1 引言
抽油机（俗称叩头机）是石油开采中的必备设备。一般，每个原油生产井都至少使用一台抽油机，将深藏在地下（或海水中）的石油通过抽油管抽出。据不完全统计，我国陆海共有石油生产油井八万多个，也就是说石油行业共有八万多台抽油机在运行。图1给出了抽油机的结构图。抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆，下放抽油杆，从上提抽油杆转换为下放抽油杆，从下放抽油杆转换为上提抽油杆四个阶段。抽油机的负荷电流曲线如图2所示。显然抽油机的负载为一周期性变化的负载。
图1 抽油机结构图
1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁；
6—横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置；
10—曲柄装置；11—减速器；12—刹车保险装置；
13—刹车装置；14—电动机；15—配电箱。
图2 抽油机负荷曲线图
据截止2000年初的统计资料表明，我国石油企业总用电量为327.22×108kW·h，其中油气田生产系统用电量为206.03×108kW·h。据估计，中国石油天然气股份公司平均每吨油成本中的电费支出约占20％～30％，地方油田生产成本中的电费支出更高，而电费支出中抽油机占了相当大的比重。因此，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。
2 抽油机节能潜力巨大
大部分原油生产井的抽油机采用图1所示的结构，即直接以交流电机作为原动机，通过皮带传动与凸轮机构把电动机的旋转运动转化为抽油杆的上、下往复式运动。对交流电机的控制仅用一个开关，如图3所示。从图3可见，这种控制方式具 有 以 下 几 个 特 点 。
图3 过去抽油机的控制方案
1）电机直接起动，起动电流大 由于抽油机的井位远离供电主电网，且一般选取配电变压器的容量有限，所以，起动中较大的电流引起供电电压的下降。经对延长西区采17＃石油生产井的实测，起动过程中电网电压降落达25～30V，因而，对同一井区数口采油井（或数台抽油机）共用一个变压器的场合，则要求抽油机互相错开起动时间，以尽可能减小电网电压在起动过程中的降落。
2）缺相及过载无法保护，经常造成电机烧坏 由于图3所示控制方案无法监测电机是否缺相运行，所以，当电网缺相(如变压器断线，电机内部断线或接触不良造成缺相)时，极易使电机烧坏。对过载来讲，图3所示线路亦没有检测与保护手段，经常造成电机虽未缺相但过载运行而烧坏，几乎在各油田都有很多被烧坏的抽油机电机。
3）功率因数很低 由于抽油机周期性负荷特点，加之电机为感性负载，因而运行中功率因数很低。经对延长油矿西区采17＃石油生产井的实测功率因数，最低时为0.125，最高时仅0.54，所以耗电严重。现以全国的8万多台抽油机平均电机功率为15kW（实际电机平均功率大于15kW），生产时间平均负荷率按80％计算，全国每年抽油机耗电不少于84.096×108kW·h。若采用先进的节能控制装置，使总节电率提高10％，则年可节电不少于84.096×107kW·h。按0.4元/kW·h计算，则直接经济效益不少于3.4亿元。
3 抽油机电控装置
据统计，我国石油开采成本为发达国家（如美国）的好几倍，中国石油天然气总公司从1996年到1998年的三年里通过先进的用电管理技术，使中油集团公司高峰电力得到有效控制。十五期间又制订出新的降耗增效策略，以进一步降低石油开采成本及提高总体效益。作为石油生产中用电消耗大户之一的抽油机节能问题，则受到了各油田的普通重视。为此，对抽油机节电装置的研究，受到了国内电力电子及特种电源行业的普遍关注，至今，在各油田进行中试或已投运的电控装置，从大的方面来看可分为以下几种。
1）直接起动带过载和缺相保护的方案
这种方案的原理电路如图4所示。在运行中加到电机定子上的端电压仍为固定值，功率因数仍然很低。该方案具有手动、自动控制功能，通过对交流电机某一相电流的检测来进行过流保护，而缺相保护是通过对三相电压的检测来进行的，具有图4（a)与图4（b)所示的两种线路。
对于图4（a)，当电网三相缺一相时，P点电压便不为0，V1导通，进行缺相保护，而当电机过载时比较器A1翻转，V2导通，进行过载保护。缺点在于电流检测仅用一相，若A、B两相中有任一相过载，则不能进行可靠的保护；另外，在电机定子绕组为三角形接线时，既就是电网缺相，但由于运行的电机通过内部绕组会感应出所缺的这一相电压，因而V1不一定能可靠导通进行缺相保护；另一方面当电网三相不平衡时，P点电压有可能大于0.7V而进行误保护。
图4（b）利用缺相时要么接触器JZ线圈断电，要么继电器J1线圈断电，进行缺相保护。过流保护应用三个电流互感器,保护较图4（a）要可靠点，但当电机定子绕组为三角形接线时，缺相保护不可靠的问题仍然存在。
（a） 控制保护线路1
（b） 控制保护线路2
图4 具有缺相与过载保护的两种抽油机常用控制线路
2）同时应用电流信号进行缺相和过载保护
这种方案仍然采用电机直接起动，以三个电流互感器监测电机三相电流,原理电路如图5所示。该电路通过电流互感器检测出三相电流信号，当缺相时，整流电压Ud波形出现缺口，使缺相保护电路动作；当过载时Ud值增加，超过过载保护门槛，过载保护电路动作。该电路的设计应考虑起动时的过载（交流电机直接起动电流为额定电流的5～7倍），不应使过载保护动作，由于加到电机定子侧的电压为固定值，功率因数仍很低，不能进行有效的节能。
图5 应用电流信号进行缺相和过载保护的原理图
3）应用电容补偿提高功率因数
有许多油田抽油机的控制装置采用电容器补偿，即在电机三相定子绕组上并接一固定三相电容器组，由于电容值固定，只能使抽油机的功率因数提高，而不能达到最优。经对延长油矿西区采17＃生产油井采用固定式电容补偿的测试表明，功率因数为0.54～0.98，比不补偿时的0.154～0.5提高了很多，但不是都大于0.9，同时由于加到电机定子侧的电压恒定，所以电机的损耗并未降低。
4）应用变频器来按电机负载情况进行调速
采用变频器来控制电机，即变频器按负载的大小对电机进行变频调速，轻载时使电机的转速降低，从而得到近似于泵类负载的节能效果。由于变频器的价格较高，使这种方案推广难度大，同时，由于抽油机运行环境的恶劣，其可靠性亦存在问题，现场维护力量跟不上，是油田不太喜欢的方案。
5）保持电机转速恒定，按负载大小调压
此方案是各电力电子企业和科研单位正在开发探讨的方案。国内亦有几台从日本进口的此类设备，其工作原理是按抽油机负载的周期性变化，通过晶闸管调节加到电机定子侧的电压值，从而使电机的实际运行电流减小，保证在运行过程中电机的铁损耗与铜损耗相等，从而减小电机空载及轻载时的损耗。经测试采用这种调节方法后，可使电机的损耗减小20％～30％，采用晶闸管调压，可以解决电机的软起动，缺相保护，过载保护等问题。另外，晶闸管作为无触点开关，省了接触器，从而解决了接触器工作寿命相对较短（触点寿命仅10000多次）的问题。
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