摘 要：本文論述了風(fēng)光牌1140V變頻器在油田游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用，說(shuō)明了油田抽油機(jī)應(yīng)用變頻器的難點(diǎn)，展示了其應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī) 變頻器 三電平 應(yīng)用

1游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)

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(gè)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器周期性的旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)曲桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使驢頭及對(duì)應(yīng)的平衡裝置作上下運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)合，如油質(zhì)稠、含沙、結(jié)蠟較多，有時(shí)抽起來(lái)比較困難。

2工頻控制的缺點(diǎn)

原來(lái)用工頻直接起動(dòng)，起動(dòng)力矩大，對(duì)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(shí)，需要調(diào)節(jié)沖次，更換皮帶輪或減速箱，較繁瑣，危險(xiǎn)性大，工作量大，也帶來(lái)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(dòng)時(shí)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(jì)時(shí)采用的動(dòng)力裝置---電動(dòng)機(jī)往往功率較大，而在正常抽油時(shí)，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(shí)，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(wú)功損耗，使整個(gè)系統(tǒng)效率低下，耗能嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速裝置，由原來(lái)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(shí)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(chǎng)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(jià)又較高，且對(duì)于高壓電機(jī)而言，良好的波形，對(duì)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(jí)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(diǎn)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(guò)程中的電壓突變，采用了中點(diǎn)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(diǎn)與濾波電容的中心點(diǎn)相連接，組成本電路的中心點(diǎn)（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)

（1）柜體采用室外設(shè)計(jì)，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(yùn)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(shí)可暫時(shí)投入工頻運(yùn)行，保證生產(chǎn)的連續(xù)，不耽誤生產(chǎn)。

（4）針對(duì)有些油井需要緩抽的情況，還設(shè)計(jì)了間抽功能，時(shí)間可從一天到七天，方便用戶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緩抽功能。

（5）對(duì)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(yùn)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(dòng)力矩可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，保證啟動(dòng)正常，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成危害。

4抽油機(jī)變頻改造的難點(diǎn)

抽油機(jī)變頻器改造磕頭機(jī)的難點(diǎn)是：在驢頭下放時(shí)存在電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，如處理不好，會(huì)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(shí)，在驢頭下發(fā)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)由于位能，使負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，電動(dòng)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(guò)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(guò)專門的能耗制動(dòng)電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此，又被稱為電阻制動(dòng)。

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(shí)，變頻器就將再生能量回饋給電網(wǎng)。通過(guò)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(jià)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(jià)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(yùn)行頻率26Hz,母線電壓1770V，輸出電流9A（額定電流23A),抽油機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。抽油機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖7所示。

圖7 抽油機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

采用風(fēng)光牌抽油機(jī)變頻柜對(duì)磕頭機(jī)改造后，可體現(xiàn)出明顯的工作效益：

（1）啟動(dòng)時(shí)沖擊電流減小。工頻時(shí)啟動(dòng)電流大約是電機(jī)額定電流的4---7倍，而采用變頻器，則沒(méi)有沖擊電流，而且啟動(dòng)平滑，對(duì)機(jī)械設(shè)備也沒(méi)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(yùn)行下調(diào)節(jié)沖次需停產(chǎn)后更換皮帶輪，費(fèi)時(shí)、費(fèi)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(shí)現(xiàn)沖次的調(diào)節(jié)，非常方便，節(jié)省了人工及機(jī)械費(fèi)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(cè)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(duì)于設(shè)備的軟啟動(dòng)，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。

參考文獻(xiàn)

[1]新風(fēng)光電子使用手冊(cè)[Z] 新風(fēng)光電子科技股份有限公司

作者簡(jiǎn)介

張彬，男，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，高級(jí)工程師，供職于勝利油田新海興達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司。