开关磁阻电机驱动抽油机CAD设计

摘要

目前各油田的抽油设备为常规游梁式抽油机，其存在的主要问题是能耗大、效率低。现有抽油机的行程固定造成抽油效率低下；同时，游梁式抽油机存在许多问题，如“大马拉小车”问题，“倒发电”问题，运行效率低，能源浪费严重等。游梁式抽油机附件多，依靠改进结构，不能使其系统效率有质的提高，因为每增加一个环节就必然会增加一份附加损耗。

开关磁阻电动抽油机在我国乃至世界都属于新兴技术，开关磁阻电动抽油机采用开关磁阻电机驱动，舍弃了大部分变速传动环节，将传统的旋转驱动变为直线往复驱动，使开关磁阻电动抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。

本文提出了开关磁阻电动抽油机的几种设计方案，根据运动副的多少和修井作业的方便，确定了其中最优的设计方案。本课题在分析抽油机系统的工作原理及存在的问题和开关磁阻电机（Switched Reluctance）电机调速系统的工作原理的基础上，重点研究了开关磁阻电机驱动的直驱式抽油机，设计了井架、传动轮。并从抽油机的运行特点考虑，以“快提慢放”为例进行设计。上冲程时系统处于电动运行状态，采取调制PWM占空比的电压斩波控制方式；下冲程时系统处于倒发电状态，采取调节上限值的电流斩波控制方式通过优化开关磁阻电动抽油机基本运行参数，可以降低悬点最大载荷及最大载荷与最小载荷差值，使开关磁阻电机运行更加平稳。通过提高开关磁阻电动抽油机的工作效率，减少电机内部的各种损耗，达到节能的目的。

通过游梁式抽油机与开关磁阻电动抽油机系统效率分析和装机功率对比分析，得出了开关磁阻电机驱动的抽油机更有利于提高系统效率，和具有良好的节能效果。研究设计这种抽油机有着特殊的意义。

关键词开关磁阻电动抽油机开关磁阻电机驱动抽油机CAD设计

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Abstract

At present the oil field pumping equipment for the conventional beam pumping unit, the main problem is that its energy consumption, low efficiency. The existing schedule of fixed pumping inefficiencies caused by pumping; the same time, beam pumping unit has many problems, such as "big horse car" problem, "power down" problem, low efficiency, energy waste and serious. Multi-beam pumping unit attachment, relying on improved structure, not to improve the quality of the system efficiency, because each additional step of an additional loss is bound to increase.

Switched Reluctance Motor pumping in China and the world are all emerging technologies, switched reluctance electric motor driven oil pump with switched reluctance to discard most of the variable speed transmission links, the conventional rotary drive into linear reciprocating drive, so that switched reluctance electric pumping unit with a more complete sports performance, dynamic performance and balance performance.

This paper presents a switched reluctance of several designs of electric pumping unit, according to the number of sports and workover Vice convenience, which determine the optimal design. Pumping system in the analysis of the issues the working principles and the problems and SRM (Switched Reluctance) motor control system based on the works, focusing on the switched reluctance motor drive direct drive pumping unit the design of the derrick, the drive wheel. And consider the operating characteristics from the pumping unit in order to "slow put" as an example of the design. When the system is on the stroke of electric running, PWM duty cycle modulation voltage to chopper control; under the power-stroke state when the system is down, adjust the upper limit to the current chopping control of switched reluctance electric pumping unit by optimizing the basic operating parameters, can reduce the suspension point, the maximum load and maximum load and minimum load margin, the switched reluctance motor run more smoothly. Switched Reluctance Motor by improving the efficiency of pumping units to

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reduce the various losses within the motor, to save energy.

Through the beam pumping unit and the switched reluctance electric pumping system installed power efficiency analysis and compared and analyzed the switched reluctance motor drive system more conducive to improving the efficiency of pumping, and has a good energy saving effect. Study Design This pumping unit is of special significance.

Key words Switched Reluctance Motor switched reluctance motor drive pumping CAD Design

III

第1章引言

1.1课题来源及研究意义

1.1.1课题来源

目前我国大多数油田已相继进入了开发的中后期，油井逐渐丧失自喷力，基本上已从自喷转入机采。80年代初，我国拥有机采油井2万口，占总油井的57.3%，机采原油产量占总产量的27%。2000年我国油气田共有抽油机采油井8万口，占油田总井数的90%。在这些机采油井中，采用抽油机有杆式抽油的占90%，采用电潜泵、水力活塞泵、射流泵、气举等其它无杆式抽油的只占10%。近几年，随着稳油控水和节能的要求不断提高，各种型式的节能型抽油机和长冲程抽油机的数量不断增加。由此可见，抽油机在各油田的原油生产中有着举足轻重的地位，并且随着油田的进一步开发，各种新型节能抽油机将会得到广泛地推广和应用。

随着井深和产量的增加，同时采油条件的复杂化，现有抽油设备的缺点越来越明显：抽油机的重量增加；现有抽油机的行程固定造成抽有效率低下；同时，游梁式抽油机存在许多问题，如“大马拉小车”问题，“倒发电”问题，运行效率低，能源浪费严重等。油田开发进入中后期，特别是低采液井、稠油井和非注水井，要求驱动设备具有调速功能，才能提高系统效率，达到节能的目的。针对上述问题，结合开关磁阻电机的工作特点和应用前景选定本课题。

1.1.2课题研究意义

在我国的大多数油田，游梁式抽油机是主要的机械采油设备，也是主要的耗能设备。据统计，在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗，而游梁式抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%。目前我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机总装机容量在3500MW以上，年耗电逾百亿千瓦时。抽油机的运行效率比较低，在我国平均运行效率仅为25.96%，国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿千瓦时。可见，石油行业是推广“电机系统节能”的重点行业[1]。

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1.2抽油机现状与发展前景

1.2.1抽油机的原理

油田开采原油的方法分为两类：一类是利用地层本身的能量来举升原油，称为自喷采油法，常见于新开发且储量大的一些油田；另一类是到了油田开发的中后期，地层本身能量不足以使原油产生自喷，必须人为地利用机械设备将原油举升到地面，称为人工举升采油法或机械采油法。

采油方法中不利用抽油杆传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备，利用抽油杆上下往复进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备。利用抽油杆旋转运动驱动的井下单螺杆泵装置，虽然也有抽油杆，但习惯上不列入有杆抽油设备[10]。

有杆泵采油技术是应用最早也最为广泛的一种人工举升机械采油方法。有杆抽油系统主要有三部分组成：一是地面驱动设备即抽油机，它由电动机、减速器和四连杆机构（包括曲柄、连杆和游梁）等组成；二是井下的抽油泵（包括吸入阀、泵筒、柱塞和排出阀等），安装于油管的下端：三是抽油杆，它把地面驱动设备的运动和动力传给井下抽油泵，这三部分统称三抽设备。

抽油机是一种把原动机的连续圆周运动变成往复直线运动，而通过抽油杆带动抽油泵进行抽油的机械设备。游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种，1919年美国就开始批量生产这种抽油机[8]。

目前我国大多数油田已相继进入了开发的中后期，油井逐渐丧失自喷能力，基本上已从自喷转入机采。80年代初，我国拥有机采油井2万口，占总油井数的57.3%，机采原油产量占总产量的27%。2000年我国油气田共有抽油机采油井约8万口，占油田总井数的90%。在这些机采油井中，采用抽油机有杆式抽油的占90%，采用电潜泵、水力活塞泵、射流泵、气举等其它无杆式抽油的只占10%。近几年，随着稳油控水和节能的要求不断提高，各种型式的节能型抽油机和长冲程抽油机的数量不断增加。由此可见，抽油机在各油田的原油生产中有着举足轻重的地位，并且随着油田的进一步开发，各种新型节能抽油机将会得到广泛地推广和应用。

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1.2.2常规游梁式抽油机存在的主要问题

抽油机井是油田生产量大面广、投入较大的项目。降低抽油机井的生产成本、提高原油生产效率，将是人工举升挖潜增效的主战场。（其中90%以上为常规游梁式抽油机），若每口抽油井实用功率按10kW计，5×104台抽油机每天耗电近12×10６kWh，年耗电近4.4×109kWh[9]。若我们将抽油机的系统效率平均提高5%，就全国而言每年可节电近2.2×108kWh。这不仅可以节约大量能源，还可以缓解油田用电紧张状况，既有经济效益又有社会效益。

常规游梁式抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田的考验，经久不衰。目前仍在国内外油田普遍使用。常规机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。但是由于常规机的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20-30%，为油田电耗的第二位，仅次于注水。

常规抽油机的主要问题是能耗大，效率低。究其原因，在于系统总效率是系统在地面和井下近十个组成部分的分效率和相关反馈系数的乘积，显然要提高抽油机系统的总效率实现节能是一个复杂的系统工程问题，任何一环的分效率变低，都会是总效率变低，由此可见降低系统高能耗的迫切性和难度。

游梁式抽油机是机、杆、泵组成的复杂系统，而且上下冲程固定单一造成采油效率低下，同时造成能源浪费的原因有以下几方面：

（1）游梁式抽油机是一种带有冲击性的周期交变负载，起动转矩大，在一个周期（一个冲次）内负载波动很大。这种负载要求驱动电机在选择容量时留有足够的余量，以保证带载起动时能克服抽油机较大的惯性扭矩，满足起动要求。在运行时要有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩。另外，泵挂深度、动液面、含水、粘稠度和井口回压等也对载荷有较大的影响，使得电动机余量进一步增大。这就是造成“大马拉小车”的原因。游梁式抽油机在运行过程中电机处于轻载状态，负荷率很低，电机的运行效率和功率因数都很低。

（2）游梁式抽油机在运行过程中，曲柄的角度是时刻变化的，不同角度平衡效果是不同的。在一个冲次中电机电流的大小和相位也是不断变化的。在一

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个冲次中存在两个瞬间发电状态。发电情况与平衡有关，平衡效果越差，发电越多。平衡效果较好时，只有一次发电状态。电机从电动到发电，再从发电到电动，使得电机的平均功率因数变得更低[1]。

现场实际运行的游梁式抽油机，几乎全都不同程度地存在电机“倒发电”现象。其第主要发生在抽油杆下落的过程中，随着抽油杆下落速度的不断增大，到抽油杆下落的中后期，抽油杆反拖“驴头”使交流电机处于发电状态，向电网回馈电能，这样一部分油杆下落时的能量被交流电机吸收。到油杆上升时，电机需再次做功补偿油杆下落时被自己吸收的能量，因而加大了电机的动载负荷及转换损失，这种转化损耗可达50%左右。由于“倒发电”现象使电机与电网之间发生了能量交换，无用功增大，降低了电机的功率因数，恶化了电网的品质[2]。

（3）游梁式抽油机在完成一个抽油周期（冲次）的过程中，上、下冲程的负荷也不平衡，并且差别较大。尽管游梁式抽油机都设计有配重悬锤，但是由于配重悬锤的配重是固定的，而油井的工况是变化的，即使是同一口油井，随着开采过程的进行，井下液位也会发生较大变化，这些都直接影响着电机的运行工况。再加上配重悬锤机构的机械调整受到现场诸多条件的限制，使抽油机不能完全达到平衡。经过曲柄平衡块和游梁平衡块的共同平衡效果后，抽油机的悬点净载荷交变程度得到一定程度的缓解，但是，悬点净载荷的交变程度还是比较大的。这种不平衡的负载，由基于恒定负荷设计的电机拖动，势必造成电机运行中的能量浪费。

（4）游梁式抽油机是一个复杂系统，在这个系统中抽油杆是不能被忽视的。通常抽油杆都在1000m以上，甚至是2000m。这样长的抽油杆在运行过程中弹性形变已经很明显，尤其是换向加速度大时抽油杆形变更大。这种形变使光杆与泵中的活塞的运动规律产生很大的差异。在大多数情况下抽油杆的弹性形变减少了活塞的实际行程，即降低了抽油泵的充满系数，使游梁抽油机系统效率降低。油越稠抽油杆的弹性形变越大，冲次越高抽油杆的弹性形变越大，对提高泵效越不利[1]。

针对以上问题，本课题研究设计一种基于开关磁阻电机的抽油机调速方案，有助于提高油井采收率和系统效率，同时达到增产节能的目的，因此具有重要的现实意义。

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1.2.3 抽油机用电机的发展进程和特点

油田开发进入中后期，采油成本不断提高，为了降低电机能耗，各式各样的节能技术得到广泛应用。随着科学技术的发展和采油工艺的要求，调速电机也逐渐在油田普及开来。现场中应用的抽油机电机可分为三类：

普通三相异步电机

普通Y系列电机在油田抽油机上应用的最多，约占80%。它性能好，噪声低，振动小，价格低，稳定可靠，是一种传统电机。随着Y系列电机优点的突出表现，在采油现场被大规模的推广应用。缺点是：适合于排液量充足的注水井，在抽油机上应用效率较低，没有特色。

节能电机

抽油机在生产过程中，电机承受周期性变化负荷，平均输出功率与最高输出功率之比为0.3~0.4，启动转矩与运行转矩之比为1.5~1.8倍。这样就存在“大马拉小车”的现象，资源配置不合理，同时存在能源浪费的问题，因此人们开发使用了节能电机。

（1）双功率电机

双功率电机与普通电机的区别在于定子绕组不同，定子绕组是一个串联绕组，是一个有抽头的绕组。比如37KW的电机，可以将定子绕组设计成一个为37KW，另一个为22KW。控制柜中有一个电流检测电路，并且能够实现绕组的自动切换。起动时可投入大功率绕组，运行时可投入小功率绕组，小功率绕组的效率和功率因数都很高这样就较好地解决了“大马拉小车”的问题。

优点是：电机启动电流小，启动时的电压降小。

缺点是：配电柜需加装集成电路控制板，使控制线路复杂，维修困难而难以推广。

（2）超高转差电机

这种电机的转子是一种高阻转子。利用高阻转子实现软特性，当遇到换向冲击载荷

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时，转速下降。减速机和电机的扭矩变化趋于平缓，峰值扭矩大大降低，从而改善了机、杆、泵的配合，提高了泵的充满系数，增加产液量，达到系统节能的目的。

优点是：启动转矩大、电流小，启动时的电压降较小。无功节电较明显，功率因数有所提高，电机功率也有所提高。

缺点是：转差大，损耗较大，效率低，电机易发热，夏天因发热电机烧坏的较多。

（3）稀土永磁电机

稀土永磁同步电机的转子由稀土永磁材料和起动鼠笼组成。效率高，启动转矩大，功率因数高，运行电流小。可呈容性或感性负载运行，这一特性最大限度的减少线路损耗，减少线路压降，提高供电质量。目前已有一定规模的使用，是最有发展前景的电动机。

缺点是：起动电流比普通电机大，起动过程中，电机转矩有振荡，功率因数受电压的影响较大。稀土永磁电机的价格比普通电机高很多。但目前稀土永磁电机经常出现退磁，这是一个麻烦的问题。

调速电机

随着先进控制算法的广泛应用和电力电子技术的发展，为了达到节能减排的目的，提高系统效率，调速电机应运而生。

（1）变频调速电机

这种方案是在普通电机的电源上加一个变频器，可以降低电机的容量，负荷率得到较大提高，可以调整上、下冲程的冲次比，能改善抽油机系统的配合，还可以实现平滑调速，内置回馈制动单元，可把再生电能回馈电网。美中不足的是低速时电机和变频器发热严重，起动转矩和过载能力不大。另外，一次投入大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损耗，变频器的谐波对电网有影响，并会使电机附加损耗增大。

（2）电磁滑差电机

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这种电机实质上是在普通电机轴与负载轴之间增加一个电磁离合器，其传递扭矩随电磁离合器的励磁电流的大小而变化，励磁电流是根据电机电流进行反馈控制的。在冲击载荷时，离合器滑差增大。这使电机与系统达到较好的配合，还可以实现平滑调速。系统节能除去励磁损耗和滑差损耗所剩无几，滑差大时要多耗能。另外电磁离合器和励磁控制系统的成本比电机还要高。目前这种电机主要是解决抽油杆低冲次的问题。

（3）磁阻电机

磁阻电机具有结构简单，转子无绕组，是一种典型机电一体化结构的全新无级调速产品。

优点：速度调整方便，比较容易调整抽油机的冲次，电机本身效率较高，但是控制柜、电动机合在一起测试效率不高。

缺点：控制线路复杂，产生谐波分量较大，引起变压器的电压波形畸变；噪声很大；目前有小规模的应用[2]。节能与调速是目前新型抽油机电机的发展趋势。电机调速使冲次可以在一定范围内方便调节，使作业方案优化设计更容易实施，有利于提高油井系统效率。在目前全国能源消耗不断上升的情况下，降低油井电机能耗具有重大意义[3]。

开关磁阻电动抽油机是近年来新兴的抽油机，现有的资料对其理论研究也较少。因此本章将对将对开关磁阻电动抽油机基本工作理论进行分析，通过开关磁阻电动抽油机悬点的运动分析，确定开关磁阻电动抽油机的悬点静载荷和动载荷大小，并得出平衡重的计算方法，为该机的优化提供理论依据。

1.2.4开关磁阻电机的发展进程

开关磁阻电机（Switched Reluctance）电机的最早文献记载可追溯到1838年，苏格兰学者Davidson制造了一台用以推进蓄电池机车的驱动系统，机车重数吨，而最高速度却很低，由于当时采用的是机械开关，其运行特性、可靠性和机电能量转换效率都是很低的，从而难以引起人们太大的关注。随着电力电子器件和电磁场计算技术的发展，开关磁阻电机电机又逐渐吸引了人们的注意力。上个世纪70年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机电机的雏形，并进行了试验研究，发表了许

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多论文，这些论文系统地阐述了开关磁阻电机电机的原理及设计理论，研究了开关磁阻电机电机的特性及控制方式，这些工作被认为是开关磁阻电机电机研究的奠基之作。福特电机公司的Unnewehr和Koch以及Bausch等学者对轴向气隙、晶闸管控制的开关磁阻电机电机的研究，使研究工作进入了一个新的发展阶段。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM会议上，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了开关磁阻电机电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代开关磁阻电机电机的地位。目前，开关磁阻电机电机得到了很大的发展，产品已经逐渐应用于电动车驱动系统、家用电器、通用工业等领域。功率范围从

10W（转速10000r/min）到5MW（转速50r/min），转速上限高达

100000r/min，应用领域非常广泛[5]。

除英国外，美国、加拿大、前南斯拉夫、埃及等许多国家也都在积极开展开关磁阻电机电机的研究工作。美国空军和GE公司联合开发了航空发动机用开关磁阻电机D起动/发电机系统。加拿大、前南斯拉夫在开关磁阻电机电机的运行理论、电磁场分析等方面做了大量研究工作。埃及则对小功率的单相、两相开关磁阻电机电机的结构、起动性能等方面进行了许多研究。一些学者还研究了新型结构的开关磁阻电机电机，如盘式开关磁阻电机电机，外转子式开关磁阻电机电机、直线式开关磁阻电机电机和无位置传感器开关磁阻电机电机等[7]。

目前从事开关磁阻电机D系统的研究和生产的国际性公司主要有：美国的通用电气、艾默森，日本的三洋电机、松下电气、法拉克，德国AEG，英国开关磁阻电机 Drives Diamond，意大利的西格米电机，俄罗斯的莫斯科动力工程学院。

国内，1985年华中理工大学开始研制以SCR为功率变换器主开关的

7.5KW的开关磁阻电机D系统；1987年，中纺机电研究所与南京调速电机厂合作开发了3KW8/6机、以BJT为功率开关器件和以51单片机为核心芯片的开关磁阻电机D控制器；2002年30KW的开关磁阻电机电机在山东淄博红卫电机厂通过鉴定。根据北京中纺锐力机电有限公司网页的新产品介绍，该公司已经开发出了基于32位DSP核心芯片进行全数字控制开关磁阻电机D系统，应用范围涉及到煤矿、交通、家电等领域，功率范围可为7.5KW~400KW[6]。

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SR电机的基本结构和工作原理

SRD系统由两大部分构成：第一部分是实现能量转换的部件，即被控对象SR电动机；第二部分是控制能量传输和转换的系统，即控制系统。控制系统又包括功率驱动、控制器及检测单元。功率驱动部分是SRD系统能量传输的关键部分，在强电环境下用来控制SR电机相绕组电流的通断，驱动SR电机的运转，是影响系统性能价格比的主要因素。控制器及检测单元是SRD系统的核心部分，在弱电环境下通过外围键盘等设备指令的下达，检测转子位置和绕组电流的大小等信息，送入CPU并结合控制策略，得出最佳的控制方法，然后将控制信号送入功率电路，其设计的好坏直接影响电机的运行性能。SRD系统整体组成框架结构如图2-3所示。

图1-1 SRD基本构成框图

1．SR电机的基本结构与工作原理[20]

SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，也是SRD系统有别于其他电动机驱动系统的主要标志，它的结构和工作原理与传统的交直流电动机有着根本的区别。它遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，产生磁拉力形成转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以SR电机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。

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以图1.2中定、转子所处相对位置为起始位置，当

A 相绕组电流控制开关、闭合时，A 相励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线22′与定子极轴线AA ′重合的位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。若依次给D-A-B-C 相通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续转动；反之，若依次给D-C-B-A 相通电，则转子的旋转方向发生改变。也就是说，转子的转向与相绕组电流的方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。由于电流单向，调速系统的功率变换器设计上可以实现每相只用一个主开关器件，从而大大降低系统的成本。另外，开关磁阻电机调速系统中每个功率开关器件均直接与绕组串联，根本上避免了直通短路现象，从而简化了控制保护单元的要求，降低了成本又

具有较高的可靠性。

图1-2 SR 电机的工作原理图

另外，从图 1.2可以看出，当主开关器件、导通时，A 相绕组从直流电源SU 吸收电能，而当、关断时，绕组电流经二极管、续流，并回馈给电源SU 。因此，SR 电动机传动的共性是具有再生作用，系统效率高。

2．功率变换器

功率变换器是SR 电机运行时所需能量的提供者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量送入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源。由于SR 电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷直流驱动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件

是串联的，因而可预防短路故障。功率变换器有多种形式，并且与供电电压、电机相数和开关器件的种类等有关。

3．控制器

控制器综合处理位置传感器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢，控制器一般由单片机或DSP及外围接口电路等组成。

4．位置检测器

位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断。通常采用光电器件、霍尔元件或电磁线圈等方法进行位置检测。SRD对位置检测的一般要求是首先在运行的速度范围内要满足检测的精度要求；其次要求电路简单、工作可靠、抗干扰能力强；有的还要求能在恶劣的环境下工作。

1.2.5开关磁阻电机的研究现状

（1）数学模型的建立

目前已经发展起来的磁链模型和直接建立起来的机电联系模型有多种形式，可将他们分为线性模型、准线性模型和非线性模型三类。线性模型忽略电磁饱和、涡流、边缘效应、互感等非线性因素，使得每一相电感只与转子位置有关，而与电流无关。这为分析开关磁阻电机电机运行特性带来极大方便。通过这一模型，可以很容易求出开关磁阻电机电机转速恒定且相电压为矩形脉冲时相电流和输出转矩的解析式，进而可以分析出开通角、关断角等参数对电机运行特性的影响规律，以及电流斩波和角度位置两种控制策略的工作原理。从而为控制器的设计、调试提供了很有价值的结论。准线性模型采用分段线性化的方法将非线性的电磁曲线简化，与线性模型相比更接近开关磁阻电机电机的实际特性。非线性模型试图用简单的非线性数学表达式来刻画开关磁阻电机电机磁链关于转子位置与电流的非线性关系。Spong等提出了一种连续的非线性模型，利用这一模型，Spong等针对机械手关节驱动用开关磁阻电机电机，设计了一个反馈线性化控制器，仿真结果证明该模型的可行性[7]。

（2）控制理论的研究

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最初，被应用在开关磁阻电机电机控制系统中的控制理论以线性控制理论为主。以开关磁阻电机电机的小信号线性模型为基础，利用经典的控制理论设计调速系统的控制器。

由于开关磁阻电机电机高度的非线性特性，建立精确而实用的开关磁阻电机电机非线性模型绝非易事，采用智能理论设计SR电机控制器，是回避这一棘手问题的途径之一。

（3）抑制转矩脉动的研究

在对开关磁阻电机电机的振动和噪声研究中，得出了几个重要的结论。Cameron D E等通过对开关磁阻电机电机各种可能的噪声源采取分步运转法逐一鉴别比较后得出结论：开关磁阻电机电机噪声主要源于定、转子间径向磁吸力所导致的椭圆形变，而且当相电流某一幅值充分大的谐波频率与定子共振频率接近或一致时，将激发强烈的振动和噪声。因此，控制相电流波形，使之不含激发定子共振的谐波分量是降低振动、噪声的有效方法之一。Wu C Y等基于时域分析，得出结论：相绕组外施相电压的阶跃变化，导致相电流、径向力变化率跃变是引起开关磁阻电机电机振动大的主要原因。因相电流关断时，相电压产生大幅度负跃变，加之关断起始相电流又较大，故绕组关断激发的冲击振动是最主要的[10]。

现有研究都是基于将开关磁阻电机D机电系统简化为线性系统以实验研究方法为主进行的。一方面缺少理论分析，另一方面对开关磁阻电机电机定子振动的非线性特性没有重视更缺乏研究，所得结论尚不能精确和全面地反映实际开关磁阻电机电机定子振动系统的动力特性，所提出的振动、噪声控制策略尚有局限性。只有立足于非线性振动理论，在全面分析开关磁阻电机电机非线性电磁场和非线性径向力的基础上，才能对开关磁阻电机电机定子电磁振动的非线性特性进行系统的理论分析、计算和实验研究，从理论上揭示开关磁阻电机电机非线性振动的基本规律，研究在保证开关磁阻电机D性能指标不变前提下，对各种运行工况下的开关磁阻电机电机振动、噪声都能进行有效控制的策略，为开关磁阻电机D在更大范围内推广应用发挥其特长扫除障碍。

（4）无位置传感器技术

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在无位置传感器研究方面，我国的研究水平走在世界前列，有很多学者提出了新型的无位置传感器方案。文献[11]提出一种利用锁相原理来简化新型位置传感器，使得对任意相绕组的开关磁阻电机D系统，位置传感器只需要一个传感元件。这种方法虽然减小了位置传感器的数目，但是增加了位置传感器处理电路和软件的复杂性。文献[12]提出了电容式位置检测技术，该方法与传统检测方法中基于电感测量的方法不同，它是一种通过电容与转子转角的关系确定实际运行时间、转子相对位置的转子位置检测方法，它不需考虑相绕组中电流及运动电势的影响，与电机负载无关，而且它对电机的运行状态也没有影响。这种电容式检测器灵敏度高，可获得较大的相对变化量、结构简单、适应性强。文献[13]针对开关磁阻电机电机无反转起动的无位置传感器开展研究，对在不允许反转的应用场合有重大意义。文献[14]通过相电流和相电流相对转子位置角变化率的研究，建立了基于查表法的无位置传感器方法。另外有大量文献介绍用状态观测器实现无位置传感器方案。

总的来说，目前无位置传感器检测方案有如下几种：

→电流波形检测法；

→电感简化计算法；

→状态观测器检测法；

→相磁链、相电流与转子位置传感器的关系解算法；

→相间互感与转子位置关系的检测；

→电容式位置检测法；

→加测试线圈检测法。

1.2.6 开关磁阻电机电机的性能特点

目前各大油田为降低生产成本，都将节能增效作为首要目标，对抽油机要尽量降低电机的耗电量。根据抽油机的运行特点，为了实现这个目的，电机应具有以下特点：电机损耗小，在较宽的负载变化范围内能够保持较高的功率因数和效率；速度能够平滑无级调节且调速范围较宽，以适应不同井况的要求及其供排关系；能够实现软启动，减少启动时对抽油机的冲击，降低选用电机及

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变压器的容量。满足上述要求的电机，一方面自身的功率因数和效率要较高，另一方面可以使抽油机的机、杆、泵整个系统达到较好配合，提高系统效率。因此研制具有上述特点的电机已成为必然趋势，开关磁阻调速电机就是具有这些特点的一种新型电机。该电机具有十分突出的综合性能，是当前抽油机最为理想的动力系统。它的研制和生产对油田的节能生产具有重大意义[4][3].

1．开关磁阻电机电机结构简单、坚固可靠

电动机转子无绕组，成本低；电动机可高速旋转而不致变形；转子转动惯量小，易于加、减速；转子无永磁体，可具有较高的最大允许温升。

2．开关磁阻电机电机高起动转矩，低起动电流，实现了完全意义上的软启动

开关磁阻调速电机非常适合重载启动的场合，具有高启动转矩和低启动电流的性能。启动转矩达到额定转矩的1.5倍时，启动电流仅为额定电流的0.3倍，可完全满足游梁式抽油机带平衡块启动的需要，减少对电网的冲击，降低变压器容量。

3．系统效率高、功率因数高、调速范围广

开关磁阻电机调速范围广，可在30~2000r/min范围内实现无级调速，在其宽广的转速和功率范围内，均具有高输出和高效率。在低速及非额定负载下高效率则更加明显，并且在转速和负载转矩变化范围较大时都能稳定在高水平。

4．冲次可无级调节

进入中后期开采的油井，往往存在抽油泵充满系数低，抽油机冲次很难准确确定等问题，且随着动液面的不断变化充满度也在不断变化，把抽油泵的充满系数与冲次紧密结合起来形成闭环控制，一直是一个难题。开关磁阻调速电机需要具有记忆功能的单片机，通过长期鉴别，能跟踪油井出液量的变化，判断出充满系数的大小，给出增加冲次或者减少冲次的信号，调整抽油机的冲次，冲次可在0.8~8冲/min之间无级可调。保证合理的抽油泵充满度，减少抽油泵干磨，使抽油机工作在最佳的工作状态，延长了检泵周期，降低了抽油机的能耗。

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5．控制系统可靠性高寿命长

由于电机转矩方向与绕组电流方向无关，只需单方向绕组电流，所以控制所需的功率元件少，电路结构简单。该系统中的功率开关元件均直接与电机绕组相串联，避免了直通短路现象，所以保护电路可以简化，提高系统的工作可靠性。由于转子无任何形式的绕组，机械强度极高，而在定子方面只有几个集中绕组，因此绝缘程度高，寿命长。

6．控制系统保护功能齐全

运行过程中若发生的缺相、过流、欠压、过压等故障，开关磁阻电机调速系统可以实现自动保护。

7．实现对抽油机的闭环控制

开关磁阻调速电机能够随抽油机扭矩的变化工作在最佳状态。抽油机扭矩变化越大，电流的均方根值就越高，能量损失越大；抽油机扭矩越平衡，电流均方根值就越近电流平均值，能量损失就越小，抽油机地面效率就越高。开关磁阻调速电机可根据对电机的扭矩检测信号实现对抽油机的闭环控制，使电机扭矩波动范围变小，减少了能量损失。

8．能够采用集中直流供电

若在一个区块采用大功率交流变直流后，采用直流输电、直流供电，可解决窃电现象发生。

1.3本论文研究的研究内容

开关磁阻电机作为一种具有广泛市场潜力的新型电机，将其成功用在抽油机上，改变了常规抽油机上下冲程固定不可调的弊病，提高抽有效率，减小了抽油机的体积，为油田节约成本、增加产量提供了坚实的基础，其优良的综合性能日益受到广泛关注，充分利用和挖掘其潜在特性，将能为油田节能增效做出更大贡献。

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第二章 开关磁阻电机驱动动抽油机结构方案设计及工作原理

2.1开关磁阻电动抽油机的结构方案设计

目前，我国大多数油田进入中后期开采，对机械采油设备的开发与研究技术水平要求也越来越高。然而，多年来大量投入使用的抽油机，无论是游梁式还是无游梁式，其动力设备都是旋转电机，都必须经过复杂的能量转换和传递才能变成直线往复运动。这样就不可避免地存在系统转换效率低、“大马拉小车”和系统稳定性差的问题[16]。为有效地解决这些问题，开关磁阻电动抽油机应运而生。

开关磁阻电动抽油机改变了传统抽油机的运动机理，直接利用开关磁阻电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动，从而达到举升油井内液体的目的。该抽油机具有全新的工作原理和在控制方面采用多项高新技术，使得开关磁阻电动抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。该机改变了过去抽油机由旋转运动转变为直线运动的做法，由电能直接转化为直线往复运动。

开关磁阻电动抽油机设计方案有多种，如图2-1，其中方案一电机直接作用在井口上方；方案二采用四组滑轮，井口和配重分别在两侧，分别用钢丝绳与电机初级相联接；方案三采用一组滑轮，配重在电机初级下部与其刚性联接，通过钢丝绳绕过滑轮联接载荷；方案四采用两组滑轮，配重在电机初级下

部与其刚性联接，通过钢丝绳绕过滑轮联接载荷。

图2-1 设计方案

Fig.2-1 Scheme drawing of linear motor pumping unit

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可以看出方案一中电机直接作用在井口上方，修井移机不方便；而方案二中滑轮较多，结构较复杂，并且和方案一结构中一样配重与电机初级分别在滑轮两边，势必得加大配重才能达到平衡；方案三和方案四结构简单，井口和配重分别在两侧，并且能有效利用电机初级的重量作为配重，能降低整机重量，节约成本；虽然方案四比方案三中多了一个小滑轮和支撑架，但是大轮可在顶部水平移动，让开井口修井作业，修井作业比较方便，而方案三必须整体移机才能修井。因此我们选择最优的方案四为本论文的研究对象。

2.2开关磁阻电动抽油机的工作原理

图2-2为一种开关磁阻电动抽油机，整个系统由悬绳器、驱动绳、大轮、平台、支架、小轮、电机次级、引导架、电机初级、配重箱、底座和电机控制箱等几部分组成。

图2-2 开关磁阻电机驱动抽油机