應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的變頻器分析

一、引言

隨著我國石油工業(yè)發(fā)展和油田開發(fā)的需要，為了提高油田采油速度和最終采收率，應(yīng)用機(jī)械采油方法，是整個(gè)油田開發(fā)過程中一個(gè)重要步驟。塔架式數(shù)控抽油機(jī)，是現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)、控制技術(shù)、功率電子技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)集成創(chuàng)新的完美結(jié)合它采取控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，通過組合減速傳動(dòng)使抽油機(jī)的動(dòng)力源和終端負(fù)載作換向運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)抽油桿上下反復(fù)運(yùn)行。

塔架式數(shù)控抽油機(jī)屬于“長(zhǎng)沖程、低沖次”機(jī)電一體化的抽油機(jī)，抽油桿和配重形成了天平式的平衡，相互不斷地交換儲(chǔ)存和釋放勢(shì)能的過程，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)的平衡，使機(jī)械效率達(dá)到90%以上，無功損耗接近于零，起到了四兩撥千斤的效果，與常規(guī)抽油機(jī)相比節(jié)能效果達(dá)到30--70%，解決了常規(guī)抽油機(jī)機(jī)械效率低、難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程和高耗能的難題。

二、應(yīng)用環(huán)境分析

1、塔式抽油機(jī)系統(tǒng)組成

塔式抽油機(jī)，也叫做往復(fù)式抽油機(jī)。塔式抽油機(jī)由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)架及移動(dòng)裝置、平衡箱，平衡箱安全剎車系統(tǒng)，適用于普通油井的采油作業(yè)，尤其適用于長(zhǎng)沖程、低沖次的采油工況使用。

2、塔式抽油機(jī)負(fù)載分析

塔式抽油機(jī)所帶為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)需要超過額定轉(zhuǎn)矩值的轉(zhuǎn)矩。工作狀態(tài)與電梯工作比較接近，分上升和下降兩個(gè)過程，支持懸停，對(duì)變頻器轉(zhuǎn)矩控制特性要求較高，由于永磁同步電機(jī)特性決定，在塔式抽油機(jī)配重不平衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量回饋，因此需要通過反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動(dòng)電阻上，以防止母線電壓過沖。

塔式抽油機(jī)核心在于永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)具有低速啟動(dòng)力矩大、寬調(diào)速、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^匹配KE300F-24系列塔式永磁同步電機(jī)專用變頻器實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在額定電壓下，轉(zhuǎn)速在0-500r/min之間可調(diào)。電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁來源于永磁體，使功率因素達(dá)0.98以上。

3、塔架式數(shù)控抽油機(jī)的主要特點(diǎn)

1、采用牢固耐用的組合減速傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合工業(yè)電腦數(shù)字化控制的永磁同步制動(dòng)電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了柔性啟動(dòng)、加速、減速、超低速運(yùn)行，避免了抽油機(jī)在換向啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊，做到了抽油機(jī)只保養(yǎng)無大修，延長(zhǎng)了抽油機(jī)的使用壽命。

2、采用簡(jiǎn)練機(jī)身，最大限度的利用空間位置，突破了常規(guī)抽油機(jī)最大沖程和最低沖次的局限，最大沖程可達(dá)8米、最低沖次0.5次。擴(kuò)大了抽油機(jī)的使用范圍，擴(kuò)展了抽油機(jī)的使用范圍，特別適合中高含水期大排量、深井、稠油井的重載強(qiáng)抽;延長(zhǎng)了抽油桿、抽油泵的使用壽命，適合了當(dāng)今大排量、低滲透、稠油井、深井的不同開采的需要。

3、用變頻調(diào)速和程序自動(dòng)控制技術(shù)，變傳統(tǒng)機(jī)械式抽油為現(xiàn)代智能化采油，運(yùn)行效率高、能耗少、使用可靠，一舉將傳統(tǒng)的機(jī)械采油裝備帶入了電子時(shí)代。采用無線遙控操作，液晶屏數(shù)字顯示，清晰可見，調(diào)整參數(shù)（沖程、沖次）簡(jiǎn)便易行，無級(jí)分別調(diào)整上下沖程的沖次?？筛鶕?jù)井下工況隨時(shí)改變參數(shù)，達(dá)到最大泵效及工藝的要求。

4、獨(dú)特的配重設(shè)計(jì)，能輕松、迅速地完成調(diào)整平衡的作業(yè)。

5、可靠的安全保障，運(yùn)行時(shí)運(yùn)動(dòng)件與人隔離;操作機(jī)器與高壓電隔離;調(diào)平衡時(shí)配重塊落地調(diào)整安全無憂，具有過載、失載、缺相等多種保護(hù)功能并有自動(dòng)起機(jī)、停機(jī)、顯示故障原因、歷史故障記錄等保護(hù)功能。

6、 牢固耐用使用方便。抽油機(jī)裝卸載、調(diào)防沖距上提下掛、碰泵等不用輔助設(shè)備即可完成。

目前，永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，近年來在各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

三、塔式抽油機(jī)控制方案

深圳市邁凱諾推出KE300F-24系列塔式永磁同步電機(jī)專用變頻器 + 編碼器閉環(huán)矢量控制與永磁同步電機(jī)一起構(gòu)成的塔式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)塔式抽油機(jī)運(yùn)行速度更穩(wěn)定，低速出力扭矩好，自動(dòng)定位往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上下行程控制更準(zhǔn)確。

本文僅以大慶油田一個(gè)30kW塔式抽油機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)為例進(jìn)行說明，具體要求有如下：

1、電氣控制原理圖

對(duì)于30kW的多級(jí)永磁同步電機(jī)，充分考慮其啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩要求，可以為其放大兩檔選配變頻器，選配的型號(hào)為KE300F-24-045G-T4。塔式抽油機(jī)需滿足快速啟停，縮短制動(dòng)過程，可選用內(nèi)置的制動(dòng)單元，制動(dòng)電阻為16?/6KW。

2、具體使用效果

整個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集方面比較簡(jiǎn)潔，因此接線十分方便。KE300F-24系列塔式永磁同步電機(jī)專用變頻器是根據(jù)塔式抽油機(jī)的工作特性，專門開發(fā)出來的專用變頻器，在使用時(shí)，無需做過多的復(fù)雜控制設(shè)置， 只需簡(jiǎn)單的自學(xué)習(xí)就能達(dá)到對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制，這樣整個(gè)調(diào)試過程也變得比較輕松。

采用編碼器做有PG矢量閉環(huán)控制，同時(shí)通過編碼器記錄上、下限位置之間脈沖數(shù)及圈數(shù)，再通過永磁同步變頻器程序自動(dòng)控制沖程和沖次。

3、方案的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

? 變頻器集成塔式抽油機(jī)專用工藝控制邏輯，內(nèi)置換向及保護(hù)邏輯。

? 運(yùn)行自動(dòng)搜索原點(diǎn)。

? 支持自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)及間抽功能。

? 自動(dòng)檢測(cè)皮帶打滑并修正累積偏差。

? 沖程及沖次靈活可調(diào)。

? 靈活手動(dòng)修井操控模式，支持懸停。

? 簡(jiǎn)化安全保護(hù)措施，具備斷繩、打滑、卡井等機(jī)械故障報(bào)警功能。

四、客戶評(píng)價(jià)

通過在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，KE300F-24系列塔式永磁同步電機(jī)專用變頻器+編碼器閉環(huán)矢量控制與永磁同步電機(jī)一起構(gòu)成塔式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，很好的滿足了塔式抽油機(jī)的工作需求，無論在加減速時(shí)間、力矩、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、運(yùn)行電流、電機(jī)噪聲、穩(wěn)速精度等方面均有出色表現(xiàn)?？珊芎玫奶娲鷩馔?a target="_blank">產(chǎn)品。該系統(tǒng)相對(duì)于使用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，降低了抽油機(jī)系統(tǒng)的工作損耗，提升了抽油機(jī)的工作效率。

五、結(jié)束語

KE300F-24系列塔式永磁同步電機(jī)專用變頻器的成功應(yīng)用，體現(xiàn)出其優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)能力及矢量控制特性。以其高效、低噪聲、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高可靠性、良好的調(diào)速性能、免維護(hù)等優(yōu)越性在油氣生產(chǎn)中有著良好的應(yīng)用前景。對(duì)于我國提出的建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，減少環(huán)境污染具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義，邁凱諾變頻器也必在石油行業(yè)大力推廣。

編輯：黃飛