抽油机周期变速拖动节能法 所属技术领域
本发明涉及油田采油用的游梁抽油机及其电力拖动技术，尤其是涉及一种抽油机周期变速拖动节能方法。
背景技术
游梁抽油机有结构简单、价格低廉、维修费用少等优点，半个世纪以来，国内外的油田都广泛使用，然而它也存在着较严重的缺点。抽油机是重载起动并长期轻载运行的设备，属于交流力矩电动机的输出特性，但是现有技术中的交流力矩电动机是通过增加转子回路电阻值将过剩转差功率转化成热能后散掉的方式来实现所需转矩特性的，因转子回路电阻很大使其大量发热，迫使电动机设计得体积大、造价高，又加上运行效率低而使其不能用于拖动抽油机设备。因此，半个世纪以来，油田一直是在使用普通鼠笼型6极和8极异步电动机来拖动抽油机，由于普通鼠笼型6极和8极电动机的起动转矩只有两倍额定转矩，为能使抽油机正常起动，需按抽油机的起动转矩选配电动机的规格，可是起动之后正常运行时电动机的平均负载率只有30％左右，造成严重“大马拉小车”的状况。抽油机用的电动机是通过皮带轮、齿轮箱、曲柄轴和四连杆等，将电动机在额定转速下的高速旋转运动转换成悬点的低速上下直线往复运动的，现在使用的Y系列(IP44)普通笼型电动机只能在额定转速下才能长时间运行，电动机的恒速旋转运动，通过曲柄轴机构的软换向转换成速度按正弦规律，从零到最大值的变速往复直线运动，通过上千米地长拉杆传到井下抽油活塞，达到抽取石油的目的；这种传统的直线变速运动抽油方式，难以使井下活塞泵的抽汲参数趋于合理和减少泵的漏失，使进一步提高油泵效率受到限制。由于曲柄轴传动的固有特性，使其直线运动速比急骤变化，电动机是长期拖动着从零负载到最大负载周期性脉动条件下运行的，再加上四连杆传动机构形成的不断变化的传动角，又造成了脉动负载峰值前移和产生负转矩现象，使抽油机的负载特性进一步恶化，靠调节平衡配重已无法实现抽油机的完全平衡运行，从而使电动机的力能指标大幅度下降，使原来有90％运行效率的Y系列电动机的运行效率下降到65％左右，同时使Y系列电动机的功率因数下降到0.4左右。
抽油机是一种重型机械，起动时的惯性负载转矩很大，加上电动机是运行在周期性脉动负载条件下，迫使配套的电动机规格都偏大，造成电动机的起动电流是运行时平均电流的17～19倍，为满足电动机起动时大电流的需要，供电设备容量也要随电动机功率的增大而相应增大。
抽油机电动机在零负载或接近零负载运行时，不但电动机空耗电能，而且单机供电的油井专用变压器等供电设备也空耗电能。
长期以来，世界各有关国家的专业界一直在努力解决抽油机运行效率低的问题，也研制出了多种新产品；国内近二十年期间由于油井数量猛增，提高采油效率和降低采油成本正在被重视，国内各有关部门也投入了大量的资金、人力和物力以改善和提高抽油机的运行效率，然而到现在为止，始终未能找到实际有效地解决这一问题的技术方案。
【发明内容】
本发明的目的之一是提供一种能使游梁抽油机的低效率抽取变成电机周期性变速拖动的高效率抽取方法。
本发明的目的之二是提供一种与现有相同功率和极数的感应电动机相比在起动电流不增大的条件下，输出五倍左右额定转矩和通过无级自变速功能与抽油机的惯性负载相互耦合，而将变转矩的脉动负载转化为正常的连续负载，达到高度适应抽油机的起动和运行特点的高效率交流电动机。
本发明的抽油机周期变速拖动节能方法是这样实现的：它包括游梁抽油机、有杆抽油泵和交流感应电动机，电动机通过皮带轮、齿轮箱、曲柄轴和四连杆等将电动机的恒速旋转运动转换成往复直线运动，抽油机上的曲柄轴每转一转形成的两次最高传动速度及两次软换向时通过零速度点这种固有的特性，使抽油机的负载转矩周期性地从零转矩变化到最大转矩，又从最大转矩变化到零转矩，其特征在于：交流感应电动机的每相定子绕组都分别通过开关与几组交流电容器配成几个不同转速下的并联谐振回路，电动机转子上的每一对磁极所占槽数中，都设置七相至十二相的绝缘绕组，使电动机的输出特性高效率地，与抽油机运行时产生的有害惯性负载相互耦合，将抽油机的脉动负载转化为正常的连续负载。当抽油机负载所需的转矩迅速减小时，电机转速大幅度上升，使电动机输出的过剩功率通过惯性负载存储在抽油机的传动系统中，成为惯性动能；当抽油机所需转矩迅速增大时，电动机转速迅速大幅度下降，使存储在传动系统中的动能释放出来，同电动机输出的功率相加共同拖动抽油活塞。这样电动机的负载就成为连续的，且在0.6倍左右的脉动峰值负载下高效率运行。
通过多次试验和理论分析都证明了，低感应电势的三相交流感应转子，也具有直流电动机转子的性质。因为在交流感应电动机的转子上将每一对磁极所占的槽数中都设置有七相以上的多相绝缘绕组，其中每一相绕组所占的气隙磁通都是每极转子磁通的一部分，由于磁通量小，在每周磁通变化时所感生出的电势和电流都较小，因此，构成了一个磁势较弱的转子磁极，在转子磁势与定子磁势耦合时，其合成的磁通矢量是以定子磁势为主的增强形合成磁场，这就从根本上改变了交流感应电动机转子磁势的性质，使其特性趋向于直流电动机的性质；克服了在高转差率下运行的交流感应转子必然感生高电势和产生很大的转定子电流的现象，实现了交流感应电动机转子在高转差下运行时也具有较高功率因数和高效率的目的，同时实现了电动机在起动电流不增大的条件下起动转矩MQ达到5倍左右额定转矩的起动性能。
其从属特征在于：
1.交流感应电动机转子绕组还包含有用单根或多根扁、圆铜线在每一对磁极所占槽数中，同时设置九相和十二相其匝数比可调的双层复合结构的两套各相独立自成回路的绝缘绕组。
2.通过调节抽油机平衡配重的方法来实现分别调节抽油机上冲程速度或下冲程速度，以减少空抽的行程，提高油井产量，并节约电力和维修费用。
3.抽油机从最大转矩向零转矩变化时，电动机转速大幅度升高，有效地补偿了由于曲柄轴传动造成的抽油活塞失速的问题，减少了油泵在超低速下的回漏。
4.三相交流感应电动机的定子绕组，每一相都由匝数比为1∶3.5±0.85的两个绝缘绕组构成。能使电动机的起动转矩达到5倍左右额定转矩，又能使电动机在变速区间内有高的工作效率。
本发明的有益效果是：
1.游梁抽油机周期变速拖动的节能方法，能在现有常规抽油机保持软换向的优点的同时，使抽油活塞的抽取速度更加合理，从而优化了抽油机的运行特性，可显著提高抽油机的整机运行效率和大量节约电能。
2.抽油机的变速拖动，能减小三角皮带、齿轮箱和滚动轴承的负载峰值，能减小电力消耗和提高可靠性，同时也能减少维修费用和延长设备的使用寿命。
3.能高度适应抽油机的重载起动和运行特点的大起动转矩交流电动机，由于由于起动电流小，可以降低供电设备的容量，提高供电变压器的运行效率以及节省设备的投资。
4.大起动转矩的高效率电动机，在改变供电电压时能形成一个高性能的无级调速电动机，从而实现抽油机在运行中无级调节冲次和无级调节上、下冲程的时间，随时对低产油井、稠油井的冲次进行调控，以使抽油机运行在最佳工作状态，提高产油量，降低采油成本。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是18.5kW 6极抽油机专用的大起动转矩交流电动机与普通Y系列18.5kW6极交流电动机的转矩特性曲线和电流特性曲线的比较图。
图2是经过平衡后的游梁抽油机的脉动负载转矩曲线和通过周期性变速拖动方法，使其变成55％左右峰值的连续负载转矩特性的曲线。
图中1.本发明的一种18.5kW 6极抽油机专用大起动转矩电动机的转矩特性曲线，2.大起动转矩电动机的电流特性曲线，3.普通Y系列18.5kW 6极交流电动机的转矩特性曲线，4.普通Y系列18.5kW 6极交流电动机的电流特性曲线，5.游梁抽油机的脉动负载转矩特性曲线，6.通过周期性变速拖动方法使脉动负载转矩转换成连续负载转矩的特性曲线。
【具体实施方式】
游梁抽油机的变速拖动方法是由以下各部分组成的一个系统来实现的。
设置在油井下部的长活塞泵所需要的动力，是通过上千米的长拉杆从地面井口传动的，固定在拉杆上端的钢丝绳同游梁传动连接，游梁的另一端通过横梁和两根长连杆同两个曲柄轴传动连接，然后再通过重型减速箱和大皮带轮等这些重型部件，以及装在曲柄轴上的几个上吨重的大型平衡配重与交流感应电动机传动连接。由于整个传动系统的惯性特别大，在抽油机起动时，电动机除了提供液体抽取和提升所需的负载转矩外，还必须提供更大的使传动系统加速所需的惯性负载转矩，其具体转矩的大小是根据能否在电动机不过热的时间内完成抽油机的起动过程。
使用本发明的目的之二所提供的一种，18.5kW 6极抽油机专用的大起动转矩交流电动机，其起动转矩见图1的曲线(1)，它能提供1016Nm(样机实测值)的起动转矩，是普通Y系列18.5kW 6极交流电动机额定转矩的5.8倍，比现在抽油机上使用的Y280M-55kW 6极电动机的起动转矩还大，能用这种轻量化的小功率电动机代替55kW 6极电动机使抽油机正常起动，并在75％左右额定负载下高效率运行额定负载下高效率运行。由于这种大起动转矩专用电动机的最大起动电流，图1中曲线(2)为219.5A(样机实测值)是普通Y系列55kW 6极交流电动机584A起动电流的37.5％，其起动效率是原来的2.7倍左右。电动机在起动过程中的发热量与温升是随着其总损耗的减少而下降的，因此可以适当延长大起动转矩电动机起动过程的时间。例如将起动过程的时间延长30％，就能使原来用Y315S-75kW 6极电动机才能起动的抽油机，用机座号为225M的18.5kW 6极大起动转矩电动机进行正常起动，并长期运行在18kW～20kW功率范围。另外，由于起动抽油机的起动电流由75kW电动机的783A下降到18.5kW的219.5A，仅是前者起动电流的28％，这就能使几个油井共用一个供电变压器或适当减小单井供电变压器及供电系统的容量。
游梁抽油机的负载转矩，图2中的曲线(5)，是造成抽油机使用的各种电动机运行效率低的主要因素。求解这一课题的办法是，将周期性脉动负载转矩转化成图2中曲线(6)的55％左右峰值转矩的连续转矩，使电动机的负载率始终处于80％～50％额定功率条件下运行。使抽油机的脉动负载转矩转化成连续负载转矩的必要条件是，一种能高效率地使其转速随着抽油机的负载转矩大小成反比变化的电动机，利用抽油机传动系统中的惯性负载进行储能。按照图2中的曲线(5)，当抽油机的负载转矩迅速下降时，电动机输出的部分过剩转矩用于加速抽油机传动系统的惯性，补偿悬点的瞬时运行速度，将电能转换成动能存储在传动系统中。当负载转矩迅速上升时，电动机的转速随着下降，使存储在惯性系统中的动能释放出来，同电动机输出转矩相加共同拖动抽油活塞运行，使电动机的负载率始终处于80％～50％的高效率运行区间内。