變頻器在抽油機(jī)上應(yīng)用的若干問(wèn)題探討

5）對(duì)于更大功率的系統(tǒng)，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(wǎng)，當(dāng)然這樣一來(lái)，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺(tái)有源逆變器。按采用的功率開(kāi)關(guān)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(diǎn)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(shí)，就成為三相橋式有源逆變電路，只是電路內(nèi)電能的流向與整流時(shí)相反，直流母線輸出電功率，電網(wǎng)則吸收電功率。為了防止過(guò)電流，應(yīng)滿足U_d≈U_m的條件，U_d取決于電動(dòng)機(jī)的回饋能量的大小，而U_m則可通過(guò)超前角β(β=π－α）來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于逆變時(shí)U_m為負(fù)值，故β的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)為π/2～0?？紤]電感性負(fù)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(tǒng)主電路

從上述的分析可見(jiàn)，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(dǎo)通方向一致，其值則應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓U_m；其二要求晶閘管的觸發(fā)角α>π/2，使U_m為負(fù)值，兩者必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。晶閘管有源逆變器的關(guān)鍵是交直流側(cè)的電壓匹配，否則也無(wú)法實(shí)現(xiàn)有源逆變。由于

U_m=－2.34U₂cosβ（或=－1.35U_2lcosβ）（1）

若逆變器交流側(cè)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(shí)為540V左右，U_d>U_m，會(huì)形成能量在變頻器整流器—逆變器—電網(wǎng)之間無(wú)謂循環(huán)，且會(huì)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(dāng)回饋能量較小時(shí)，能量回饋裝置不工作，讓能量?jī)?chǔ)存在濾波電容器中，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)（如U_d>670V），能量回饋裝置才開(kāi)始工作，將多余的能量回饋電網(wǎng)。根據(jù)式（1）反算過(guò)去，逆變變壓器副邊的線電壓應(yīng)大于540V，相電壓應(yīng)大于300V，才能實(shí)現(xiàn)電壓匹配。

（2）IGBT有源逆變器 雖然其主電路結(jié)構(gòu)與變頻器中的無(wú)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(wú)源逆變器的負(fù)載是三相交流電動(dòng)機(jī)，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(wǎng)，是有源負(fù)載，其輸出頻率，相位和電壓都必須與電網(wǎng)一致，否則會(huì)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(huán)控制。電壓則由PWM控制，比晶閘管有源逆變器容易實(shí)現(xiàn)。另外在輸出端接有交流電抗器，用來(lái)抑制過(guò)電流。

6）采用可四象限運(yùn)行的變頻器，如圖5所示，其控制就更復(fù)雜，投資也更高了。

圖5 可四象限運(yùn)行變頻器主電路

4 電磁兼容性問(wèn)題

這里主要講電磁干擾（EMI）問(wèn)題，即變頻器對(duì)微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設(shè)備的干擾問(wèn)題。因?yàn)樽冾l器是一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源，變頻器中的開(kāi)關(guān)器件，以及產(chǎn)生的SPWM電壓波形，會(huì)對(duì)控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)，輻射之外，也包括傳導(dǎo)干擾，即通過(guò)連接導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾。在控制系統(tǒng)中，變頻器只是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的運(yùn)行頻率（速度）指令要由控制器通過(guò)對(duì)油井產(chǎn)油量等信號(hào)的控制運(yùn)算后向變頻器發(fā)出，變頻器設(shè)置成根據(jù)外部信號(hào)運(yùn)行的工作方式。變頻器就通過(guò)這根信號(hào)線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無(wú)法正常工作。因?yàn)槭莻鲗?dǎo)性干擾，采用屏蔽線是不解決問(wèn)題的，要從信號(hào)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(wèn)題。

圖6 信號(hào)線抗干擾措施

5 可靠性和環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題

由于抽油機(jī)都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無(wú)人值守的，所以，對(duì)變頻器的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標(biāo)高的變頻器品牌，又要給變頻器在野外惡劣環(huán)境下工作創(chuàng)造必要的條件，如設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，柜內(nèi)設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)的熱量排出，并在柜底設(shè)計(jì)有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環(huán)境中使用。如有條件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免陽(yáng)光直接照射及雨淋。

6 IMOC-2000系列抽油機(jī)智能高效節(jié)能增產(chǎn)控制裝置

IMOC-2000系列抽油機(jī)智能高效節(jié)能增產(chǎn)控制裝置,是由南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠電氣設(shè)備廠與國(guó)家電力公司熱工研究院的科技人員相結(jié)合，在對(duì)國(guó)內(nèi)油井進(jìn)行了廣泛而深入的調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，考慮到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的功能缺點(diǎn)和不足，根據(jù)不同油井的具體情況研究設(shè)計(jì)制造的，專門用于抽油機(jī)節(jié)能增產(chǎn)控制的高科技產(chǎn)品。本裝置通過(guò)流量，壓力，溫度的測(cè)量，可精確感知井下油層厚度，通過(guò)上、下死點(diǎn)位置的測(cè)量，更提高了控制的精確性。該產(chǎn)品融合微電腦智能控制技術(shù)，先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)和電動(dòng)機(jī)綜合節(jié)能控制技術(shù)，使抽油由傳統(tǒng)的粗獷式低效率抽取改變?yōu)橹悄芑咝食槿?，其結(jié)果是有效地避免了泵空的發(fā)生，大幅度減少了無(wú)效行程，節(jié)電率可達(dá)到30％～50％，原油增產(chǎn)20％～30％?？刂蒲b置中還裝有遙控模塊，可以隨時(shí)接收上位機(jī)的指令信號(hào)，也可隨時(shí)將油井的流量，壓力，溫度和電動(dòng)機(jī)溫度等參數(shù)以及抽油機(jī)狀態(tài)等信息傳送給上位控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)全油田遙控操作管理，大大提高石油生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。IMOC-2000系列抽油機(jī)智能高效節(jié)能增產(chǎn)控制裝置的研制成功，代表著當(dāng)今抽油機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的一項(xiàng)革命性突破。

抽油機(jī)智能高效節(jié)能增產(chǎn)控制器是通過(guò)采用多種不同的方法，盡量使抽油機(jī)的工作方式與油井的實(shí)際負(fù)荷及環(huán)境條件相匹配，提高抽油機(jī)的充滿度，從而提高電動(dòng)機(jī)的效率與功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。根據(jù)油井的不同情況，共有3種型號(hào)的產(chǎn)品，下面分別加以介紹。

1）A型——間歇工作Y/△轉(zhuǎn)換控制節(jié)能型 對(duì)于開(kāi)采時(shí)間已久的老油井和貧油井，如果抽油機(jī)連續(xù)不斷地工作，就會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)油量小，甚至空抽的現(xiàn)象，白白浪費(fèi)電能。面對(duì)這一問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法是使用定時(shí)器令抽油機(jī)間歇性地工作，但是，這種方法不僅無(wú)法解決令抽油機(jī)工作能力動(dòng)態(tài)地響應(yīng)油井負(fù)荷變化的問(wèn)題，而且也是以損失油井的產(chǎn)量為代價(jià)的。

抽油機(jī)智能節(jié)電控制器采用微電腦技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)油井出液量精確感知油井負(fù)荷，當(dāng)油井出液量小于經(jīng)濟(jì)流量時(shí)，則停止抽取。自適應(yīng)模糊控制算法科學(xué)地確定開(kāi)停機(jī)時(shí)間，保證開(kāi)機(jī)時(shí)最大的抽油機(jī)效率，避免了半滿抽或空抽的現(xiàn)象發(fā)生，大量地節(jié)省了電能。如果控制適當(dāng)，還能在一定程度上提高采油量。但是大多數(shù)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(huì)使油井無(wú)法再開(kāi)啟。這是因?yàn)?

（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(huì)造成井口結(jié)臘、結(jié)鹽或結(jié)油的后果，使油井無(wú)法再開(kāi)啟。

（2）對(duì)于注水油井，如果停止抽取，勢(shì)必影響產(chǎn)油量，這將是得不償失的事。對(duì)于這類油井，就要采用其他的節(jié)能方法。為了解決抽油機(jī)的低效抽取問(wèn)題，可以采用降低抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓的方法來(lái)提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率，達(dá)到節(jié)能的目的。IMOC-2000控制器采用Y/△轉(zhuǎn)換方法節(jié)電：當(dāng)控制器檢測(cè)到抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率33％時(shí)，通過(guò)接觸器，將原來(lái)三角形接法的電動(dòng)機(jī)繞組改為星形接法，電動(dòng)機(jī)繞組的電壓由380V降為220V，從而大大提高了功率因數(shù)和效率，達(dá)到節(jié)電的目的；當(dāng)控制器檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率>40％時(shí)，則又將星形接法改為三角形接法運(yùn)行，以保證抽油機(jī)的出力，也防止電流過(guò)大而燒毀電動(dòng)機(jī)。

2）B型——電力電子器件動(dòng)態(tài)調(diào)壓節(jié)能型 電動(dòng)機(jī)輕載降壓節(jié)電的另一種方法是利用晶閘管的移相調(diào)壓功能，動(dòng)態(tài)地調(diào)整電動(dòng)機(jī)的端電壓，使抽油機(jī)的工作能力與實(shí)際負(fù)荷相匹配，并可根據(jù)上下行程的負(fù)荷變化，及時(shí)地調(diào)整電壓，最大限度地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

Y/△轉(zhuǎn)換控制設(shè)備簡(jiǎn)單，投資省，但節(jié)電效果稍差，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)根據(jù)上下行程負(fù)載變化節(jié)電。電子型自動(dòng)調(diào)壓節(jié)電效果好，但投資較大。IMOC2000控制器還采用了無(wú)功就地補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ贏型和B型控制柜中都裝有補(bǔ)償電容器組，其容量可以根據(jù)抽油機(jī)電機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，可大大降低無(wú)功損耗及線損，同時(shí)也可減小變壓器容量，節(jié)省增容費(fèi)用。

3）C型——變頻調(diào)速節(jié)能型 利用現(xiàn)代變頻調(diào)速新技術(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程頻次和上下行程的速度，達(dá)到既節(jié)電又增產(chǎn)的目的。

（1）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖程頻次節(jié)電 抽油機(jī)的沖程頻次都是可以通過(guò)機(jī)械的方法調(diào)整的。但是，一旦調(diào)整好了以后，是不大可能經(jīng)常進(jìn)行改變的，并且通過(guò)皮帶輪直徑調(diào)整頻次的方法也是有級(jí)的，不能動(dòng)態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷的需要。只有通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整抽油機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，才能調(diào)整泵的充滿度，提高抽取效率，增加原油產(chǎn)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(lái)調(diào)整的頻次抽取時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)泵的充滿度不足，泵效下降的情況。這時(shí)若通過(guò)采用變頻調(diào)速技術(shù)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速減少抽取頻次，不僅減小了電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)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(chǎn)量。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)抽油機(jī)上下行程的速度實(shí)現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)的目的 由于采用微電腦控制和變頻調(diào)速技術(shù)，除了可以動(dòng)態(tài)改變抽油機(jī)的沖程頻次之外，還可以根據(jù)實(shí)際需要分別地調(diào)整每一沖程上下行程的速度，使抽油機(jī)工作在最佳運(yùn)行狀態(tài)。在每一沖程中，適當(dāng)降低下行程的速度，可以提高原油在泵內(nèi)的充滿度，而適當(dāng)提高上行程的速度，則可減少在提升中油的漏失系數(shù)，有效地提高單位時(shí)間內(nèi)的原油產(chǎn)量。同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)速也可大大節(jié)省電能的消耗。

IMOC-2000系列抽油機(jī)智能型高效節(jié)能增產(chǎn)控制裝置遵照安全，可靠，經(jīng)濟(jì)合理和現(xiàn)場(chǎng)適用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到油田野外環(huán)境惡劣，冬夏溫差大，風(fēng)沙、塵暴多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙層密封隔熱（保溫）控制柜，且具有防盜功能，外殼防護(hù)等級(jí)為IP44。柜內(nèi)設(shè)計(jì)有強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)熱量排出，而外面的熱量卻無(wú)法進(jìn)入，適合在沙漠中夏季高溫環(huán)境下使用。