家北油田平均泵深1800米，抽油杆为H级22mm以及19mm抽油杆组合使用，若 泵径32mm平均最大允许下泵深度2208米，允许38mm泵的最大深度为1970m。齐家北油田 在用抽油机为CYJS8-3-37HB和CYJS8-3-26HB，最大选点载荷80kN，使用38mm抽油泵，在 泵深1850m，冲程3米、冲次6次的前提下，最大理论载荷为70.9 kN，最小为31.45kN， 抽油机载荷最大利用率88.6%，可以满足38mm泵生产的需要。从以上分析可以得出：结合伺服电机无级变速的特点，在满足抽油机正常运转的前提下， 可以使用大一级的抽油泵，目前齐家北在用
14、的均为32mm泵，对产量预测较高的井或者产量 较高的作业井可以使用38mm的抽油泵低冲次生产（冲次控制在3次以内），达到节能的效果， 在相同理排和冲程为前提，节电率可以达到15%以上。（2）智能工作模式在一个完整冲次过程中实现快抽（上冲程快）慢下（下冲程慢）工作制度，该工作模 式有助于液体充分进入泵筒内并且在上冲程过程中减少漏失量，可以提高泵效的同时进一步 节能。由于私服控制系统是一种智能控制系统，可以通过程序很方便的实现人机的交流。除 了上述模式外还可以实现的在一个冲程内某时段按照设定加速度或减速度运行、恒功率或恒 扭矩工作模式、变功率或变扭矩运行模式等，要实现这些模式需要安装角位移传感器，增加 成本在200元内。4.结论（1）从齐家北使用情况来看，伺服电机克服了三相异步电机和稀土永磁电机自身无法避 免的缺点，同时有具备常规电机无法比拟的优势，完全可以满足生产的需求，并且能取得较 好的节能效果。（2）由于伺服电机对泵况和平衡程度比较敏感，这给生产管理提出了更高的要求。（3）充分发挥伺服电机无级变速的特点，在满足抽油机平稳运行的前提下可以对产量高 的油井采取换大泵的方式进行生产，针对齐家北油田使用38mm抽油泵泵，把冲次控制在3 次以内，节电率可以达到15%以上。
