应用于永磁同步电机的变频器分析

一、引言

随着我国石油工业发展和油田开发的需要，为了提高油田采油速度和最终采收率，应用机械采油方法，是整个油田开发过程中一个重要步骤。塔架式数控抽油机，是现代机械制造技术、控制技术、功率电子技术与机电一体化技术集成创新的完美结合它采取控制系统驱动电机运行，通过组合减速传动使抽油机的动力源和终端负载作换向运动，拖动抽油杆上下反复运行。

塔架式数控抽油机属于“长冲程、低冲次”机电一体化的抽油机，抽油杆和配重形成了天平式的平衡，相互不断地交换储存和释放势能的过程，实现了运行时的平衡，使机械效率达到90%以上，无功损耗接近于零，起到了四两拨千斤的效果，与常规抽油机相比节能效果达到30--70%，解决了常规抽油机机械效率低、难以实现长冲程和高耗能的难题。

二、应用环境分析

1、塔式抽油机系统组成

塔式抽油机，也叫做往复式抽油机。塔式抽油机由动力传动系统、控制系统、机架及移动装置、平衡箱，平衡箱安全刹车系统，适用于普通油井的采油作业，尤其适用于长冲程、低冲次的采油工况使用。

2、塔式抽油机负载分析

塔式抽油机所带为恒转矩性质负载，启动时需要超过额定转矩值的转矩。工作状态与电梯工作比较接近，分上升和下降两个过程，支持悬停，对变频器转矩控制特性要求较高，由于永磁同步电机特性决定，在塔式抽油机配重不平衡时会出现能量回馈，因此需要通过反馈装置反送给电网或者消耗在制动电阻上，以防止母线电压过冲。

塔式抽油机核心在于永磁同步电动机。永磁同步电机具有低速启动力矩大、宽调速、高效率和稳态转速误差小等特点。可以通过匹配KE300F-24系列塔式永磁同步电机专用变频器实现平滑调速，在额定电压下，转速在0-500r/min之间可调。电动机的励磁来源于永磁体，使功率因素达0.98以上。

3、塔架式数控抽油机的主要特点

1、采用牢固耐用的组合减速传动系统，结合工业电脑数字化控制的永磁同步制动电机技术，实现了柔性启动、加速、减速、超低速运行，避免了抽油机在换向启动时的机械冲击，做到了抽油机只保养无大修，延长了抽油机的使用寿命。

2、采用简练机身，最大限度的利用空间位置，突破了常规抽油机最大冲程和最低冲次的局限，最大冲程可达8米、最低冲次0.5次。扩大了抽油机的使用范围，扩展了抽油机的使用范围，特别适合中高含水期大排量、深井、稠油井的重载强抽;延长了抽油杆、抽油泵的使用寿命，适合了当今大排量、低渗透、稠油井、深井的不同开采的需要。

3、用变频调速和程序自动控制技术，变传统机械式抽油为现代智能化采油，运行效率高、能耗少、使用可靠，一举将传统的机械采油装备带入了电子时代。采用无线遥控操作，液晶屏数字显示，清晰可见，调整参数（冲程、冲次）简便易行，无级分别调整上下冲程的冲次。可根据井下工况随时改变参数，达到最大泵效及工艺的要求。

4、独特的配重设计，能轻松、迅速地完成调整平衡的作业。

5、可靠的安全保障，运行时运动件与人隔离;操作机器与高压电隔离;调平衡时配重块落地调整安全无忧，具有过载、失载、缺相等多种保护功能并有自动起机、停机、显示故障原因、历史故障记录等保护功能。

6、 牢固耐用使用方便。抽油机装卸载、调防冲距上提下挂、碰泵等不用辅助设备即可完成。

目前，永磁同步电机因其结构简单，体积小，重量轻，功率惯量比大、效率高、精度 高和调速范围宽等优点，近年来在各领域都得到广泛的应用。

三、塔式抽油机控制方案

深圳市迈凯诺推出KE300F-24系列塔式永磁同步电机专用变频器 + 编码器闭环矢量控制与永磁同步电机一起构成的塔式抽油机驱动系统。通过该系统，可以实现塔式抽油机运行速度更稳定，低速出力扭矩好，自动定位往复运动，上下行程控制更准确。

本文仅以大庆油田一个30kW塔式抽油机使用现场为例进行说明，具体要求有如下：

1、电气控制原理图

对于30kW的多级永磁同步电机，充分考虑其启动及运行时的转矩要求，可以为其放大两档选配变频器，选配的型号为KE300F-24-045G-T4。塔式抽油机需满足快速启停，缩短制动过程，可选用内置的制动单元，制动电阻为16Ω/6KW。

2、具体使用效果

整个系统对信号的采集方面比较简洁，因此接线十分方便。KE300F-24系列塔式永磁同步电机专用变频器是根据塔式抽油机的工作特性，专门开发出来的专用变频器，在使用时，无需做过多的复杂控制设置， 只需简单的自学习就能达到对永磁同步电机的精确控制，这样整个调试过程也变得比较轻松。

采用编码器做有PG矢量闭环控制，同时通过编码器记录上、下限位置之间脉冲数及圈数，再通过永磁同步变频器程序自动控制冲程和冲次。

3、方案的应用优势

Ø 变频器集成塔式抽油机专用工艺控制逻辑，内置换向及保护逻辑。

Ø 运行自动搜索原点。

Ø 支持自动往复运动及间抽功能。

Ø 自动检测皮带打滑并修正累积偏差。

Ø 冲程及冲次灵活可调。

Ø 灵活手动修井操控模式，支持悬停。

Ø 简化安全保护措施，具备断绳、打滑、卡井等机械故障报警功能。

四、客户评价

通过在长时间的运行观察和一线员工的反馈，KE300F-24系列塔式永磁同步电机专用变频器+编码器闭环矢量控制与永磁同步电机一起构成塔式抽油机驱动系统，很好的满足了塔式抽油机的工作需求，无论在加减速时间、力矩、转矩动态响应速度、运行电流、电机噪声、稳速精度等方面均有出色表现。可很好的替代国外同类产品。该系统相对于使用交流异步电机作为驱动装置，降低了抽油机系统的工作损耗，提升了抽油机的工作效率。

五、结束语

KE300F-24系列塔式永磁同步电机专用变频器的成功应用，体现出其优异的驱动能力及矢量控制特性。以其高效、低噪声、大启动转矩、高可靠性、良好的调速性能、免维护等优越性在油气生产中有着良好的应用前景。对于我国提出的建设节约型社会，减少环境污染具有重大的经济和社会意义，迈凯诺变频器也必在石油行业大力推广。

编辑：黄飞