應(yīng)用案例 | 變頻器在直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)的應(yīng)用

一、引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有機(jī)械采油井150多萬(wàn)口，其中傳統(tǒng)四連桿游梁式抽油機(jī)占90％左右，成為機(jī)械采油的主導(dǎo)機(jī)型。目前油井上普遍使用的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的游梁式抽油機(jī)，仍存在系統(tǒng)冗余、電機(jī)效率不高、功率因數(shù)低等缺陷。因此，為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，對(duì)節(jié)能減排要求越來(lái)越高，尋找更環(huán)保、更節(jié)能的驅(qū)動(dòng)裝置成為了重中之重。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的制造向著專業(yè)化、自動(dòng)化方向發(fā)展，目前，抽油機(jī)拖動(dòng)裝置采用直驅(qū)永磁同步電機(jī)，該電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)異步電機(jī)有很大區(qū)別，可以通過(guò)聯(lián)軸器與抽油機(jī)減速箱輸入軸直接連接，省去中間皮帶傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高傳動(dòng)效率。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。

二、應(yīng)用環(huán)境分析

1、游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)有異步電機(jī)、皮帶、齒輪箱三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。工作方式是：通過(guò)曲柄連桿將機(jī)械減速齒輪箱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌橛蜅U的反復(fù)地上下提升運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力來(lái)自于電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的平衡塊，當(dāng)平衡塊提升時(shí)，將采油機(jī)桿送入井中，平衡塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口。

2、游梁式抽油機(jī)異步電機(jī)負(fù)載分析

(1)、游梁式抽油機(jī)負(fù)載受井下載荷影響變化劇烈且頻繁，一個(gè)沖次內(nèi)負(fù)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(jī)效率大幅下降。工作時(shí)電動(dòng)機(jī)的利用率一般在20%-30%之間，最高不會(huì)超過(guò)60%，皮帶傳遞效率95%。電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，造成了電動(dòng)機(jī)資源的浪費(fèi)。

(2)、游梁式抽油機(jī)為了克服大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用的電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需功率，屬于大馬護(hù)小車性質(zhì)。

(3)、抽油機(jī)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(yùn)行，勢(shì)必也會(huì)造成電能的浪費(fèi)。

(4)、由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過(guò)程中，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負(fù)載吸引，導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)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(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)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(huì)損壞電機(jī)，縮短電機(jī)壽命、維護(hù)量加大。

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

3、游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)主要特點(diǎn)

 采用高效稀土永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī),取消抽油機(jī)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng), 直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的輸入軸，以解決傳動(dòng)效率很低以及拖動(dòng)裝置自身耗能高導(dǎo)致不節(jié)能的問(wèn)題。

(1)、低速大扭矩

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

(2)、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

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

(3)、永磁直驅(qū)電機(jī)直的應(yīng)用，可以很大程度地降低抽油機(jī)井能耗。與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，永磁直驅(qū)電機(jī)抽油機(jī)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(guò)變頻柜控制，降低了整機(jī)的故障率和維護(hù)成本，并可以提高運(yùn)行時(shí)率。

從數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用永磁同步電機(jī)不僅大幅降低了有功耗電量，而且解決了原有抽油機(jī)功率因數(shù)低、無(wú)功功率過(guò)大的缺點(diǎn)，有助于提高電網(wǎng)的運(yùn)行品質(zhì)。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(lái)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(jī)控制方案

1、變頻器選擇

永磁同步電機(jī)帶動(dòng)的游梁式抽油機(jī)需要超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，要實(shí)現(xiàn)迅速的啟停控制，對(duì)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(jī)專用變頻器是一款用來(lái)控制永磁同步電機(jī)的變頻器，能很好滿足其性能要求。該變頻器在同步電機(jī)控制下具有以下技術(shù)特點(diǎn):

  轉(zhuǎn)矩：無(wú)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(wú)PG矢量控制 1：20

  制精度：無(wú)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(guò)壓抑制功能，針對(duì)油田直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)上下沖程產(chǎn)生能量，進(jìn)行過(guò)壓抑制處理，不加剎車單元或能量回饋。

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-045G-T4。

3、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系列永磁同步電機(jī)專用變頻器是根據(jù)抽油機(jī)的工作特性，專門開發(fā)出來(lái)的專用變頻器，在使用時(shí)，無(wú)需做過(guò)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(guò)程也變得比較輕松。

通過(guò)油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的抽油機(jī)，表明游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制方案運(yùn)行良好，抽油機(jī)工作在最佳的狀態(tài)。游梁式直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：

?  （1）直驅(qū)永磁同步抽油機(jī)控制解決方案，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油井負(fù)荷大小使抽油機(jī)達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)，根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機(jī)工作在合理的沖次，并根據(jù)油井工況對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)；從而最大限度的使抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機(jī)的工作能力，實(shí)現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采；

?  （2）KE300F系列永磁同步電機(jī)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(jiǎn)便；

?  （3）模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的維護(hù)更加簡(jiǎn)單；

?  （4）KE300F系列永磁同步電機(jī)專用變頻器具有短路、過(guò)載、過(guò)壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，能有效保證系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行；

?  （5）可以通過(guò)站控平臺(tái)有效實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)調(diào)整及管理要求，實(shí)現(xiàn)真正意義上的井場(chǎng)無(wú)人值守。

四、客戶評(píng)價(jià)

通過(guò)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，KE300F系列永磁同步電機(jī)專用變頻器與永磁同步電機(jī)一起構(gòu)成抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，很好的滿足了抽油機(jī)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(dòng)系統(tǒng)引發(fā)的負(fù)面問(wèn)題。無(wú)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?guó)外同類產(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。