變頻器在直驅(qū)永磁同步抽油機的應(yīng)用

一、引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界目前有機械采油井150多萬口，其中傳統(tǒng)四連桿游梁式抽油機占90％左右，成為機械采油的主導(dǎo)機型。目前油井上普遍使用的異步電機驅(qū)動的游梁式抽油機，仍存在系統(tǒng)冗余、電機效率不高、功率因數(shù)低等缺陷。因此，為了實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標(biāo)，對節(jié)能減排要求越來越高，尋找更環(huán)保、更節(jié)能的驅(qū)動裝置成為了重中之重。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電機的制造向著專業(yè)化、自動化方向發(fā)展，目前，抽油機拖動裝置采用直驅(qū)永磁同步電機，該電機在轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)異步電機有很大區(qū)別，可以通過聯(lián)軸器與抽油機減速箱輸入軸直接連接，省去中間皮帶傳動環(huán)節(jié)，提高傳動效率。該系統(tǒng)相對于使用交流異步電機作為驅(qū)動裝置，降低了抽油機系統(tǒng)的工作損耗，提升了抽油機的工作效率。

二、應(yīng)用環(huán)境分析

1、游梁式抽油機系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的游梁式抽油機有異步電機、皮帶、齒輪箱三個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)。工作方式是：通過曲柄連桿將機械減速齒輪箱的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槌橛蜅U的反復(fù)地上下提升運動，其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當(dāng)大的平衡塊，當(dāng)平衡塊提升時，將采油機桿送入井中，平衡塊下降時，采油桿提出帶油至井口。

2、游梁式抽油機異步電機負載分析

(1)、游梁式抽油機負載受井下載荷影響變化劇烈且頻繁，一個沖次內(nèi)負載轉(zhuǎn)矩不均衡，載荷隨之增大，電流急劇增加，造成異步電機效率大幅下降。工作時電動機的利用率一般在20%-30%之間，最高不會超過60%，皮帶傳遞效率95%。電動機經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，造成了電動機資源的浪費。

(2)、游梁式抽油機為了克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，屬于大馬護小車性質(zhì)。

(3)、抽油機的工作情況是連續(xù)變化的，這些都取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，勢必也會造成電能的浪費。

(4)、由于電機轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負荷減輕，電機拖動產(chǎn)生的能量無法被負載吸引，導(dǎo)致電機進入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余的能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓的升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，頻繁的高壓沖擊會損壞電機，縮短電機壽命、維護量加大。

(5)、皮帶非常容易打滑磨損，通常一兩個月就需要更換皮帶。隨著磨損程度的增加，傳動效率很低。

3、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機主要特點

采用高效稀土永磁直驅(qū)同步電動機,取消抽油機皮帶傳動系統(tǒng), 直接驅(qū)動抽油機的輸入軸，以解決傳動效率很低以及拖動裝置自身耗能高導(dǎo)致不節(jié)能的問題。

(1)、低速大扭矩

永磁同步電機轉(zhuǎn)子上鑲有永磁體，產(chǎn)生恒定的磁場，因此在永磁同步電機轉(zhuǎn)子上可以鑲嵌很多對磁極，做成多極電動機，使該電機的額定轉(zhuǎn)速極低。再把永磁同步電動機直徑加大，就能做成低速大轉(zhuǎn)矩交流永磁同步電動機(由于使用了高能量磁鋼，永磁同步電機的能量密度高，在相同直徑的電機，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩也比其他電機高30%以上)。永磁同步電動機額定轉(zhuǎn)速可以做到每分鐘幾十轉(zhuǎn)，額定轉(zhuǎn)矩可達數(shù)十萬牛米，是其他種類電機不可能實現(xiàn)的。

(2)、高起動轉(zhuǎn)矩

該電機轉(zhuǎn)子上鑲有永磁體，可以產(chǎn)生恒定的磁場。根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中的電磁力F為: F=BLI (B是磁場強度，L是通電導(dǎo)體的有效長度。I是通電導(dǎo)體中的電流)。在永磁同步電機變頻器控制下，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩M為: M=FR (R額為永磁同步電機轉(zhuǎn)子的半徑)，因此永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩與電流的大小成正比，從而永磁同步電機起動時通入幾倍的額定電流，就有幾倍的額定轉(zhuǎn)矩，所以說永磁同步電機具有較高的起動轉(zhuǎn)矩(Y系列異步電動機起動電流是7倍左右額定電流，起動轉(zhuǎn)矩是2倍左右額定轉(zhuǎn)矩)。

(3)、永磁直驅(qū)電機直的應(yīng)用，可以很大程度地降低抽油機井能耗。與常規(guī)游梁式抽油機相比，永磁直驅(qū)電機抽油機有顯著的節(jié)電效果，，并且大幅度地提高了系統(tǒng)效率，降低了百米噸液耗電，是降低單井能耗的有效方法。安裝調(diào)試容易，沖程、沖速均可通過變頻柜控制，降低了整機的故障率和維護成本，并可以提高運行時率。

從數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用永磁同步電機不僅大幅降低了有功耗電量，而且解決了原有抽油機功率因數(shù)低、無功功率過大的缺點，有助于提高電網(wǎng)的運行品質(zhì)。目前，永磁同步電機因其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，功率慣量比大、效率高、精度 高和調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，近年來在各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

三、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機控制方案

1、變頻器選擇

永磁同步電機帶動的游梁式抽油機需要超過額定轉(zhuǎn)矩的啟動轉(zhuǎn)矩，要實現(xiàn)迅速的啟?？刂?，對控制精度的要求也較高，必須選用矢量控制型變頻器。深圳市邁凱諾推出KE300F永磁同步電機專用變頻器是一款用來控制永磁同步電機的變頻器，能很好滿足其性能要求。該變頻器在同步電機控制下具有以下技術(shù)特點:

轉(zhuǎn)矩：無PG矢量控制2.5Hz/150%（SVC）

載能力：150%額定電流60s，180%額定電流10s，200%額定電流1s

調(diào)速比：無PG矢量控制 1：20

制精度：無PG矢量控制：±0.2%最高速度 。

2、系統(tǒng)控制方案

KE300F開環(huán)永磁同步具有過壓抑制功能，針對油田直驅(qū)永磁同步抽油機上下沖程產(chǎn)生能量，進行過壓抑制處理，不加剎車單元或能量回饋。

對于30kW的多級永磁同步電機，充分考慮其啟動及運行時的轉(zhuǎn)矩要求，可以為其放大兩檔選配變頻器，選配的型號為KE300F-045G-T4。

3、具體使用效果

整個系統(tǒng)對信號的采集方面比較簡潔，因此接線十分方便。KE300F系列永磁同步電機專用變頻器是根據(jù)抽油機的工作特性，專門開發(fā)出來的專用變頻器，在使用時，無需做過多的復(fù)雜控制設(shè)置，只需簡單的自學(xué)習(xí)就能達到對永磁同步電機的精確控制，這樣整個調(diào)試過程也變得比較輕松。

通過油田現(xiàn)場測試的抽油機，表明游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機控制方案運行良好，抽油機工作在最佳的狀態(tài)。游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機控制應(yīng)用中有如下優(yōu)點：

? （1）直驅(qū)永磁同步抽油機控制解決方案，可以根據(jù)現(xiàn)場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態(tài)，根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機工作在合理的沖次，并根據(jù)油井工況對抽油機進行有效的保護；從而最大限度的使抽油機的運行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機的工作能力，實現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采；

? （2）KE300F系列永磁同步電機專用變頻器內(nèi)置的通訊功能，提供RS485通訊接口，使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡便；

? （3）模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的維護更加簡單；

? （4）KE300F系列永磁同步電機專用變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能，能有效保證系統(tǒng)安全高效的運行；

? （5）可以通過站控平臺有效實現(xiàn)變頻器的參數(shù)調(diào)整及管理要求，實現(xiàn)真正意義上的井場無人值守。

四、客戶評價

通過在長時間的運行觀察和一線員工的反饋，KE300F系列永磁同步電機專用變頻器與永磁同步電機一起構(gòu)成抽油機驅(qū)動系統(tǒng)，很好的滿足了抽油機的工作需求，解決低壓低產(chǎn)井系統(tǒng)效率偏低,以及皮帶傳動系統(tǒng)引發(fā)的負面問題。無論在加減速時間、力矩、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度、運行電流、電機噪聲、穩(wěn)速精度等方面均有出色表現(xiàn)。可很好的替代國外同類產(chǎn)品。該系統(tǒng)相對于使用交流異步電機作為驅(qū)動裝置，降低了抽油機系統(tǒng)的工作損耗，提升了抽油機的工作效率。

五、結(jié)束語

KE300F系列永磁同步電機專用變頻器的成功應(yīng)用，體現(xiàn)出其優(yōu)異的驅(qū)動能力及矢量控制特性。以其高效、低噪聲、大啟動轉(zhuǎn)矩、高可靠性、良好的調(diào)速性能、免維護等優(yōu)越性在油氣生產(chǎn)中有著良好的應(yīng)用前景。對于我國提出的建設(shè)節(jié)約型社會，減少環(huán)境污染具有重大的經(jīng)濟和社會意義，邁凱諾變頻器也必在石油行業(yè)大力推廣。

審核編輯：湯梓紅