电机拖动系统中变频器调速原理和应用分析

一、引言

我国的油田绝大部分为低能、低产油田，不像国外的油田有很强的自喷能力，大部分油要靠注水来压油入井，靠抽油机(磕头机)把油从地层中提升上来。在我国，以水换油、以电换油是目前油田的现实，耗电费用在我国的石油开采成本中占了相当大的比例。所以，为进一步提高抽油机采油系统效率，节约能源，降低开采成本，研制开发数字化抽油机就显得尤为重要。游梁式抽油机作为油田开发的主要设备，往往在现场应用中，还存在抽油机运行参数与油井参数相差较大，抽油机的平衡状态和工作冲次与油井参数不匹配，致使抽油机的工作状态不良、系统效率低下等弊病。数字化抽油机的研制开发可以根据油井负荷大小使抽油机达到最佳的平衡状态，根据油井的产液量使抽油机工作在合理的冲次，并根据油井工况对抽油机进行有效的保护；从而最大限度的使抽油机的运行参数与油井参数相一致，发挥抽油机的工作能力，达到低碳开发和节能开采的目的。数字化抽油机除了具备井口数据采集、传输和远程启停外，还需实现抽油机的自动调参目的，实现真正意义的数字化管理和智能控制。

二、油梁抽油机工作特点

游梁式抽油机主要是由四大部分组成的：

(1)游梁部分：驴头、游梁、横梁、尾梁、连杆、平衡块(复合平衡抽油机)

(2)支架部分：中央轴承座、工作梯、护圈、操作台、支架。

(3)减速器部分：底座、减速器筒座、减速器、曲柄、配重块、刹车等部件。

(4)配电部分：电机座、电机、配电箱等

游梁式抽油机运动为反复地上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自于电动机带动的两个重量相当大的平衡块，当平衡块提升时，将采油机杆送入井中，平衡块下降时，采油杆提出带油至井口。由于电机转速一定，在滑块下降过程中，负荷减轻，电机拖动产生的能量无法被负载吸引，导致电机进入再生发电状态，将多余的能量反馈到电网，引起主回路母线电压的升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低，频繁的高压冲击会损坏电机，缩短电机寿命、维护量加大。

另一方面游梁式抽油机为了克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机的利用率一般在20%~30%之间，最高不会超过50%，电动机经常处于轻载状态，造成了电动机资源的浪费。并且抽油机的工作情况是连续变化的，这些都取决于地底下的状态，若始终处于工频运行，势必也会造成电能的浪费。为了节能，提高电动机的工作效率，需进行变频改造。

三、抽油机变频调速特点

3.1 变频器调速原理

为了解决上述问题，可将变频技术引入到游梁式抽油机控制中去。根据电机理论可知，其转速公式为：n=60f（1-s）/P 其中：P为电动机的极对数，s为转差率，f为供电电源频率，n为电动机的实际转速。从式可以看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，从而可以连续地改变提油机的抽油速度。根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率，这样可以根据井况的变化，方便的调节抽油机的冲程，达到节能和提高电网功率因数的目的。同时变频调速器具有低速软启动，转速可以平滑地大范围调节，对电动机保护功能齐全，如短路、过载、过压、欠压及失速等，可有效地保护电机及机械设备，保证设备在安全的电压下工作，具有运行平稳、可靠，提高功率因数等诸多优点，是采油设备改造的理想方案。

抽油机节能目前来说比较成熟的方案就是采用变频器对其电机拖动系统进行改造，抽油机用变频器拖动有如下三个优点：

（1）大大提高了功率因数（可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），大大减小了供电电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损。以提高电网质量，减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为了避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。

（2）可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量。

（3）实现了的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，延长了设备的使用寿命，提高了生产效率。

3.2 英威腾Goodrive200A变频器性能介绍

Goodrive200A变频器是我司开发的新一代开环矢量型变频器，可用来控制异步交流感应电机。产品采用国际领先的无速度传感器矢量控制技术，运用DSP控制系统，并且强化产品的可靠性和环境的适应性以及客户化的设计，功能更优化，应用更灵活，性能更稳定。

Goodrive200A开环矢量型变频器具有优异的空间电压控制性能，能满足不同客户多种应用需求。同时，Goodrive200A开环矢量型变频器具有超出同类产品的防跳闸性能和适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘能力，极大提高产品可靠性。

Goodrive200A开环矢量型变频器采用模块化设计，在满足客户通用需求的前提下，通过扩展设计可以灵活地满足客户个性化需求。强大的速度控制、简易PLC、灵活的输入输出端子、脉冲频率给定、摆频控制等，满足各种复杂传动的要求，同时为设备制造业客户提供高集成度的一体化解决方案，对降低系统成本，提高系统可靠性具有极大价值。

Goodrive200A开环矢量型变频器通过电磁兼容性整体设计，满足用户对应用场所的低噪音、低电磁干扰的环保要求。

四、油梁式抽油机的变频拖动及系统应用方案

在游梁式抽油机变频拖动的实际应用过程中出现了许多问题，这些问题主要集中在游梁式抽油机的发电状态产生的能量的处理上。

4.1 采用普通变频器加能耗制动单元

这种方式可比较方便的实现，但是以多耗电能为代价，这主要是因为发电能量不能回馈电网造成的。在未采用变频器时，电动机处于电动状态时，电动机从电网吸收电能（电表正转）；电动机处于发电状态时，电动机释放能量（电表反转），电能直接回馈电网的，并没有在本地设备上耗费掉。综合表现为抽油机的供电系统的功率因数较低，对电网质量影响较大。但是在使用普通变频器时，情况发生了变化。普通变频器的输入是二极管整流，能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路，必须用电阻来就地消耗，这就是必须使用能耗制动单元的原因。

4.2 变频器加回馈单元控制

为了回馈再生能量，提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网，当然这样一来，系统就更复杂，投资也就更高了。所谓能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管（SCR）有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器两种，它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反馈到电网，如图1所示。加装能量回馈单元的变频器适用于交流50Hz，额定电压380V的异步电动机，实现软起动、软停车和调速运行过程控制。具有起动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小等优点，可实现上下速度任意调节和闭环控制运行；用户可根据油井的液位、压力确定抽油机的冲机、速度和产液量，降耗节能，提高泵效；使设备减少磨损，延长使用寿命，高效节能低成本，实现在最大节能状态下的自动化运行。

变频器加回馈单元接线图

五、客户收益

通过油田现场测试的抽油机的示功图表明由Goodrive200A变频器组成数字化抽油机运行良好，抽油机工作在最佳的状态。采用英威腾Goodrive200A变频器作为控制的解决方案在数字化抽油机应用中有如下优点：（1）变频解决方案，可以根据现场油井负荷大小使抽油机达到最佳的平衡状态，根据油井的产液量使抽油机工作在合理的冲次，并根据油井工况对抽油机进行有效的保护；从而最大限度的使抽油机的运行参数与油井参数相一致，发挥抽油机的工作能力，实现低碳开发和节能开采。（2）变频器内置的通讯功能，提供RS485通讯接口，使之与RTU控制模块的通讯连接更加简便。（3）模块化设计，系统的维护更加简单。（4）变频器具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能，能有效保证系统安全高效的运行。（5）可以通过站控平台有效实现变频器的参数调整及管理要求，实现真正意义上的井场无人值守。胜利油田某采油厂2012年使用能量回馈式电磁调速电动机135台。经测试其平均吨液有功节电率为32％，平均吨液无功节电率为43％，功率因数平均提高0.21，综合节电率为35％。形成年节电能力456万千瓦时，年节电效益320万元。下图为现场抽油机变频器系统图片。

六、结束语

数字化抽油机除了具备井口数据采集、传输和远程启停外，还实现了抽油机的自动调参，最大限度地降低一线员工的劳动强度和减少一线员工的用工总量，使井场设备达到无人值守。英威腾Goodrive200A变频器作为数字化抽油机的动力驱动设备，以其高效、低噪声、大启动转矩、高可靠性、良好的调速性能、免维护等优越性在数字化抽油机中有着良好的应用，经实际运行证明：此控制系统稳定、进一步提高抽油机采油系统效率，节约能源，降低开采成本，实现油田经济有效开发，实现真正意义上的数字化管理和智能控制。

编辑：黄飞