变频器在直驱永磁同步抽油机的应用

一、引言

据不完全统计，全世界目前有机械采油井150多万口，其中传统四连杆游梁式抽油机占90％左右，成为机械采油的主导机型。目前油井上普遍使用的异步电机驱动的游梁式抽油机，仍存在系统冗余、电机效率不高、功率因数低等缺陷。因此，为了实现碳达峰、碳中和的目标，对节能减排要求越来越高，寻找更环保、更节能的驱动装置成为了重中之重。随着控制技术的发展，电机的制造向着专业化、自动化方向发展，目前，抽油机拖动装置采用直驱永磁同步电机，该电机在转子磁极结构上与传统异步电机有很大区别，可以通过联轴器与抽油机减速箱输入轴直接连接，省去中间皮带传动环节，提高传动效率。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。

二、应用环境分析

1、游梁式抽油机系统组成

传统的游梁式抽油机有异步电机、皮带、齿轮箱三个旋转驱动环节。工作方式是：通过曲柄连杆将机械减速齿轮箱的旋转运动转变为抽油杆的反复地上下提升运动，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。

2、游梁式抽油机异步电机负载分析

(1)、游梁式抽油机负载受井下载荷影响变化剧烈且频繁，一个冲次内负载转矩不均衡，载荷随之增大，电流急剧增加，造成异步电机效率大幅下降。工作时电动机的利用率一般在20%-30%之间，最高不会超过60%，皮带传递效率95%。电动机经常处于轻载状态，造成了电动机资源的浪费。

(2)、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，属于大马护小车性质。

(3)、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。

(4)、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。

(5)、皮带非常容易打滑磨损，通常一两个月就需要更换皮带。随着磨损程度的增加，传动效率很低。

3、游梁式直驱永磁同步抽油机主要特点

采用高效稀土永磁直驱同步电动机,取消抽油机皮带传动系统, 直接驱动抽油机的输入轴，以解决传动效率很低以及拖动装置自身耗能高导致不节能的问题。

(1)、低速大扭矩

永磁同步电机转子上镶有永磁体，产生恒定的磁场，因此在永磁同步电机转子上可以镶嵌很多对磁极，做成多极电动机，使该电机的额定转速极低。再把永磁同步电动机直径加大，就能做成低速大转矩交流永磁同步电动机(由于使用了高能量磁钢，永磁同步电机的能量密度高，在相同直径的电机，永磁同步电机的转矩也比其他电机高30%以上)。永磁同步电动机额定转速可以做到每分钟几十转，额定转矩可达数十万牛米，是其他种类电机不可能实现的。

(2)、高起动转矩

该电机转子上镶有永磁体，可以产生恒定的磁场。根据通电导体在磁场中的电磁力F为: F=BLI (B是磁场强度，L是通电导体的有效长度。I是通电导体中的电流)。在永磁同步电机变频器控制下，永磁同步电机的转矩M为: M=FR (R额为永磁同步电机转子的半径)，因此永磁同步电机的转矩与电流的大小成正比，从而永磁同步电机起动时通入几倍的额定电流，就有几倍的额定转矩，所以说永磁同步电机具有较高的起动转矩(Y系列异步电动机起动电流是7倍左右额定电流，起动转矩是2倍左右额定转矩)。

(3)、永磁直驱电机直的应用，可以很大程度地降低抽油机井能耗。与常规游梁式抽油机相比，永磁直驱电机抽油机有显著的节电效果，，并且大幅度地提高了系统效率，降低了百米吨液耗电，是降低单井能耗的有效方法。安装调试容易，冲程、冲速均可通过变频柜控制，降低了整机的故障率和维护成本，并可以提高运行时率。

常规电动机与永磁直驱同步电动机的对比
项目	异步动机+皮带轮+减速器	永磁直驱同步电动机
额定效率%	69-73	95
平均效率%	<    50	>    80
功率因数	<    0.85	>    0.95
维护保养	皮带轮需要定期更换	免维护
机械结构	高可靠性	无须改变现有游梁式抽油机结构

从数据可以看出，应用永磁同步电机不仅大幅降低了有功耗电量，而且解决了原有抽油机功率因数低、无功功率过大的缺点，有助于提高电网的运行品质。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、游梁式直驱永磁同步抽油机控制方案

1、变频器选择

永磁同步电机带动的游梁式抽油机需要超过额定转矩的启动转矩，要实现迅速的启停控制，对控制精度的要求也较高，必须选用矢量控制型变频器。深圳市迈凯诺推出KE300F永磁同步电机专用变频器是一款用来控制永磁同步电机的变频器，能很好满足其性能要求。该变频器在同步电机控制下具有以下技术特点:

转矩：无PG矢量控制2.5Hz/150%（SVC）

载能力：150%额定电流60s，180%额定电流10s，200%额定电流1s

调速比：无PG矢量控制 1：20

制精度：无PG矢量控制：±0.2%最高速度 。

2、系统控制方案

KE300F开环永磁同步具有过压抑制功能，针对油田直驱永磁同步抽油机上下冲程产生能量，进行过压抑制处理，不加刹车单元或能量回馈。

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-045G-T4。

3、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系列永磁同步电机专用变频器是根据抽油机的工作特性，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。

项目	产液 t.d	冲程 m	冲速 min	泵效 %	有功功率 KW	功率因数	电流 A
改造前	16．8	3	4．7	54．4	6．85	0．4	34/32
改造后	17．2	3	4．7	55．7	6．21	0．76	25/23

日耗电 KWh	系统效率 %	百米吨液耗电 kwh	综合节电率 %	百米吨液节电率 %
164．4	10．72	2．47	11．59	19．03
148．8	13．35	2

通过油田现场测试的抽油机，表明游梁式直驱永磁同步抽油机控制方案运行良好，抽油机工作在最佳的状态。游梁式直驱永磁同步抽油机控制应用中有如下优点：

Ø  （1）直驱永磁同步抽油机控制解决方案，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；

Ø  （2）KE300F系列永磁同步电机专用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；

Ø  （3）模块化设计，系统的维护更加简单；

Ø  （4）KE300F系列永磁同步电机专用变频器具有短路、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；

Ø  （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。

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系列永磁同步电机专用变频器与永磁同步电机一起构成抽油机驱动系统，很好的满足了抽油机的工作需求，解决低压低产井系统效率偏低,以及皮带传动系统引发的负面问题。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系列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。

　　审核编辑：汤梓红