產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
1140V變頻器在油田抽油機(jī)上的應(yīng)用
1游梁式抽油機(jī)的特點
在全世界的油田中，從設(shè)備的數(shù)量與規(guī)模上都占絕大多數(shù)。只要走入某個油田，首先映入眼簾的大多是游梁式抽油機(jī)，又稱“磕頭機(jī)”，這種設(shè)備以其安裝方便，調(diào)試簡單，使用可靠、應(yīng)用靈活而被大多數(shù)的采油廠使用，如圖1為野外使用的抽油機(jī)。
圖1游梁式磕頭機(jī)
這種設(shè)備是采用杠桿的原理，由電動機(jī)帶動減速器周期性的旋轉(zhuǎn)，并拖動曲桿作往復(fù)運動，從而使驢頭及對應(yīng)的平衡裝置作上下運動，將地下的油帶出地面，進(jìn)入輸油系統(tǒng)。
該設(shè)備由于都安裝于地面，安裝、調(diào)試都比較方便，應(yīng)用也比較廣泛。但是在地質(zhì)情況比較復(fù)雜的場合，如油質(zhì)稠、含沙、結(jié)蠟較多，有時抽起來比較困難。
2工頻控制的缺點
原來用工頻直接起動，起動力矩大，對機(jī)械的沖擊大，很容易出現(xiàn)斷桿、卡井、減速機(jī)齒輪損壞、燒毀電機(jī)等較嚴(yán)重故障，特別是油井的中、后期，井液量供液不足時，需要調(diào)節(jié)沖次，更換皮帶輪或減速箱，較繁瑣，危險性大，工作量大，也帶來了一定的困難。
由于油井都比較深，大約都在1千米以上，油井啟動時力矩比較大，所需要的轉(zhuǎn)矩大約是正常工作的一倍以上，因此在設(shè)計時采用的動力裝置---電動機(jī)往往功率較大，而在正常抽油時，負(fù)載變輕，所需的力矩又比較小，因此存在著嚴(yán)重的“大馬拉小車”現(xiàn)象。
又由于在驢頭下放時，負(fù)載變輕，電機(jī)基本處于自由下放狀態(tài)，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)及電機(jī)的效率，增加了無功損耗，使整個系統(tǒng)效率低下，耗能嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重的能源浪費現(xiàn)象。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展起來的變頻調(diào)速裝置，由原來的用于風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能控制變頻器，現(xiàn)也逐步應(yīng)用到抽油設(shè)備上，收到了良好的效果。而且改造方便，使用原有電機(jī)即可，可實現(xiàn)調(diào)沖次、軟起停、節(jié)能的效果，這是其他任何方法都做不到的。
3 新風(fēng)光電子1140V抽油機(jī)變頻器
3.1 新風(fēng)光1140V抽油機(jī)變頻器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
新風(fēng)光1140V抽油機(jī)變頻器如圖2所示。由于現(xiàn)場工作電壓比較高，為中壓1140V，采用普通的變頻器顯然不合適，而采用高壓模塊，代價又較高，且對于高壓電機(jī)而言，良好的波形，對其絕緣及耐壓都是必須的，普通的兩電平電路顯然不能適應(yīng)這一要求。
圖2新風(fēng)光電子抽油機(jī)變頻柜
為了適應(yīng)電壓等級及負(fù)載的要求，抽油機(jī)變頻器主回路采用了三電平電路或稱中點箝位電路，如圖3所示。
圖3 抽油機(jī)變頻器主電路圖
其中主電路每相接有兩只IGBT，串聯(lián)承擔(dān)全部的電壓，三相交流電壓經(jīng)全波整流后變成直流電壓，由單片機(jī)控制兩只IGBT（1700V）的導(dǎo)通與截止，形成SPWM的交變輸出。為抑制IGBT交變過程中的電壓突變，采用了中點箝位電路，有兩只快恢復(fù)二極管串聯(lián)組成箝位二極管，其中心點與濾波電容的中心點相連接，組成本電路的中心點（三電平的中心電平）。其輸出波形如圖4所示。
圖4 三電平波形圖
從圖4中可看出，相電壓為三電平，線電壓為五電平，因此它不但能輸出較高的電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt），良好的波形正是本電路的特色。
3.2新風(fēng)光電子1140V抽油機(jī)變頻柜的技術(shù)指標(biāo)
| 項目 | 標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo) | |
| 輸入 | 額定電源電壓 | 3相1140V、50-60Hz±5%，電壓失衡率<3% |
| 輸出 | 額定電壓 | 最大輸出電壓同輸入電源電壓相同 |
| 額定電流 | 100%額定電流連續(xù) | |
| 過載能力 | 150%額定電流1min，180%額定電流2s | |
| 輸出頻率 | 0Hz～600Hz，可設(shè)定 | |
| 主要 控制 功能 | 控制方式 | VVVF（優(yōu)化PWM及標(biāo)準(zhǔn)PWM，可設(shè)定）、矢量控制 |
| 輸入方式 | 頻率輸入 | |
| 頻率分辨率 | 數(shù)字設(shè)定：0.01Hz | |
| 啟動頻率 | 0Hz～10Hz | |
| 轉(zhuǎn)矩提升 | 轉(zhuǎn)矩提升0.0%～20.0% | |
| V/FFFFF曲線 | 五種方式：恒轉(zhuǎn)矩V/F曲線、1種用戶定義多段V/F曲線方式和3種降轉(zhuǎn)矩特性曲線方式(2.0次冪、1.7次冪和1.3次冪) | |
| 加減速曲線 | 兩種方式：直線加減速、S曲線加減速； 兩種加減速時間，時間最長3000s | |
| 直流制動 | 停機(jī)直流制動起始頻率：0～15.00Hz 制動時間：0～60.0s 制動電流：0～150% | |
| 多段速運行 | 通過內(nèi)置PLC或控制端子實現(xiàn)多段速運行 | |
| 自動電壓調(diào)整(AVR) | 當(dāng)電網(wǎng)電壓變化10%時，維持輸出電壓恒定不變 | |
| 自動節(jié)能運行 | 根據(jù)負(fù)載情況，自動優(yōu)化V/F曲線，實現(xiàn)節(jié)能運行 | |
| 通訊功能 | 具有RS485標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，支持MODBUS通訊協(xié)議 | |
| 運行命令通道 | LED鍵盤、控制端子、串行口（RS485） | |
| 頻率設(shè)定通道 | LED鍵盤模擬電位器、LED鍵盤▲、▼鍵、功能碼數(shù)字給定、串行口、端子UP/DOWN、模擬電壓、模擬電流、組合給定 | |
| 輸入 功能 | 數(shù)字輸入通道 | 2路開停機(jī)控制端子、6路可編程數(shù)字量輸入 |
| 模擬輸入通道 | 2路模擬量信號輸入：2路0～10V/0～20mA可切換 | |
| 輸出 功能 | 數(shù)字輸出通道 | 2路開路集電極輸出、2路繼電器輸出 |
| 模擬輸出通道 | 2路模擬信號輸出：2路0～10V/4～20mA可切換 | |
| 操作 面板 | LED數(shù)碼顯示/HMI | 可顯示或設(shè)定變頻器相關(guān)參數(shù) |
| 保護(hù)功能 | 提供多保護(hù)功能：短路、過流、過載、欠載、過壓、欠壓、缺相、過熱、外部故障、PID反饋斷線、485斷線等保護(hù)功能 | |
| 選配件 | 觸摸屏、鐵板房 | |
| 環(huán)境 | 海拔高度 | 低于1000m（高于1000m時需降額使用） |
| 環(huán)境溫度 | －10℃～＋40℃ | |
| 濕度 | 小于90%RH，無結(jié)露 | |
| 振動 | 小于5.9m/s2（0.6G） | |
| 存儲溫度 | －20℃～＋60℃ | |
| 結(jié)構(gòu) | 防護(hù)等級 | IP54 |
| 冷卻方式 | 強(qiáng)制風(fēng)冷 | |
（1）柜體采用室外設(shè)計，防風(fēng)、防雨、防沙，可在野外直接使用，而不必再建造房舍，減少用戶投資，方便使用。
（2）柜內(nèi)設(shè)有電壓、電流表指示，用戶可直觀地觀察設(shè)備運行情況，操作方便。
（3）設(shè)有工頻旁路，以便在變頻故障或維修時可暫時投入工頻運行，保證生產(chǎn)的連續(xù)，不耽誤生產(chǎn)。
（4）針對有些油井需要緩抽的情況，還設(shè)計了間抽功能，時間可從一天到七天，方便用戶實現(xiàn)自動緩抽功能。
（5）對泵升電壓，根據(jù)用戶要求，可采用耗能電阻和回饋電網(wǎng)兩種方式進(jìn)行處理，有效的保證了設(shè)備的安全運行，并提高了節(jié)電效果。
（6）采用低頻補(bǔ)償技術(shù)，使變頻器啟動力矩可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，保證啟動正常，不會對設(shè)備造成危害。
4抽油機(jī)變頻改造的難點
抽油機(jī)變頻器改造磕頭機(jī)的難點是：在驢頭下放時存在電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，如處理不好，會向變頻器內(nèi)倒灌形成泵升電壓，使變頻器的母線電壓升高，危及變頻器的安全。
由于抽油機(jī)屬位能性負(fù)載，尤其當(dāng)配重不平衡時，在驢頭下發(fā)過程中，電動機(jī)由于位能，使負(fù)載拖動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，電動機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。過高的泵升電壓有可能損壞功率模塊、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，因此必須采取措施處理這部分再生能量。一般處理再生能量的方法有能量消耗和能量回饋兩種方式。
變頻器能量消耗是指采用耗能電阻將這一部分能量以熱能的形式消耗掉。在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上(如圖5)。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此，又被稱為電阻制動。
圖5 能量消耗型變頻器改造主回路圖
能量回饋型變頻器主回路如圖6所示。當(dāng)有再生能量產(chǎn)生時，變頻器就將再生能量回饋給電網(wǎng)。通過這種方式，它可以將再生能量進(jìn)行充分利用，從而起到既節(jié)約電能又處理再生電能的功效。
圖6 能量回饋型變頻器改造主回路圖
抽油機(jī)變頻器以上兩種處理再生能量的方式，可由用戶根據(jù)情況自我選用，二者各有利弊。采用耗能電阻價格比較便宜，但節(jié)能效果不如回饋單元更好些，而采用回饋單元節(jié)能效果比耗能電阻好些，大約多節(jié)電20%，而價格相應(yīng)地比耗能電阻高。
5應(yīng)用效果
2015年6月4日。新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的37kW/1140V變頻器在勝利油田現(xiàn)河采油廠二礦抽油機(jī)上安裝調(diào)試成功，運行頻率26Hz,母線電壓1770V，輸出電流9A（額定電流23A),抽油機(jī)運行平穩(wěn)。抽油機(jī)變頻器現(xiàn)場運行如圖7所示。
圖7 抽油機(jī)變頻器現(xiàn)場運行圖
采用風(fēng)光牌抽油機(jī)變頻柜對磕頭機(jī)改造后，可體現(xiàn)出明顯的工作效益：
（1）啟動時沖擊電流減小。工頻時啟動電流大約是電機(jī)額定電流的4---7倍，而采用變頻器，則沒有沖擊電流，而且啟動平滑，對機(jī)械設(shè)備也沒有任何沖擊，既節(jié)約了電能，也保護(hù)了電網(wǎng)、電機(jī)及機(jī)械設(shè)備免收沖擊，效益是十分明顯的。
（2）沖次調(diào)節(jié)方便。工頻運行下調(diào)節(jié)沖次需停產(chǎn)后更換皮帶輪，費時、費力，耽誤生產(chǎn)。而采用變頻器后可以不停產(chǎn)，直接調(diào)節(jié)變頻器的頻率，根據(jù)油井液量增大或減小變頻器的頻率，即可平滑調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)沖次的調(diào)節(jié)，非常方便，節(jié)省了人工及機(jī)械費用。
（3）采用變頻器后提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，一般達(dá)到0.98以上，使電網(wǎng)的負(fù)荷利用率提高，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)。
（4）節(jié)電明顯。采用變頻器后，節(jié)能效果明顯。當(dāng)然由于油井供液情況不同，在前期、中期、后期可能有所不同，不同的油井可能也不同，前期可以提高轉(zhuǎn)速，使產(chǎn)液量提高，相應(yīng)的生產(chǎn)效益提高。而中后期可降低轉(zhuǎn)速，甚至于在后期由于供液不足，可采用緩抽的方式，保證油井的正常工作。據(jù)綜合測試，節(jié)電率大約在15%---20%左右，效果是十分明顯的。
總之，采用變頻控制，對于設(shè)備的軟啟動，調(diào)節(jié)沖次，節(jié)能等各方面是很有成效的，是今后游梁式抽油機(jī)控制的較理想的選擇，值得大力推廣。
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