抽油机节能技术
我国各油田使用最多的采油机械是抽油机，数量多、耗电量大，因此，节能潜力也大。1997年统计，全国有抽油机井近70000口，每口井电机实耗功率按10kW 计算，系统效率按25%计算，如果系统效率提高5%，每年节电可达8.4×108kWh 。1999年统计，全国抽油机井数约占油田生产井总井数的90%，抽油机井采油年耗电总量约105 ×108kWh ，占油气生产总用电比例的49.2%，年电费支出高达42亿元。
一、 抽油机的平衡特征及节能原理
常规抽油机是一种四连杆机构，它的作用是将电动机的旋转运动变成悬点的往复运动。抽油机做功体现在上、下冲程悬点的负荷不一样大，理论的示功图是一个矩形，考虑进冲程损失，理论示功图就成为一个平行四边形。由于惯性力、振动力及充满程度的影响，实际的示功图各种各样，差别很大，因此，悬点负荷转化到减速器输出轴的扭矩曲线就是一条不规则的曲线。
抽油机的平衡通常以曲柄平衡为主，平衡块的重量和位臵确定以后，作用在减速器输出轴的扭矩曲线就是一条规则的曲线，两条曲线的相位几乎正好相反，二者相抵的差值就是净扭矩曲线。也就是这条曲线最终转化为电动机的有功功率曲线。由于是一条不规则的曲线和一条规则的曲线合成的，所以电动机的有功功率曲线通常也是不规则的。一般表现为有上、下冲程两个波峰，有时还会有负功率出现。理想的平衡状态是波峰越小越
好，最好是一条直线。
抽油机的节能方案有各种各样的，但是，其节能原理基本是相同的，就是尽力改善抽油机的平衡状态，努力使净扭矩曲线接近一条直线。
二、 常用的节能型抽油机
1、 异相曲柄平衡抽油机
国内油田定型最早、使
用最多的节能型抽油机是
异相曲柄平衡抽油机。该种
抽油机的曲柄销与曲柄轴
孔中心连线对于曲柄自身
的轴线有一个偏臵角，并且当悬点位于上、下死点时，连杆间存在一个极位夹角，这种结构形式使得平衡块扭矩曲线的相位提前，从而使得净扭矩曲线比较平坦，而且可在一定程度上消除负扭矩，因而使电动机电流波动减小，能量损失减少，抽油机地面效率提高。由于存在着极位夹角，上冲程所用的时间较长，下冲程所用的时间较短。上冲程时间变长既可以改善泵的充满程度，又可以减少惯性载荷，因此可使抽油机井下效率提高。这种抽油机自1986年问世以来，已在全国各油田得到了广泛应用。在相同工况条件下，异相曲柄平衡抽油机较常规抽油机节电达15%左右，系统效率提高3～4%。缺点是下行速度快，不适合稠油、聚驱等下冲程粘滞阻力大的情况使用。
2、双驴头游梁式抽油机
由华北石油一机厂设计制造， 是一
种在各油田应用较多的节能型抽油机。该
种抽油机是在常规游梁机的基础上改变
了尾轴的结构，采用了变径圆弧形状的游
梁后臂－后驴头，游梁与横梁采用柔性尾
绳连接。与常规机相比，它的冲程长、动
载小、净扭矩波动小、能耗低，节电达
30%左右。其第一代机型异型双驴头抽油机已累计使用3000余台，节能效果显著。但由于后臂短，后驴头半径小，平衡力矩和动力力矩较小，在平衡调整不到位的情况下，易发生尾绳损坏和减速箱超载打齿等事故。第二代机型特型双驴头抽油机在结构上进行了改进：加大了后臂的长度和后驴头弧度半径，增加了尾绳的根数和强度，有效地改善了第一代机出现的问题。
3、矮型异相曲柄平衡抽油机
由大庆石油学院设
计、牡丹江建材机械总厂制
造，在大庆、吉林、辽河等
油田应用2000余台。该种抽
油机采用一体式游梁驴头整
体结构，减轻了整机尺寸和
重量，与同型号常规机相比，整机重量减轻2吨多。结构设计上四连杆机构采取非对称循环，极位夹角λ=10°，上冲程曲柄最大转角190°，下冲程曲柄最小转角170°。采取了曲柄平衡重偏臵结构，偏臵角τ=32°～36°，使平衡扭矩前臵，减缓减速箱输出轴扭矩峰值，节电率达30%。
4、调径变矩节能抽油机
由新疆第三机床厂设计
制造，已投入现场使用72
台。该种抽油机采用调径变
矩纯游梁下偏平衡的结构，
整机重量轻，运行电流平缓，
其12型机节电率达40%。独
特设计的游梁固定支撑调冲
程装臵、调平衡装臵和短小的曲柄，减轻了调参的劳动强度。
5、下偏杠铃游梁复合平衡抽油机
由新疆第三机床厂设计制
造，在新疆油田应用160余台。
该种抽油机采用尾部下偏杠铃
游梁复合平衡装臵，削减了减
速箱输出轴的峰值扭矩和负扭
矩，可降低减速箱和电机功率的选型等级，
或使原抽油机的举升能力提高
一个型号等级，节电率达20～50%。
6、摆杆式游梁抽油机
由大安石油机械厂设计制
造，在辽河等油田应用150余台。
该种抽油机的结构是在常规机
上增加一对摆杆，从而使抽油机
的平衡力矩和动力力矩按悬点
载荷力矩的变化规律调节，使减速箱输出轴的峰值扭矩削减50%，消除了负扭矩。其12型机所配的减速箱和电机容量比常规机减小50%，节电率达30%。
7、偏轮式游梁抽油机
由华北石油二机厂设计制
造，在华北等油田应用460余
台。该种抽油机的结构是在常
规机的游梁尾部装有一个偏
轮，在偏轮与中央支座之间增
设一操纵杆，使得抽油过程中
的平衡力臂和动力力臂合理变
化，实现上提加速度比常规机减少45%，上冲程动负荷及振动负荷减少60%，节电率达30%以上。
8、直线往复式抽油机
分别由长春长城石油机械厂和广田实业
有限公司设计制造，在辽河、吉林等油田使用了
142台。该种抽油机采用链轮换向系统，塔架式结
构，16型8米冲程。与同规格常规机相比，大型
机节约钢材1倍，中型机节约钢材1／3，小型机
节约钢材3吨。电机配套功率减小30～50%，节电
率达40％。
9、皮带抽油机
由胜利高原有限公司制造，适 用于长冲
程、大排量。该种抽油机是一种无游梁式塔
架抽油机，纯链条—皮带传动结构。由于扭
矩臂仅0.46米，对动力扭矩需求低。与常
规机相比，可减小减速箱的等级和电机容
量，节电率达10～40%。采用长寿命重型皮
带给抽油杆传递动力，其弹性缓冲作用降低
了抽油机换向冲击对井下泵及抽油杆柱的
不利影响。
三、 电动机的机械特性及节能原理
通常油田用于拖动抽油机的动力设备都是电动机，
极少数是用燃气发
动机等设备。常用的是异步电动机及其派生的各种节能电动机，近些年，永磁同步电动机也得到大量的应用。
电动机的机械特性是指其转速与转矩之间的关系，它反映了电动机传动的性能与特点。根据转速随转矩增加而下降的程度的不同，电动机的机械特性分为硬特性和软特性两种。
1） 硬特性
当电动机的转矩在允许范围内变化时，电动机的转速变化很小，机械特性的斜率很小。同步电动机的机械特性是一条直线，其转速不随转矩的变化而变化，是典型的硬特性。
2） 软特性
电动机的转速随着转矩的变化下降很快，机械特性的斜率较大，但其启动转矩也较大。
电动机的工作特性反映了各种电参量与输出功率之间的关系。随着电动机输出功率的增大，其电流、转矩、功率因数和效率也是增大的。
由于抽油机的结构和动力特性，决定了其对电动机性能的要求，这就是启动转矩大，并且在一个冲程内，负荷不均衡，会出现峰值功率和负功率。电动机的有功功率利用率较低，功率因数较低，只能“大马拉小车”。
在电动机这个环节可采取的节能措施很多，但节能的基本原理差不太多，不外乎以下几个方面：
一是改善电动机的软特性，降低启动电流，减小装机功率，提高功率利用率。增加转差率是有效的方法之一。异步电动机的转速必须低于旋转磁场的转速，这样才能在转子上产生感应电动势，进而形成感应电流，产
生电磁转矩，拖动转子转动。
异步电动机的实际转速为
n=ns （1-s ）
式中 s—异步电动机的转差率，一般为2～5%；高转差电动机为8～12%；超高转差电动机大于12%，最大可达21%。
二是提高功率因数，减少无功损耗。这是因为电动机的无功损耗，增加电网的有功损耗。用无功经济当量计算。无功经济当量是指电动机每吸收1kVar 的无功功率，相当于电网所增加的有功损耗。引入无功经济当量的原因是当电动机的功率因数小于1时，由于电动机吸收无功功率，在线路上产生无功电流，从而在电网上造成有功损耗。无功经济当量的大小与电动机在电网中的位臵有关，对于二次变，取0.05～0.07, 对于三次变, 取0.08～0.1。
四、 常用的节能电动机
1、 永磁同步电动机
稀土永磁电机是一种同步电动
机，但不需要普通同步电动机的励磁
线圈和集电环。结构上酷似异步电动
机那样简单，在系统上也不像普通同
步电动机那样需要励磁调节系统。它
具有体积小、重量轻，结构简单，效率高，功率因数高，运行稳定，维护简单等一系列特点。
永磁电动机就是用永久磁铁替代了电磁式电机的励磁绕组和磁极铁芯。这样的替代，原理很简单，但性能却得到了很大的改善，用于驱动抽油机会获得很好的节电效果。由于抽油机负荷呈周期性变化，现场使用的异步电动机的平均负载率不足30%，平均运行效率在0.65～0.80，平均运行功率因数在0.2～0.6，因此，相对于装机功率而言，负载率低，电能浪费大。导致这一问题的主要原因有两点：一是异步电动机在额定点的效率和功率因数才呈现最大值，当负载降低时效率和功率因数都随之下降，能耗随之增大。二是通用系列异步电动机的转矩倍数只有1.8倍，最大为2.0倍。因此，在选用时为考虑启动和峰值转矩的需要，不得不提高装机功率，造成运行时的“大马拉小车”现象。根据抽油机的特殊运行工况，抽油机专用节能电机应具有效率和功率因数高且曲线平坦，轻负载区也有较高的效率和功率因数，启运力矩大，过载能力强等特性。抽油机专用永磁电动机恰好具备了这些特性。
1） 效率高
永磁同步电动机的额定效率可达94%，高于普通电动机约4%。轻载时在一定范围内效率还高于额定值，最高可达96%左右，且此高效区恰好位于电机的平均负载率所在的区域，使得高效区得到了展宽，大大提高了整个冲程内的平均运行效率。而轻载时异步电动机的效率已远远低于其额定值，两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达12%，且由于抽油机大部分时间工作于轻载状态，因此，平均有功节电率还高于此值。
2） 功率因数高
永磁电动机的功率因数是通过其转子永磁体磁场的强弱来决定，抽油
机专用永磁同步电动机的额定功率因数在0.98左右，且在轻载时还高于额定值，甚至在一定范围内起到补偿电容器的作用，从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上，因此，无功节电效果相当显著。
3） 启动转矩大，过载能力强
永磁同步电动机采用异步启动方式，可以直接启动。抽油机专用永磁同步电动机的启动转矩和过载能力均提高一个机座号，最大启动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。
根据原中国石油天然气总公司油田节能监测中心1997年在大庆采油五厂杏南示范区17口油井的测试报告，TNYC 系列抽油机专用永磁同步电动机在现场应用后，与原普通异步电动机相比较，在产液量相同的条件下，平均有功节电率达21.82%，无功节电率达87.77%，平均运行电流下降53.27%，平均功率因数由0.57提高到0.96。
2、 超高转差电动机
高转差与超高转差电动机
属于电气派生系列，具有堵
转转矩大、堵转电流小、转
差率高和机械特性软等特
点，适合于传动转矩大和不
均匀的冲击负载。
CJT 系列抽油机节能拖动装臵由YCCH
系列超高转差电动机和控制部
分组成，在抽油机运行上冲程的重负荷期间速度下降，而在每个冲程的终点速度增加，一个冲次内的速度变化可达25%～50%。这种特性可使抽油机系统的机、电、液负荷均得到很大改善，与普通低转差电动机驱动抽油机相比具有以下优点：
１）由于在上冲程最大负荷期间，光杆的加速度减小，从而降低光杆
的最大载荷；在下冲程电机最大负荷期间，光杆加速度减小，增加了光杆的最小载荷，从而减小了光杆载荷的变化范围。
２）由于光杆最大负荷和负荷范围的减小，相应减速箱的最大净扭矩
和扭矩变化范围也得到降低，使工作周期内激烈变化的功率、电流和电压降的峰值降低，并趋于平缓。
３）启动电流较小，启动力矩较大。
１997年大庆采油五厂１9口井测试统计，CJT 装臵与普通异步电动
机比较，在日产液量变化很小的条件下，平均有功节电率达16.7%，无功节电率达31.0%，功率因数由0.45提高到0.51。
3、双极/双功率电动机
该系列的电动机采用改变绕
组的接法来改变电机的极数和输
出功率，以便与机械负载的负载特
性相匹配，可以简化其变速系统，
从而实现节电的目的。这种电动机又称为变极多速电动机，其外形结构、安装尺寸、防护等级等都与Y 系列（IP44）相同，
主要零部件也与基本系
列通用。电动机的转速分为双速、三速和四速，极数比有8/6、8/4/2、12/8/6/4等几种。
五、 节电控制箱的节能原理
为提高普通Y 系列电动机及其派生电动机的节电效果，油田现场应用
了大量的节电控制箱。虽然油田实际使用的节电控制箱有很多种类，但从原理上分析，主要有三种类型。
1、 定子绕组星－角（Y-△）转换变压
由于抽油机是满负载启动，电
机启动力矩大，启动电流大，一般
采取全压启动方式，即电机定子绕
组采取△形接线方式。当电动机达
到额定转速，通过自动控制实现Y-
△自动转换，电机定子绕组采取Y
形接线方式，电流减少2/3，自身消
耗功率明显减少，达到节电的目的。目前的Y-△转换节电器，都能实现Y-△双向自动控制，采用单片机通过
实时检测抽油机电机的工作状态，自
动进行Y-△转换。当重负载时，进入
△形方式；当轻负载时，进入Y 形方
式，提高电机负荷率。
2、 就地分散无功补偿
油田配电网的负荷主要是感应电动机，就地分散补偿方式则是将补偿
电容并联到电动机的接线端子上。通过在感性负载两端并联电容器，产生一个超前电压90°的电流以补偿感性负载的无功分量电流，使线路中的无功电流减少，从而使总的电流减少，这样使得负载所需要的无功功率一部分或大部分由并联的电容器供给，能量的储放原来只在负载和电源之间进行，现在一部分或大部分改在负载与电容器之间进行，这样就减少了电源的负担，也降低了线路损耗。
就地分散无功补偿分静态补偿和动态补偿两种类型。静态无功补偿遵
循以下规定：接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0.9倍。这是为了防止在电动机开跳闸后，由于电容器对电动机绕组放电而产生自励现象，以致造成过电压。为此电容器的容量应选为
Qc≤0.9(√3UeIo)
动态无功补偿也称为随机控制无功就地补偿，分两种类型：一种是分段补偿，可先根据电机负载来整定补偿电容值，再由微机系统分析电动机实际运行工况，检测负载的微小变化，精确调整输出补偿电容值。另一种是无级补偿，可根据负载无功需要量随机平滑调
整补偿容量，补偿容量没有梯度，不存在反复切
投电容过程。
3、 可控硅调压技术
电动机的损耗分为不变损耗和可变损耗
两部分。在电压一定的条件下，铁损和风损可以
认为是恒定的，不随负载变化。
而定子和转子的
铜损和负载杂散损耗都是随负载电流的平方而变化的。当电动机的负载减小时，可变损耗相应减小，而不变损耗保持不变。然而，电动机负载减小时，负载转矩降低，就不要求与额定负载时同样强的电动机磁场。适当降低电动机电压，就可得到与负载减小相适应的减弱了的电动机磁场。其结果是铁损降低，效率提高，功率因数也相应改善。
电网电压是一定的，因此电动机的励磁电流基本恒定。在轻载条件下，电动机的输出转矩与负载转矩相平衡，定子电流中的有功分量减小，导致功率因数降低；而与定子电压有关的各种损耗基本不变，致使效率也降低。此时，若能适当降低电动机的定子电压，在保证正常运转的条件下，可使励磁电流和有功损耗都降低，从而使运行效率和功率因数都得到提高，这就是调压节能的基本原理。
1） 交流电压的调节方法
许多场合使用晶闸管作为交流电压控制器，把晶闸管接在交流输入电
源和负载之间。因为交流电压是正弦交变的，为了使负载能获得正、负半波对称的电压波形，要用两个晶闸管反向并联连接，或使用一个双向晶闸管。对于晶闸管的控制，可有两种方式：一种是相位控制，另一种为通断（斩波）控制。
相位控制需对交流电源的过零时刻进行检测。在电流电压波形周期的
选定时刻（相位）触发晶闸管，使晶闸管导通，将负载与电源接通，负载上便得到交流电压。改变晶闸管的起始导通时刻，即改变触发脉冲的控制角，可得到不同的负载电压波形，从而起到调压的作用。
2）抽油机节电控制器的调压原理
抽油机节电控制器采用的是三相交流调压对称电路，以电机绕组△形接法当作三相交流调压电路负载。通过检测交流电机电压和电流之间的相位差变化作为控制信号去控制晶闸管的导通角，从而改变电机的工作电压，使电机在空载和轻载时的工作电压低于额定电压，从而达到节电的目的。
六、常用的节电控制箱
节电控制箱的种类和型号有很多，在大庆油田常用的有三种类型：
1） 定子绕组Y-△转换变压+静态无功补偿
2) 定子绕组Y-△转换变压+动态无功补偿
3） 可控硅自动跟踪调压
思考题:
1、 抽油机电机的有功功率为什么是波动的，节能的潜力在那里？
2、 永磁同步电动机的节电效果为什么好？
3、 为什么要进行无功补偿？
参考文献：
1、 俞伯炎，吴照云，孙德刚. 石油工业节能技术, 石油工业出版
社,2000.5
2、 胡搏仲. 大庆油田机械采油配套技术, 石油工业出版社,1998.7
3、 节能型抽油机选型及技术研讨会材料, 中国石油天然气集团公
司,1999.9
4、 抽油机配套节能产品测试技术经济评价材料, 大庆油田有限责任公
司,2001.7,2002.11
参考答案:
1、 有功功率曲线是由净扭矩曲线转换过来的，净扭矩曲线是由一条不
规则的载荷扭矩曲线和一条规则的平衡扭矩曲线合成的，所以就是一条不规则的波动曲线。节能的潜力就在于减少波动的幅度，使其接近于直线。
2、 永磁同步电动机节能效果好有三条原因：
一是效率高。永磁同步电动机的额定效率可达94%，高于普通电动机约4%。轻载时在一定范围内效率还高于额定值，最高可达96%左右。二是功率因数高。永磁电动机的功率因数是通过其转子永磁体磁场的强弱来决定，抽油机专用永磁同步电动机的额定功率因数在0.98左右，且在轻载时还高于额定值，甚至在一定范围内起到补偿电容器的作用，从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上，因此，无功节电效果相当显著。三是启动转矩大，过载能力强。永磁同步电动机采用异步启动方式，可以直接启动。抽油机专用永磁同步电动机的启动转矩和过载能力均提高一个机座号，最大启动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。
3、这是因为电动机的无功损耗增加电网的有功损耗。无功补偿可以使线路中的无功电流减少，也就降低了网损。
抽油机节能技术
我国各油田使用最多的采油机械是抽油机，数量多、耗电量大，因此，节能潜力也大。1997年统计，全国有抽油机井近70000口，每口井电机实耗功率按10kW 计算，系统效率按25%计算，如果系统效率提高5%，每年节电可达8.4×108kWh 。1999年统计，全国抽油机井数约占油田生产井总井数的90%，抽油机井采油年耗电总量约105 ×108kWh ，占油气生产总用电比例的49.2%，年电费支出高达42亿元。
一、 抽油机的平衡特征及节能原理
常规抽油机是一种四连杆机构，它的作用是将电动机的旋转运动变成悬点的往复运动。抽油机做功体现在上、下冲程悬点的负荷不一样大，理论的示功图是一个矩形，考虑进冲程损失，理论示功图就成为一个平行四边形。由于惯性力、振动力及充满程度的影响，实际的示功图各种各样，差别很大，因此，悬点负荷转化到减速器输出轴的扭矩曲线就是一条不规则的曲线。
抽油机的平衡通常以曲柄平衡为主，平衡块的重量和位臵确定以后，作用在减速器输出轴的扭矩曲线就是一条规则的曲线，两条曲线的相位几乎正好相反，二者相抵的差值就是净扭矩曲线。也就是这条曲线最终转化为电动机的有功功率曲线。由于是一条不规则的曲线和一条规则的曲线合成的，所以电动机的有功功率曲线通常也是不规则的。一般表现为有上、下冲程两个波峰，有时还会有负功率出现。理想的平衡状态是波峰越小越
好，最好是一条直线。
抽油机的节能方案有各种各样的，但是，其节能原理基本是相同的，就是尽力改善抽油机的平衡状态，努力使净扭矩曲线接近一条直线。
二、 常用的节能型抽油机
1、 异相曲柄平衡抽油机
国内油田定型最早、使
用最多的节能型抽油机是
异相曲柄平衡抽油机。该种
抽油机的曲柄销与曲柄轴
孔中心连线对于曲柄自身
的轴线有一个偏臵角，并且当悬点位于上、下死点时，连杆间存在一个极位夹角，这种结构形式使得平衡块扭矩曲线的相位提前，从而使得净扭矩曲线比较平坦，而且可在一定程度上消除负扭矩，因而使电动机电流波动减小，能量损失减少，抽油机地面效率提高。由于存在着极位夹角，上冲程所用的时间较长，下冲程所用的时间较短。上冲程时间变长既可以改善泵的充满程度，又可以减少惯性载荷，因此可使抽油机井下效率提高。这种抽油机自1986年问世以来，已在全国各油田得到了广泛应用。在相同工况条件下，异相曲柄平衡抽油机较常规抽油机节电达15%左右，系统效率提高3～4%。缺点是下行速度快，不适合稠油、聚驱等下冲程粘滞阻力大的情况使用。
2、双驴头游梁式抽油机
由华北石油一机厂设计制造， 是一
种在各油田应用较多的节能型抽油机。该
种抽油机是在常规游梁机的基础上改变
了尾轴的结构，采用了变径圆弧形状的游
梁后臂－后驴头，游梁与横梁采用柔性尾
绳连接。与常规机相比，它的冲程长、动
载小、净扭矩波动小、能耗低，节电达
30%左右。其第一代机型异型双驴头抽油机已累计使用3000余台，节能效果显著。但由于后臂短，后驴头半径小，平衡力矩和动力力矩较小，在平衡调整不到位的情况下，易发生尾绳损坏和减速箱超载打齿等事故。第二代机型特型双驴头抽油机在结构上进行了改进：加大了后臂的长度和后驴头弧度半径，增加了尾绳的根数和强度，有效地改善了第一代机出现的问题。
3、矮型异相曲柄平衡抽油机
由大庆石油学院设
计、牡丹江建材机械总厂制
造，在大庆、吉林、辽河等
油田应用2000余台。该种抽
油机采用一体式游梁驴头整
体结构，减轻了整机尺寸和
重量，与同型号常规机相比，整机重量减轻2吨多。结构设计上四连杆机构采取非对称循环，极位夹角λ=10°，上冲程曲柄最大转角190°，下冲程曲柄最小转角170°。采取了曲柄平衡重偏臵结构，偏臵角τ=32°～36°，使平衡扭矩前臵，减缓减速箱输出轴扭矩峰值，节电率达30%。
4、调径变矩节能抽油机
由新疆第三机床厂设计
制造，已投入现场使用72
台。该种抽油机采用调径变
矩纯游梁下偏平衡的结构，
整机重量轻，运行电流平缓，
其12型机节电率达40%。独
特设计的游梁固定支撑调冲
程装臵、调平衡装臵和短小的曲柄，减轻了调参的劳动强度。
5、下偏杠铃游梁复合平衡抽油机
由新疆第三机床厂设计制
造，在新疆油田应用160余台。
该种抽油机采用尾部下偏杠铃
游梁复合平衡装臵，削减了减
速箱输出轴的峰值扭矩和负扭
矩，可降低减速箱和电机功率的选型等级，
或使原抽油机的举升能力提高
一个型号等级，节电率达20～50%。
6、摆杆式游梁抽油机
由大安石油机械厂设计制
造，在辽河等油田应用150余台。
该种抽油机的结构是在常规机
上增加一对摆杆，从而使抽油机
的平衡力矩和动力力矩按悬点
载荷力矩的变化规律调节，使减速箱输出轴的峰值扭矩削减50%，消除了负扭矩。其12型机所配的减速箱和电机容量比常规机减小50%，节电率达30%。
7、偏轮式游梁抽油机
由华北石油二机厂设计制
造，在华北等油田应用460余
台。该种抽油机的结构是在常
规机的游梁尾部装有一个偏
轮，在偏轮与中央支座之间增
设一操纵杆，使得抽油过程中
的平衡力臂和动力力臂合理变
化，实现上提加速度比常规机减少45%，上冲程动负荷及振动负荷减少60%，节电率达30%以上。
8、直线往复式抽油机
分别由长春长城石油机械厂和广田实业
有限公司设计制造，在辽河、吉林等油田使用了
142台。该种抽油机采用链轮换向系统，塔架式结
构，16型8米冲程。与同规格常规机相比，大型
机节约钢材1倍，中型机节约钢材1／3，小型机
节约钢材3吨。电机配套功率减小30～50%，节电
率达40％。
9、皮带抽油机
由胜利高原有限公司制造，适 用于长冲
程、大排量。该种抽油机是一种无游梁式塔
架抽油机，纯链条—皮带传动结构。由于扭
矩臂仅0.46米，对动力扭矩需求低。与常
规机相比，可减小减速箱的等级和电机容
量，节电率达10～40%。采用长寿命重型皮
带给抽油杆传递动力，其弹性缓冲作用降低
了抽油机换向冲击对井下泵及抽油杆柱的
不利影响。
三、 电动机的机械特性及节能原理
通常油田用于拖动抽油机的动力设备都是电动机，
极少数是用燃气发
动机等设备。常用的是异步电动机及其派生的各种节能电动机，近些年，永磁同步电动机也得到大量的应用。
电动机的机械特性是指其转速与转矩之间的关系，它反映了电动机传动的性能与特点。根据转速随转矩增加而下降的程度的不同，电动机的机械特性分为硬特性和软特性两种。
1） 硬特性
当电动机的转矩在允许范围内变化时，电动机的转速变化很小，机械特性的斜率很小。同步电动机的机械特性是一条直线，其转速不随转矩的变化而变化，是典型的硬特性。
2） 软特性
电动机的转速随着转矩的变化下降很快，机械特性的斜率较大，但其启动转矩也较大。
电动机的工作特性反映了各种电参量与输出功率之间的关系。随着电动机输出功率的增大，其电流、转矩、功率因数和效率也是增大的。
由于抽油机的结构和动力特性，决定了其对电动机性能的要求，这就是启动转矩大，并且在一个冲程内，负荷不均衡，会出现峰值功率和负功率。电动机的有功功率利用率较低，功率因数较低，只能“大马拉小车”。
在电动机这个环节可采取的节能措施很多，但节能的基本原理差不太多，不外乎以下几个方面：
一是改善电动机的软特性，降低启动电流，减小装机功率，提高功率利用率。增加转差率是有效的方法之一。异步电动机的转速必须低于旋转磁场的转速，这样才能在转子上产生感应电动势，进而形成感应电流，产
生电磁转矩，拖动转子转动。
异步电动机的实际转速为
n=ns （1-s ）
式中 s—异步电动机的转差率，一般为2～5%；高转差电动机为8～12%；超高转差电动机大于12%，最大可达21%。
二是提高功率因数，减少无功损耗。这是因为电动机的无功损耗，增加电网的有功损耗。用无功经济当量计算。无功经济当量是指电动机每吸收1kVar 的无功功率，相当于电网所增加的有功损耗。引入无功经济当量的原因是当电动机的功率因数小于1时，由于电动机吸收无功功率，在线路上产生无功电流，从而在电网上造成有功损耗。无功经济当量的大小与电动机在电网中的位臵有关，对于二次变，取0.05～0.07, 对于三次变, 取0.08～0.1。
四、 常用的节能电动机
1、 永磁同步电动机
稀土永磁电机是一种同步电动
机，但不需要普通同步电动机的励磁
线圈和集电环。结构上酷似异步电动
机那样简单，在系统上也不像普通同
步电动机那样需要励磁调节系统。它
具有体积小、重量轻，结构简单，效率高，功率因数高，运行稳定，维护简单等一系列特点。
永磁电动机就是用永久磁铁替代了电磁式电机的励磁绕组和磁极铁芯。这样的替代，原理很简单，但性能却得到了很大的改善，用于驱动抽油机会获得很好的节电效果。由于抽油机负荷呈周期性变化，现场使用的异步电动机的平均负载率不足30%，平均运行效率在0.65～0.80，平均运行功率因数在0.2～0.6，因此，相对于装机功率而言，负载率低，电能浪费大。导致这一问题的主要原因有两点：一是异步电动机在额定点的效率和功率因数才呈现最大值，当负载降低时效率和功率因数都随之下降，能耗随之增大。二是通用系列异步电动机的转矩倍数只有1.8倍，最大为2.0倍。因此，在选用时为考虑启动和峰值转矩的需要，不得不提高装机功率，造成运行时的“大马拉小车”现象。根据抽油机的特殊运行工况，抽油机专用节能电机应具有效率和功率因数高且曲线平坦，轻负载区也有较高的效率和功率因数，启运力矩大，过载能力强等特性。抽油机专用永磁电动机恰好具备了这些特性。
1） 效率高
永磁同步电动机的额定效率可达94%，高于普通电动机约4%。轻载时在一定范围内效率还高于额定值，最高可达96%左右，且此高效区恰好位于电机的平均负载率所在的区域，使得高效区得到了展宽，大大提高了整个冲程内的平均运行效率。而轻载时异步电动机的效率已远远低于其额定值，两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达12%，且由于抽油机大部分时间工作于轻载状态，因此，平均有功节电率还高于此值。
2） 功率因数高
永磁电动机的功率因数是通过其转子永磁体磁场的强弱来决定，抽油
机专用永磁同步电动机的额定功率因数在0.98左右，且在轻载时还高于额定值，甚至在一定范围内起到补偿电容器的作用，从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上，因此，无功节电效果相当显著。
3） 启动转矩大，过载能力强
永磁同步电动机采用异步启动方式，可以直接启动。抽油机专用永磁同步电动机的启动转矩和过载能力均提高一个机座号，最大启动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。
根据原中国石油天然气总公司油田节能监测中心1997年在大庆采油五厂杏南示范区17口油井的测试报告，TNYC 系列抽油机专用永磁同步电动机在现场应用后，与原普通异步电动机相比较，在产液量相同的条件下，平均有功节电率达21.82%，无功节电率达87.77%，平均运行电流下降53.27%，平均功率因数由0.57提高到0.96。
2、 超高转差电动机
高转差与超高转差电动机
属于电气派生系列，具有堵
转转矩大、堵转电流小、转
差率高和机械特性软等特
点，适合于传动转矩大和不
均匀的冲击负载。
CJT 系列抽油机节能拖动装臵由YCCH
系列超高转差电动机和控制部
分组成，在抽油机运行上冲程的重负荷期间速度下降，而在每个冲程的终点速度增加，一个冲次内的速度变化可达25%～50%。这种特性可使抽油机系统的机、电、液负荷均得到很大改善，与普通低转差电动机驱动抽油机相比具有以下优点：
１）由于在上冲程最大负荷期间，光杆的加速度减小，从而降低光杆
的最大载荷；在下冲程电机最大负荷期间，光杆加速度减小，增加了光杆的最小载荷，从而减小了光杆载荷的变化范围。
２）由于光杆最大负荷和负荷范围的减小，相应减速箱的最大净扭矩
和扭矩变化范围也得到降低，使工作周期内激烈变化的功率、电流和电压降的峰值降低，并趋于平缓。
３）启动电流较小，启动力矩较大。
１997年大庆采油五厂１9口井测试统计，CJT 装臵与普通异步电动
机比较，在日产液量变化很小的条件下，平均有功节电率达16.7%，无功节电率达31.0%，功率因数由0.45提高到0.51。
3、双极/双功率电动机
该系列的电动机采用改变绕
组的接法来改变电机的极数和输
出功率，以便与机械负载的负载特
性相匹配，可以简化其变速系统，
从而实现节电的目的。这种电动机又称为变极多速电动机，其外形结构、安装尺寸、防护等级等都与Y 系列（IP44）相同，
主要零部件也与基本系
列通用。电动机的转速分为双速、三速和四速，极数比有8/6、8/4/2、12/8/6/4等几种。
五、 节电控制箱的节能原理
为提高普通Y 系列电动机及其派生电动机的节电效果，油田现场应用
了大量的节电控制箱。虽然油田实际使用的节电控制箱有很多种类，但从原理上分析，主要有三种类型。
1、 定子绕组星－角（Y-△）转换变压
由于抽油机是满负载启动，电
机启动力矩大，启动电流大，一般
采取全压启动方式，即电机定子绕
组采取△形接线方式。当电动机达
到额定转速，通过自动控制实现Y-
△自动转换，电机定子绕组采取Y
形接线方式，电流减少2/3，自身消
耗功率明显减少，达到节电的目的。目前的Y-△转换节电器，都能实现Y-△双向自动控制，采用单片机通过
实时检测抽油机电机的工作状态，自
动进行Y-△转换。当重负载时，进入
△形方式；当轻负载时，进入Y 形方
式，提高电机负荷率。
2、 就地分散无功补偿
油田配电网的负荷主要是感应电动机，就地分散补偿方式则是将补偿
电容并联到电动机的接线端子上。通过在感性负载两端并联电容器，产生一个超前电压90°的电流以补偿感性负载的无功分量电流，使线路中的无功电流减少，从而使总的电流减少，这样使得负载所需要的无功功率一部分或大部分由并联的电容器供给，能量的储放原来只在负载和电源之间进行，现在一部分或大部分改在负载与电容器之间进行，这样就减少了电源的负担，也降低了线路损耗。
就地分散无功补偿分静态补偿和动态补偿两种类型。静态无功补偿遵
循以下规定：接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0.9倍。这是为了防止在电动机开跳闸后，由于电容器对电动机绕组放电而产生自励现象，以致造成过电压。为此电容器的容量应选为
Qc≤0.9(√3UeIo)
动态无功补偿也称为随机控制无功就地补偿，分两种类型：一种是分段补偿，可先根据电机负载来整定补偿电容值，再由微机系统分析电动机实际运行工况，检测负载的微小变化，精确调整输出补偿电容值。另一种是无级补偿，可根据负载无功需要量随机平滑调
整补偿容量，补偿容量没有梯度，不存在反复切
投电容过程。
3、 可控硅调压技术
电动机的损耗分为不变损耗和可变损耗
两部分。在电压一定的条件下，铁损和风损可以
认为是恒定的，不随负载变化。
而定子和转子的
铜损和负载杂散损耗都是随负载电流的平方而变化的。当电动机的负载减小时，可变损耗相应减小，而不变损耗保持不变。然而，电动机负载减小时，负载转矩降低，就不要求与额定负载时同样强的电动机磁场。适当降低电动机电压，就可得到与负载减小相适应的减弱了的电动机磁场。其结果是铁损降低，效率提高，功率因数也相应改善。
电网电压是一定的，因此电动机的励磁电流基本恒定。在轻载条件下，电动机的输出转矩与负载转矩相平衡，定子电流中的有功分量减小，导致功率因数降低；而与定子电压有关的各种损耗基本不变，致使效率也降低。此时，若能适当降低电动机的定子电压，在保证正常运转的条件下，可使励磁电流和有功损耗都降低，从而使运行效率和功率因数都得到提高，这就是调压节能的基本原理。
1） 交流电压的调节方法
许多场合使用晶闸管作为交流电压控制器，把晶闸管接在交流输入电
源和负载之间。因为交流电压是正弦交变的，为了使负载能获得正、负半波对称的电压波形，要用两个晶闸管反向并联连接，或使用一个双向晶闸管。对于晶闸管的控制，可有两种方式：一种是相位控制，另一种为通断（斩波）控制。
相位控制需对交流电源的过零时刻进行检测。在电流电压波形周期的
选定时刻（相位）触发晶闸管，使晶闸管导通，将负载与电源接通，负载上便得到交流电压。改变晶闸管的起始导通时刻，即改变触发脉冲的控制角，可得到不同的负载电压波形，从而起到调压的作用。
2）抽油机节电控制器的调压原理
抽油机节电控制器采用的是三相交流调压对称电路，以电机绕组△形接法当作三相交流调压电路负载。通过检测交流电机电压和电流之间的相位差变化作为控制信号去控制晶闸管的导通角，从而改变电机的工作电压，使电机在空载和轻载时的工作电压低于额定电压，从而达到节电的目的。
六、常用的节电控制箱
节电控制箱的种类和型号有很多，在大庆油田常用的有三种类型：
1） 定子绕组Y-△转换变压+静态无功补偿
2) 定子绕组Y-△转换变压+动态无功补偿
3） 可控硅自动跟踪调压
思考题:
1、 抽油机电机的有功功率为什么是波动的，节能的潜力在那里？
2、 永磁同步电动机的节电效果为什么好？
3、 为什么要进行无功补偿？
参考文献：
1、 俞伯炎，吴照云，孙德刚. 石油工业节能技术, 石油工业出版
社,2000.5
2、 胡搏仲. 大庆油田机械采油配套技术, 石油工业出版社,1998.7
3、 节能型抽油机选型及技术研讨会材料, 中国石油天然气集团公
司,1999.9
4、 抽油机配套节能产品测试技术经济评价材料, 大庆油田有限责任公
司,2001.7,2002.11
参考答案:
1、 有功功率曲线是由净扭矩曲线转换过来的，净扭矩曲线是由一条不
规则的载荷扭矩曲线和一条规则的平衡扭矩曲线合成的，所以就是一条不规则的波动曲线。节能的潜力就在于减少波动的幅度，使其接近于直线。
2、 永磁同步电动机节能效果好有三条原因：
一是效率高。永磁同步电动机的额定效率可达94%，高于普通电动机约4%。轻载时在一定范围内效率还高于额定值，最高可达96%左右。二是功率因数高。永磁电动机的功率因数是通过其转子永磁体磁场的强弱来决定，抽油机专用永磁同步电动机的额定功率因数在0.98左右，且在轻载时还高于额定值，甚至在一定范围内起到补偿电容器的作用，从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上，因此，无功节电效果相当显著。三是启动转矩大，过载能力强。永磁同步电动机采用异步启动方式，可以直接启动。抽油机专用永磁同步电动机的启动转矩和过载能力均提高一个机座号，最大启动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。
3、这是因为电动机的无功损耗增加电网的有功损耗。无功补偿可以使线路中的无功电流减少，也就降低了网损。