应用变频器提升游梁式抽油机效能

游梁式抽油机以其结构简单、制造容易、维修方便、使用可靠及可以长期在油田全天候运转等优点在油田被广泛应用。但是游梁式抽油机也有其自身的缺点，如惯性载荷大、动载大、平衡困难、上下冲程转矩波动大、效率较低、在长冲程时体积较大、笨重，以及设备投产后更新难度大等。

游梁式抽油机靠抽油杆的上下运动将原油抽汲到地面的管网中，抽油机在上冲程时，提升油柱所需要的功率大，而下冲程时勿需动力可自行下落。为了使负载均匀，一般配有某种平衡机构，如平衡块。不同的油井其负荷曲线不同，主要与井况和平衡有关。

游梁式抽油机的负荷曲线有以下特点：

（1）抽油机的负荷呈周期性波动，波动频率常用冲次表示，常规抽油机的冲次一般是6～12次/min，即波动周期5～10s。

（2）平衡转矩近似为正弦曲线，而油井负荷转矩在每一周期内并不规则，对电动机形成的总负载转矩曲线有时可能出现负转矩。

抽油机往往选用异步电动机来驱动。由于抽油机机械特性的不均衡性，在实际选配电动机时为了起动顺利，必须按最大转矩选配，而且要留有余量，因此有大马拉小车的现象；另外考虑到油井工况异常，如砂卡、结蜡时，不致因为起动困难烧毁电动机的因素；还有，当油井因修井等原因负载变大时，不频繁更换电动机，而人为的又增大了裕量，加剧了大马拉小车这一现象。常规抽油机电动机低负载运转造成电动机效率低，功率因数低。

在过去的十几年中，U/f控制模式变频器在游梁式抽油机上得到了一些应用。但是，当负载出现负转矩时，电动机回馈能量，使变频器中间回路直流电压升高。这个升高直流电压必须被限定在一定范围内，否则将损坏变频器。常用的方法是采用制动电阻消耗回馈的能量，但是，这造成了能量的浪费。随着技术的飞速发展，第三代空间矢量控制变频器的出现，为我们提供了一个完美的解决方案。

首先我们了解一下抽油机的工作特点。

如图7-54所示，1—底座；2—支架；3—悬绳器；4—驴头；5—游梁；6—横梁轴承座；7—横梁；8—连杆；9—曲柄销装置；10—曲柄装置；11—减速器；12—制动保险装置；13—制动装置；14—电动机；15—配电箱。

图7-54 抽油机地面设备结构图

游梁式抽油机是一种改形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端具有平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的转矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。但是配重转矩是以近似正弦曲线的规律周期性变化的，所以每周期有两个位置，在图7-55中2s和5s附近出现负载转矩小于配重转矩的情况，此时电动机处于发电状态。如果此时能控制变频器使电动机运行不进入发电状态，那么根据能量守恒原理，就可能达到节能的目的。

图7-55 减速机输出轴扭矩图

为了达到设想的运转效果，接下来了解一下电动机发电的原因。通常情况下，交流感应电动机的旋转磁场的转向与转子一致。电动状态时，旋转磁场的转速大于转子转速，但是如果旋转磁场转速小于转子转速，电动机将处于制动状态，被称为回馈制动，电动机处于发电状态。当异步电动机拖动位能负载下放重物时，就是这种工作状态。通过了解电动机工作原理，可以知道，如果转子速度小于等于旋转磁场的速度，那么电动机就不会发电。因此只要通过变频器控制电动机的旋转磁场在任何时刻都大于或者等于转子转速就解决了游梁式抽油机的电动机发电问题。第三代空间矢量控制变频器提供了速度与转矩解耦控制能力。在游梁式抽油机的运行中以提高旋转磁场转速的措施，消除转子速度超过旋转磁场的过程，这样便可以消除电动机发电现象。

以上控制保证了节能运行，此外，高性能变频器在游梁式抽油机上的应用还有以下特点以及优点：

1）柔性驱动：其特点是该驱动系统消除了对游梁式抽油机负载的冲击。

功率因数提高：无需添加任何补偿措施，功率因数可以达到0.7以上。

调速方便：由于选用了变频调速，使速度调整极为方便。取消了调整冲次需要的皮带轮备件以及更换时的不便和停工。当井下油层降低时，降低频率可以节省电能；当井下油量丰富时，提高频率可以增加产油量，提高生产率。(www.xing528.com)

减小设备维护费用：由于游梁式抽油机的柔性运行，所有的传动部件都大幅度减小冲击载荷，极大地延长了设备寿命，减小了维护费用和运行成本。

减小输配电容量：由于起动电流得到很大的降低，功率因数得到明显提高，输配电的容量可以降低。

以上提及的驱动优点以外，第三代空间矢量变频器为游梁式抽油机无传感器的内部闭环自动控制，以及数字化油田提供一个非常可靠和更加直接的技术手段。无传感器闭环控制的优点是不言而喻的。比如根据而且相对较为全面的相关数据可以通过网络，及时准确的向上位机传送。通过第三代空间矢量变频器我们可以采集到电动机的转矩、功率、电流等电动机参数，通过这些参数可以分析出周期，上、下冲程时间，可以计算出产液量等数据。

7.10.2.1 应用实例

图7-56 抽油机变频器驱动控制主回路

原有22kW驱动的游梁式抽油机，采用15kW电动机以及变频器拖动系统的具体实施案例。

某原有抽油机的负载率在15%，功率因数0.338，发电功率0.68kW。经过分析，考虑到修井、作业等非平衡状态的高起动转矩状况，我们相对保守的选用了15kW变频调速拖动装置。采用Invertek Drives Ltd.生产的第三代空间矢量变频器ODP-34150-CN，驱动Y180L-6普通交流感应电动机。如图7-56所示。

7.10.2.2 设备的调试

（1）空间矢量型变频器的应用中与U/f模式变频器在调试上有一点明显的区别，那就是矢量控制变频器需要与被驱动的电动机的特性参数。其中基本参数包括额定电压、额定电流、额定功率、额定转速等，这些可以通过电动机铭牌获得。高级参数需要电动机的电感、电阻等，这些可以由变频器的自检过程获得。有了这些电动机的具体参数，空间矢量型变频器才能够对电动机的转矩电流和励磁电流解耦控制。矢量型变频器初始调试需要正确输入铭牌的额定数据，将电动机的额定电压、额定电流、额定频率或额定转速分别输入到参数P1-07、P1-08、P1-09或P1-10中。将电动机铭牌功率因数输入P04-05。如果铭牌没有标出功率因数，英泰变频器可以通过将参数P04-05设置为0而自动测试电动机功率因数。针对电动机参数定子电阻，转子电阻，定转子电感，漏感等参数是需要变频器检测的。所以英泰矢量型变频器设有电动机参数自检测功能码。键参数P04-02设置为1便进行以上参数的检测。电动机可带载荷检测，对于电动机负载状态电动机参数自检测没有任何特殊要求。

（2）变频器与电动机匹配以后，要进行电动机运转方向的调整。

（3）游梁式抽油机的配平状态对运行有极为重要的影响，所以配平过程是必须进行的。配重块的调整原则是在井下液面恢复到静液面位置后，起动抽油机，调整上冲程与下冲程的峰值转矩相同。运行中下冲程转矩是上冲程转矩比在90%～80%为最佳。配重位置是固定的，如果出现抽油杆重，配重轻的现象，需要降低冲次，如果相反则加快冲次。

（4）如果控制设备有定时间抽或自动间抽装置，还要根据每口井的不同数据进行优化调整和设定。

应用效果的简单对比见数据表7-7。

表7-7 改造前后对比数据表格

变频器在抽油机上的应用是大有可为的。未来的发展趋势是高防护等级，具有自动调速及自动停抽功能的变频器电动机一体化机的应用。这种一体化机可以大大降低抽油机的设计余量，选材面加宽。可以在材料、配电等多方面带来巨大的节约。由于抽油机体积重量的相应减小，运输安装费用会大大降低。通过自动调速实现随动平衡，设备初次调试后无需调整平衡块，这会大大减少工人劳动强度。