變頻器在抽油機上應用的若干問題探討

摘要：就變頻器在抽油機上應用中出現的幾個問題進行了分析探討，揭示出一些深層次的問題，并提出了相應的節能解決方案。同時介紹了IMOC?2000系列智能抽油機節能增產控制裝置。

關鍵詞：抽油機；變頻器；直流母線；制動單元；有源逆變；能量回饋

1??? 前言

??? 我國的油田絕大部分為低能、低產油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油田要靠注水來壓油入井，靠抽油機（磕頭機）把油從地層中提升上來。以水換油、以電換油是目前我國油田的現實，電費在我國的石油開采成本中占了相當大的比例，所以，石油行業十分重視節約電能。

??? 目前我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500MW，年耗電逾百億kW·h。抽油機的運行效率特別低，在我國平均運行效率為25.96％，國外平均水平為30.05％，年節能潛力可達幾十億kW·h。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的80％，可見，石油行業也是推廣“電機系統節能”的重點行業。

??? 抽油機節能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：

??? 1）大大提高了功率因數（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），大大減小了供電（視在）電流，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的“增容”開支;

??? 2）可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量;

??? 3）由于實現了真正的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率。

??? 但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。

2??? 沖擊電流問題

??? 如圖1所示，游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構特點像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。對于支架來說，如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作。也就是說抽油機的節能技術取決于平衡的好壞。在平衡率為100％時電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，則需要電動機提供的動力越大。因為，抽油載荷是每時每刻都在變化的，而平衡配重不可能和抽油載荷作完全一致的變化，才使得游梁式抽油機的節能技術變得十分復雜。因此，可以說游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術。

圖1??? 常規曲柄平衡抽油機

1—底座；2—支架；3—懸繩器；4—驢頭；5—游梁；

6—橫梁軸承座；7—橫梁；8—連桿；9—曲柄銷裝置；

10—曲柄裝置；11—減速器；12—剎車保險裝置；

13—剎車裝置；14—電動機；15—配電箱。

??? 對某油田18口井的調查顯示，只有1～2口井的配重平衡較好，絕大部分抽油機的配重嚴重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，從而造成過大的沖擊電流，沖擊電流與工作電流之比最大可超過5倍，甚至超過額定電流的3倍。不僅無謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時也給采用變頻器調速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護動作而不能正常工作。

??? 通過對抽油機曲柄配重塊的調整，都可以使沖擊電流降到電機額定電流之內，沖擊電流與正常工作電流之比在1.5倍以內。這樣，選用與電機額定功率同容量的變頻器，甚至略小于電機額定功率的變頻器（要視抽油機電動機的負載率而定）都可以長期穩定運行。

??? 由于抽油機的起動扭矩往往很大，慣性也很大，所以要將變頻器的加減速時間設置得足夠長，一般為30～50s，才不致在起動時引起過載保護動作。

3??? 再生能量的處理問題

??? 由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程周期中，會出現電動機處于再生制動工作狀態（發電狀態），電動機由于位能或慣性，其轉速會超過同步轉速，再生能量通過與變頻器逆變橋開關器件（IGBT）并聯的續流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于交－直－交變頻器的直流母線采用普通二級管整流橋供電，不能向電網回饋電能，所以反饋到直流母線的再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，稱作“泵升電壓”。直流母線電壓過高時將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器件的安全，所以變頻器都設置了“OUD”保護——直流母線電壓高保護停機功能。

??? 1）一種辦法是增大變頻器直流母線上濾波電容器的容量，將再生能量儲存起來，等電動狀態時再釋放給電動機作功。這種方法對節能有利，但是電容器的儲能作用是有限的。譬如，某抽油機電動機的平均功率以10kW計算，回饋功率以25％計算為2.5kW，在一個沖程周期中發電狀態為2～3s的話，則回饋能量E_d=6000J。若采用15kW的變頻器，其直流母線濾波電容的容量為2200μF，正常工作時直流母線電壓（U_s）小于600V，“OUD”保護電壓（U_sm）為800V，那么E_s=CU_sm²－CU_s²=×2200×10^－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回饋能量來小得多了。即使再增加10000μF的濾波電容，也只能儲能1400J，因此在大容量或者負載慣量大的系統中，不可能只靠濾波電容器來限制泵升電壓。

??? 2）第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器Rp和開關管SB組成的泵升電壓限制電路，如圖2所示。

圖2??? 泵升電壓限制電路

??? 也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。當然也可以采用現成的變頻器選件——制動單元和制動電阻來實現，其原理與圖2是一樣的，只是投資更大，耗能也更大而已。

??? 3）對于地處北方寒冷地區的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結臘，對井口回油管進行電加熱，如中頻電加熱裝置，這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

??? 4）對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統方案,即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯結在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其它變頻器的動力。這樣即節約了能量，又防止了泵升電壓的產生。如圖3所示。

圖3??? 采用公用直流母線的多逆變器系統主電路

??? 5）對于更大功率的系統，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網，當然這樣一來，系統就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種，它們又各有其特點和要求。

??? （1）晶閘管有源逆變器??? 如圖4所示，三相橋式可控整流電路用于有源逆變時，就成為三相橋式有源逆變電路，只是電路內電能的流向與整流時相反，直流母線輸出電功率，電網則吸收電功率。為了防止過電流，應滿足U_d≈U_m的條件，U_d取決于電動機的回饋能量的大小，而U_m則可通過超前角β(β=π－α）來進行調節，由于逆變時U_m為負值，故β的調節范圍應為π/2～0。考慮電感性負載及變壓器漏抗的影響，最小逆變角β_min≥π/6。

圖4??? 采用晶閘管有源逆變器的再生能量回饋系統主電路

??? 從上述的分析可見，逆變的條件有二：其一要有直流電壓存在，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值則應稍大于變流器直流側的平均電壓U_m；其二要求晶閘管的觸發角α>π/2，使U_m為負值，兩者必須同時具備才能實現有源逆變。晶閘管有源逆變器的關鍵是交直流側的電壓匹配，否則也無法實現有源逆變。由于

??? U_m=－2.34U₂cosβ（或=－1.35U_2lcosβ）（1）

??? 若逆變器交流側直接接到380V交流電源，且取最小超前角β_min=π/6，則U_mmax=480V左右，而變頻器直流母線電壓在正常工作時為540V左右，U_d>U_m，會形成能量在變頻器整流器—逆變器—電網之間無謂循環，且會使直流母線電壓降低，減小了變頻器的輸出功率。而我們要求的是：當回饋能量較小時，能量回饋裝置不工作，讓能量儲存在濾波電容器中，當直流母線電壓達到某一設定值時（如U_d>670V），能量回饋裝置才開始工作，將多余的能量回饋電網。根據式（1）反算過去，逆變變壓器副邊的線電壓應大于540V，相電壓應大于300V，才能實現電壓匹配。

??? （2）IGBT有源逆變器??? 雖然其主電路結構與變頻器中的無源逆變器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。變頻器中的無源逆變器的負載是三相交流電動機，其輸出頻率，電壓，相位都可以由變頻器隨意控制；而IGBT有源逆變器的輸出接的是交流電網，是有源負載，其輸出頻率，相位和電壓都必須與電網一致，否則會造成短路而燒毀逆變器。所以在IGBT有源逆變器的控制中增加了鑒頻，鑒相器和鎖相環控制。電壓則由PWM控制，比晶閘管有源逆變器容易實現。另外在輸出端接有交流電抗器，用來抑制過電流。

??? 6）采用可四象限運行的變頻器，如圖5所示，其控制就更復雜，投資也更高了。

圖5??? 可四象限運行變頻器主電路

4??? 電磁兼容性問題

??? 這里主要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問題。因為變頻器是一個很強的電磁干擾源，變頻器中的開關器件，以及產生的SPWM電壓波形，會對控制及通信系統造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應，輻射之外，也包括傳導干擾，即通過連接導線傳導的干擾。在控制系統中，變頻器只是一個執行機構，它的運行頻率（速度）指令要由控制器通過對油井產油量等信號的控制運算后向變頻器發出，變頻器設置成根據外部信號運行的工作方式。變頻器就通過這根信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因為是傳導性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號線上的共模及差模干擾入手，如圖6所示，才能真正解決干擾問題。

圖6??? 信號線抗干擾措施

5??? 可靠性和環境適應性問題

??? 由于抽油機都在環境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對變頻器的可靠性和環境適應能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標高的變頻器品牌，又要給變頻器在野外惡劣環境下工作創造必要的條件，如設計防護等級高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，柜內設計強迫風冷系統，可以將柜內的熱量排出，并在柜底設計有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環境中使用。如有條件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

6??? IMOC-2000系列抽油機智能高效節能增產控制裝置

??? IMOC-2000系列抽油機智能高效節能增產控制裝置,是由南京電力自動化設備總廠電氣設備廠與國家電力公司熱工研究院的科技人員相結合，在對國內油井進行了廣泛而深入的調查研究的基礎上，考慮到國內外同類產品的功能缺點和不足，根據不同油井的具體情況研究設計制造的，專門用于抽油機節能增產控制的高科技產品。本裝置通過流量，壓力，溫度的測量，可精確感知井下油層厚度，通過上、下死點位置的測量，更提高了控制的精確性。該產品融合微電腦智能控制技術，先進的變頻調速技術和電動機綜合節能控制技術，使抽油由傳統的粗獷式低效率抽取改變為智能化高效率抽取，其結果是有效地避免了泵空的發生，大幅度減少了無效行程，節電率可達到30％～50％，原油增產20％～30％。控制裝置中還裝有遙控模塊，可以隨時接收上位機的指令信號，也可隨時將油井的流量，壓力，溫度和電動機溫度等參數以及抽油機狀態等信息傳送給上位控制計算機，實現全油田遙控操作管理，大大提高石油生產的自動化程度。IMOC-2000系列抽油機智能高效節能增產控制裝置的研制成功，代表著當今抽油機節能控制技術的一項革命性突破。

??? 抽油機智能高效節能增產控制器是通過采用多種不同的方法，盡量使抽油機的工作方式與油井的實際負荷及環境條件相匹配，提高抽油機的充滿度，從而提高電動機的效率與功率因數，達到節能增產的目的。根據油井的不同情況，共有3種型號的產品，下面分別加以介紹。

??? 1）A型——間歇工作Y/△轉換控制節能型??? 對于開采時間已久的老油井和貧油井，如果抽油機連續不斷地工作，就會出現產油量小，甚至空抽的現象，白白浪費電能。面對這一問題，傳統的方法是使用定時器令抽油機間歇性地工作，但是，這種方法不僅無法解決令抽油機工作能力動態地響應油井負荷變化的問題，而且也是以損失油井的產量為代價的。

??? 抽油機智能節電控制器采用微電腦技術，通過檢測油井出液量精確感知油井負荷，當油井出液量小于經濟流量時，則停止抽取。自適應模糊控制算法科學地確定開停機時間，保證開機時最大的抽油機效率，避免了半滿抽或空抽的現象發生，大量地節省了電能。如果控制適當，還能在一定程度上提高采油量。但是大多數油井是不允許間歇性地工作的，否則，輕則影響采油量，重則會使油井無法再開啟。這是因為

??? （1）含臘量高或含鹽量高以及油的粘稠度高，且處在高寒地帶的油井，如果間歇工作，會造成井口結臘、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟。

??? （2）對于注水油井，如果停止抽取，勢必影響產油量，這將是得不償失的事。對于這類油井，就要采用其他的節能方法。為了解決抽油機的低效抽取問題，可以采用降低抽油機電動機勵磁電壓的方法來提高電動機的功率因數和效率，達到節能的目的。IMOC-2000控制器采用Y/△轉換方法節電：當控制器檢測到抽油機電動機的負載率<33％時，通過接觸器，將原來三角形接法的電動機繞組改為星形接法，電動機繞組的電壓由380V降為220V，從而大大提高了功率因數和效率，達到節電的目的；當控制器檢測到電動機的負載率>40％時，則又將星形接法改為三角形接法運行，以保證抽油機的出力，也防止電流過大而燒毀電動機。

??? 2）B型——電力電子器件動態調壓節能型??? 電動機輕載降壓節電的另一種方法是利用晶閘管的移相調壓功能，動態地調整電動機的端電壓，使抽油機的工作能力與實際負荷相匹配，并可根據上下行程的負荷變化，及時地調整電壓，最大限度地達到節能降耗的目的。

??? Y/△轉換控制設備簡單，投資省，但節電效果稍差，且無法實現根據上下行程負載變化節電。電子型自動調壓節電效果好，但投資較大。IMOC?2000控制器還采用了無功就地補償的方法，在A型和B型控制柜中都裝有補償電容器組，其容量可以根據抽油機電機的功率進行調整，達到較好的補償效果，可大大降低無功損耗及線損，同時也可減小變壓器容量，節省增容費用。

??? 3）C型——變頻調速節能型??? 利用現代變頻調速新技術，通過動態調節抽油機的沖程頻次和上下行程的速度，達到既節電又增產的目的。

??? （1）動態調節抽油機的沖程頻次節電??? 抽油機的沖程頻次都是可以通過機械的方法調整的。但是，一旦調整好了以后，是不大可能經常進行改變的，并且通過皮帶輪直徑調整頻次的方法也是有級的，不能動態適應油井負荷的需要。只有通過動態調整抽油機電機的轉速，才能調整泵的充滿度，提高抽取效率，增加原油產量，收到一舉兩得的效果。

??? 隨著油井由淺入深的抽取，井下油量的減少，若還以原來調整的頻次抽取時，必然會出現泵的充滿度不足，泵效下降的情況。這時若通過采用變頻調速技術降低電機轉速減少抽取頻次，不僅減小了電機功率，實現了節能目的，而且提高了泵的充滿度，保證每一次抽都滿抽，大大提高了泵效，增加了原油產量。

??? （2）動態調節抽油機上下行程的速度實現節能增產的目的??? 由于采用微電腦控制和變頻調速技術，除了可以動態改變抽油機的沖程頻次之外，還可以根據實際需要分別地調整每一沖程上下行程的速度，使抽油機工作在最佳運行狀態。在每一沖程中，適當降低下行程的速度，可以提高原油在泵內的充滿度，而適當提高上行程的速度，則可減少在提升中油的漏失系數，有效地提高單位時間內的原油產量。同時通過動態調速也可大大節省電能的消耗。

??? IMOC-2000系列抽油機智能型高效節能增產控制裝置遵照安全，可靠，經濟合理和現場適用的原則進行設計，考慮到油田野外環境惡劣，冬夏溫差大，風沙、塵暴多的特點，設計了雙層密封隔熱（保溫）控制柜，且具有防盜功能，外殼防護等級為IP44。柜內設計有強迫風冷系統，可以將柜內熱量排出，而外面的熱量卻無法進入，適合在沙漠中夏季高溫環境下使用。