采用可编程VaconNXP系列变频器实现节能抽油机变频系统的设计

1 引言

电动机换向抽油机是机电一体化、高效节能产品。采用高质量的无速度反馈矢量控制型Vacon变频器，Vacon变频器具有可编程功能，可根据用户工艺要求，通过编程可实现用户的特殊时序要求。高质量的Vacon变频器完全可以满足工业环境下应用要求。电机采用具有较好低速性能的变频电机。摩擦轮传动作为工作机构，机械传动路线短，效率高，电机实现了正反转换向，启动换向平稳，冲击小;冲程、冲次可独立进行无级调节，光杆及上下行速度可实现分别控制，能够适合各种油质（稀油和稠油）的采汲。

该机与同型号的常规游梁抽油机相比，机械效率提高了两倍多，系统效率达50%，节约电力46%，并解决了现行设备不能直接抽汲稠油的难题。该抽油机操作方便、使用可靠、便于维修，是常规游梁抽油机理想的更新换代产品。

图1电动机换向抽油机实物图

2 电动机换向抽油机工作原理

新型节能抽油机变频控制系统硬件采用可编程VaconNXP系列变频器，变频交流电动机。配备抽油机控制专用软件。变频器在C槽中加装NXOPTA5编码器反馈扩展卡，D槽中加装NXOPTB1I/O扩展卡，扩展卡NXOPTA1跳线X2设置为电压输入，变频电动机：功率因数、机械效率可达高，结构简单、工作可靠、适合于频繁正反转。当起动扭矩是额定扭矩的150%时，起动电流仅为额定电流的30%，工作过程无峰值电流。摆线针轮减速机：传动比大、效率高、体积小、重量轻、故障少、寿命长、运转可靠平稳，拆装方便、容易维修，还具有超过载能力强、耐冲击、惯性力矩小，适用于起动频率和正反转的特点。摩擦传动机构：采用摩擦传动方式，钢绳柔性好，寿命长，当发生卡泵时，提升钢绳在轮上发生滑动，保护油杆及油泵。控制箱：操作简单，设有恒温装置，保证电器元件工作在最佳温度状态，控制系统保护措施完善，电机永不烧毁，拥有故障自检显示功能，还设有无线集中监控接口。

2.1Vacon变频器控制端子接线

系统中变频器采用矢量控制型VaconNXP变频器。变频器控制端子接线图如图1。K1、K2分别是正反转启动信号，K3为故障复位信号，K4、K5、K6为多段速信号。

图2电动机换向抽油机实物图

继电器RO1设为变频器故障信号，此信号送给PLC，继电器RO1闭合时表示变频器故障，系统停止工作。

继电器RO2设为机械抱闸信号，RO2闭合送出机械抱闸开闸信号，RO2断开送出机械抱闸合闸信号。

输入端子功能为：

（1）P1：［AI1+，AI1-］上冲程参考速度给定电压输入。

（2）P2：［AI2+，AI2-］下冲程参考速度给定电压输入。

（3）K1：［DIN1］启动上冲程。闭合脉冲起作用。

（4）K2：［DIN2］启动下冲程。闭合脉冲起作用。

（5）K3：［DIN3］故障复位及停机端子：变频器报警时，可进行故障复位。变频器运行时，可进行停机。DIN3复位时，上下限位自动调整值也复位为上下限位调整值。

（6）K4：［DIN4］点动上冲程端子。

（7）K5：［DIN5］点动下冲程端子。

（8）K6：［DIN6］电机运行状态与电机调整状态转换端子。

K6=1闭合：电机运行状态，此时K1，K2信号有效。上下点动信号K4，K5有效，电机点动运行优先运行信号;

K6=0断开：电机调整状态，此时K1，K2信号无效，上下点动信号K4，K5有效，电机点动运行;

K6=0到K6=1，K6：［DIB6］来两个上升沿把上程脉冲限位值和下程脉冲限位值清零。

（9）K7：［DIO1］=1闭合：零制动。故障复位DIN3闭合时变频器不停机，零频给定送给电机给定频率。运行时，上、下点动开关有效时则点动频率送给电机给定频率，否则把电位器给定送给电机给定频率。

K7：［DIO1］=0断开：无零制动。故障复位DIN3闭合时变频器停机。运行时，上、下点动开关有效时则点动频率送给电机给定频率，否则把电位器给定送给电机给定频率。

（10）K8：［DIO2］定位接近开关。

K8=1闭合：定位接近;

K8=0断开：远离定位。

（11）K9：［DIO3］上冲程限位端子。到达限位后变频器输出反转。K3：［DIA3］故障复位。

（12）K10：［DIO4］下冲程限位端子。到达限位后变频器输出正转。K3：［DIA3］故障复位。

（13）K11：［DIO5］低温控制开关，25℃时闭合变频器24号与25号端子的继电器RO2。

2.2 抽油机控制专用参数组设置

参数组设置为G11。

参数说明：

P11.1K9：［DIO3］上冲程限位，工作次数，到达此工作次数后变频器停机并发出57号上限位报警;

P11.2K10：［DIO4］下冲程限位，工作次数，到达此工作次数后变频器停机并发出58号下限位报警;

P11.3变频器没有接受到位置信号延时时间，超过此时间变频器停机并发出59号超时报警;

P11.4计算冲程系数分子（与电动机减速器传动比有关）;

P11.5计算冲程系数分母（与电动机减速器传动比有关）;

P11.6每个冲程时间系数分子;

P11.7每个冲程时间系数分母。

2.3抽油机设定调整过程

（1）进入调整状态，闭合K6开关。上程脉冲限位值、下程脉冲限位值清零，重新设置。

（2）如果此时定位块在定位接近开关［DIO2］下面时，则闭合上点动开关K4向上提抽油杆，使定位块从下向上经过定位接近开关［DIO2［后，在定位接近开关［DIO2］之上可用上下点动开关K4、K5把抽油杆提到最高的合适点，此时上程脉冲限位值保存起来。然后闭合下点动开关K5向下拉抽油杆使，定位块从上向下经过定位接近开关［DIO2］后，在定位接近开关［DIO2］之下可用上下点动开关K4、K5把抽油杆拉到最低的合适点，此时下程脉冲限位值保存起来。

如果此时定位块在定位接近开关［DIO2］上面时，则闭合下点动开关K5向下拉抽油杆，使定位块从上向下经过定位接近开关［DIO2］后，在定位接近开关［DIO2］之下可用上下点动开关K4、K5把抽油杆拉到最低的合适点，此时下程脉冲限位值保存起来。然后闭合上点动开关K4向上提抽油杆，使定位块从下向上经过定位接近开关［DIO2］后，在定位接近开关［DIO2］之上可用上下点动开关K4、K5把抽油杆提到最高的合适点，此时上程脉冲限位值保存起来。

（3）进入运行状态，断开K6开关。断电后上程脉冲限位值、下程脉冲限位值保持不变。

（4）重新调整上、下程脉冲限位值，闭合K6开关。K6=0到K6=1，K6：［DIB6］来两个上升沿把上程脉冲限位值和下程脉冲限位值清零。

（5）进入运行状态，断开K6开关。

（6）如果此时定位块在定位接近开关［DIO2］下面时，则闭合K1：［DIA1］启动上冲程。

（7）如果此时定位块在定位接近开关［DIO2］上面时，则闭合K2：［DIA2］启动下冲程。

（8）如果停止运行，闭合K3：［DIA3］停机端子。

（9）定位接近开关K8：［DIO2］用K9：［DIO3］上冲程限位。K10：［DIO4］下冲程限位保护。到达限位后向相反方向转。

（10）K9：［DIO3］上冲程限位，K10：［DIO4］下冲程限位。到达限位后向相反方向转。限位工作次数到达P11.1P11.2工作次数后变频器停机并发出57号上限位、58号下限位报警。K3：［DIA3］=1故障复位。

（11）P11.3变频器没有接受到位置信号延时时间，超过此时间变频器停机并发出59号超时报警。K3：［DIA3］=1故障复位。

（12）智能补偿由于惯性引起的上、下冲程限位变化。

2.4 Vacon变频器抱闸控制逻辑

抽油机停机时需要抱闸控制，利用Vacon变频器具有可编程功能，可根据系统要求编写出特殊控制逻辑。Vacon变频器的编程工具VaconNC1131-3Engineering是一个符合IEC61131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计VaconNX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，PI控制器和积分器。NC1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。

制动器开闸信号至关重要，开闸时必须保证变频器输出足够大转矩后才开闸，合闸时要在变频器接近零速，但还有一定转矩时就合闸。为保证电机在低转速时大转矩输出，变频器采用闭环控制。通过Vacon变频器编程设计出开闸、合闸逻辑。

开闸条件：变频器有运行信号；变频器输出电流大于设定的开闸电流限制值；变频器输出转矩大于设定的开闸转矩限制值；变频器输出频率大于设定的开闸频率限制值；以上四个条件缺一不可。

合闸条件：变频器输出频率小于设定的合闸频率限制值，且有变频器停机信号；变频器停机；变频器故障；以上三个条件任意一个存在，变频器都送出合闸信号。

3 实验应用结果分析

该机具有以下优点：

（1）装机容量低、机械效率高，可达80%以上;

（2）电动机功率因数COSФ＝1，可提高变电设备的利用率;

（3）电动机起动电流小，当负载为电机额定负载l50%时，起动电流仅为额定电流的30%，电气系统保护措施完善，不会出现烧毁电机事故;

（4）平衡度高，平衡方式为对称式平衡，可达精确平衡;

（5）抽油杆上、下行速度可分别独立控制、冲程、冲次无级调节，能够很好地适应油井状况从而提高泵效;

（6）该机效率高、能耗低，正常情况下，系统效率可达40～50%;

（7）该机适用于较稠油采汲，恰当调整参数，可有效解决或减轻油杆及油管偏磨问题；

（8）工作系统采用摩擦传动，卡泵时摩擦系统打滑，避免拉断井杆，超载自动停机保护；

（9）整机重心在机架内，不会发生翻机事故，解决了翻机问题，配重在机架内，工作时不会发生配重砸伤人、畜等事故；

（10）维护简单，整机传动部分只有两个油脂润滑点，电气系统具有故障自检显示功能；

（11）操作简单、易行、调整冲程、冲次等参数特别方便，调整冲次几秒钟内即可完成，调整冲程几分钟亦可完成、且不需设备辅助；

（12）具有无线集中控制接口，可实现集中监控。

4 结束语

现场运行稳定，故障率低，减小了设备的维修量，提高了劳动效率，控制平稳，控制效果达到要求，用户满意。此控制方案在抽油机行业具有很大的推广价值。

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