應(yīng)用于永磁同步電機的變頻器分析

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)用機械采油方法，是整個油田開發(fā)過程中一個重要步驟。塔架式數(shù)控抽油機，是現(xiàn)代機械制造技術(shù)、控制技術(shù)、功率電子技術(shù)與機電一體化技術(shù)集成創(chuàng)新的完美結(jié)合它采取控制系統(tǒng)驅(qū)動電機運行，通過組合減速傳動使抽油機的動力源和終端負載作換向運動，拖動抽油桿上下反復(fù)運行。

塔架式數(shù)控抽油機屬于“長沖程、低沖次”機電一體化的抽油機，抽油桿和配重形成了天平式的平衡，相互不斷地交換儲存和釋放勢能的過程，實現(xiàn)了運行時的平衡，使機械效率達到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)抽油機相比節(jié)能效果達到30--70%，解決了常規(guī)抽油機機械效率低、難以實現(xiàn)長沖程和高耗能的難題。

二、應(yīng)用環(huán)境分析

1、塔式抽油機系統(tǒng)組成

塔式抽油機，也叫做往復(fù)式抽油機。塔式抽油機由動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機架及移動裝置、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)，尤其適用于長沖程、低沖次的采油工況使用。

2、塔式抽油機負載分析

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

塔式抽油機核心在于永磁同步電動機。永磁同步電機具有低速啟動力矩大、寬調(diào)速、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點。可以通過匹配KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器實現(xiàn)平滑調(diào)速，在額定電壓下，轉(zhuǎn)速在0-500r/min之間可調(diào)。電動機的勵磁來源于永磁體，使功率因素達0.98以上。

3、塔架式數(shù)控抽油機的主要特點

1、采用牢固耐用的組合減速傳動系統(tǒng)，結(jié)合工業(yè)電腦數(shù)字化控制的永磁同步制動電機技術(shù)，實現(xiàn)了柔性啟動、加速、減速、超低速運行，避免了抽油機在換向啟動時的機械沖擊，做到了抽油機只保養(yǎng)無大修，延長了抽油機的使用壽命。

2、采用簡練機身，最大限度的利用空間位置，突破了常規(guī)抽油機最大沖程和最低沖次的局限，最大沖程可達8米、最低沖次0.5次。擴大了抽油機的使用范圍，擴展了抽油機的使用范圍，特別適合中高含水期大排量、深井、稠油井的重載強抽;延長了抽油桿、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)速和程序自動控制技術(shù)，變傳統(tǒng)機械式抽油為現(xiàn)代智能化采油，運行效率高、能耗少、使用可靠，一舉將傳統(tǒng)的機械采油裝備帶入了電子時代。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）簡便易行，無級分別調(diào)整上下沖程的沖次?？筛鶕?jù)井下工況隨時改變參數(shù)，達到最大泵效及工藝的要求。

4、獨特的配重設(shè)計，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，運行時運動件與人隔離;操作機器與高壓電隔離;調(diào)平衡時配重塊落地調(diào)整安全無憂，具有過載、失載、缺相等多種保護功能并有自動起機、停機、顯示故障原因、歷史故障記錄等保護功能。

6、 牢固耐用使用方便。抽油機裝卸載、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、塔式抽油機控制方案

深圳市邁凱諾推出KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器 + 編碼器閉環(huán)矢量控制與永磁同步電機一起構(gòu)成的塔式抽油機驅(qū)動系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以實現(xiàn)塔式抽油機運行速度更穩(wěn)定，低速出力扭矩好，自動定位往復(fù)運動，上下行程控制更準(zhǔn)確。

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

1、電氣控制原理圖

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-24-045G-T4。塔式抽油機需滿足快速啟停，縮短制動過程，可選用內(nèi)置的制動單元，制動電阻為16?/6KW。

2、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-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器是根據(jù)塔式抽油機的工作特性，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。

采用編碼器做有PG矢量閉環(huán)控制，同時通過編碼器記錄上、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控制沖程和沖次。

3、方案的應(yīng)用優(yōu)勢

? 變頻器集成塔式抽油機專用工藝控制邏輯，內(nèi)置換向及保護邏輯。

? 運行自動搜索原點。

? 支持自動往復(fù)運動及間抽功能。

? 自動檢測皮帶打滑并修正累積偏差。

? 沖程及沖次靈活可調(diào)。

? 靈活手動修井操控模式，支持懸停。

? 簡化安全保護措施，具備斷繩、打滑、卡井等機械故障報警功能。

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-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器+編碼器閉環(huán)矢量控制與永磁同步電機一起構(gòu)成塔式抽油機驅(qū)動系統(tǒng)，很好的滿足了塔式抽油機的工作需求，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)?？珊芎玫奶娲鷩馔?a target="_blank">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-24系列塔式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。

編輯：黃飛