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1游梁式抽油機的特點(diǎn)

在全世界的油田中，從設備的數量與規模上都占絕大多數。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，又稱(chēng)“磕頭機”，這種設備以其安裝方便，調試簡(jiǎn)單，使用可靠、應用靈活而被大多數的采油廠(chǎng)使用，如圖1為野外使用的抽油機。

圖1游梁式磕頭機

這種設備是采用杠桿的原理，由電動(dòng)機帶動(dòng)減速器周期性的旋轉，并拖動(dòng)曲桿作往復運動(dòng)，從而使驢頭及對應的平衡裝置作上下運動(dòng)，將地下的油帶出地面，進(jìn)入輸油系統。
該設備由于都安裝于地面，安裝、調試都比較方便，應用也比較廣泛。但是在地質(zhì)情況比較復雜的場(chǎng)合，如油質(zhì)稠、含沙、結蠟較多，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，對機械的沖擊大，很容易出現斷桿、卡井、減速機齒輪損壞、燒毀電機等較嚴重故障，特別是油井的中、后期，井液量供液不足時(shí)，需要調節沖次，更換皮帶輪或減速箱，較繁瑣，危險性大，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，所需要的轉矩大約是正常工作的一倍以上，因此在設計時(shí)采用的動(dòng)力裝置---電動(dòng)機往往功率較大，而在正常抽油時(shí)，負載變輕，所需的力矩又比較小，因此存在著(zhù)嚴重的“大馬拉小車(chē)”現象。

又由于在驢頭下放時(shí)，負載變輕，電機基本處于自由下放狀態(tài)，降低了電網(wǎng)的功率因數及電機的效率，增加了無(wú)功損耗，使整個(gè)系統效率低下，耗能?chē)乐兀霈F嚴重的能源浪費現象。隨著(zhù)電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的變頻調速裝置，由原來(lái)的用于風(fēng)機、水泵的節能控制變頻器，現也逐步應用到抽油設備上，收到了良好的效果。而且改造方便，使用原有電機即可，可實(shí)現調沖次、軟起停、節能的效果，這是其他任何方法都做不到的。
3  新風(fēng)光電子1140V抽油機變頻器
3.1 新風(fēng)光1140V抽油機變頻器主回路拓撲結構

新風(fēng)光1140V抽油機變頻器如圖2所示。由于現場(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，且對于高壓電機而言，良好的波形，對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這一要求。

 
圖2新風(fēng)光電子抽油機變頻柜

為了適應電壓等級及負載的要求，抽油機變頻器主回路采用了三電平電路或稱(chēng)中點(diǎn)箝位電路，如圖3所示。

 
圖3 抽油機變頻器主電路圖

其中主電路每相接有兩只IGBT，串聯(lián)承擔全部的電壓，三相交流電壓經(jīng)全波整流后變成直流電壓，由單片機控制兩只IGBT（1700V）的導通與截止，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(xiàn)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抽油機變頻柜的技術(shù)指標

（1）柜體采用室外設計，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(hù)投資，方便使用。
（2）柜內設有電壓、電流表指示，用戶(hù)可直觀(guān)地觀(guān)察設備運行情況，操作方便。
（3）設有工頻旁路，以便在變頻故障或維修時(shí)可暫時(shí)投入工頻運行，保證生產(chǎn)的連續，不耽誤生產(chǎn)。
（4）針對有些油井需要緩抽的情況，還設計了間抽功能，時(shí)間可從一天到七天，方便用戶(hù)實(shí)現自動(dòng)緩抽功能。
（5）對泵升電壓，根據用戶(hù)要求，可采用耗能電阻和回饋電網(wǎng)兩種方式進(jìn)行處理，有效的保證了設備的安全運行，并提高了節電效果。
（6）采用低頻補償技術(shù)，使變頻器啟動(dòng)力矩可根據現場(chǎng)情況進(jìn)行適當調節，保證啟動(dòng)正常，不會(huì )對設備造成危害。
4抽油機變頻改造的難點(diǎn)

抽油機變頻器改造磕頭機的難點(diǎn)是：在驢頭下放時(shí)存在電機發(fā)電狀態(tài)，如處理不好，會(huì )向變頻器內倒灌形成泵升電壓，使變頻器的母線(xiàn)電壓升高，危及變頻器的安全。
由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時(shí)，在驢頭下發(fā)過(guò)程中，電動(dòng)機由于位能，使負載拖動(dòng)電動(dòng)機的轉速比變頻器輸出的頻率所對應的轉速還要高，電動(dòng)機處于再生發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，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，甚至會(huì )破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，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(zhuān)門(mén)的能耗制動(dòng)電路消耗在電阻上，轉化為熱能，因此，又被稱(chēng)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

抽油機變頻器以上兩種處理再生能量的方式，可由用戶(hù)根據情況自我選用，二者各有利弊。采用耗能電阻價(jià)格比較便宜，但節能效果不如回饋單元更好些，而采用回饋單元節能效果比耗能電阻好些，大約多節電20%，而價(jià)格相應地比耗能電阻高。
5應用效果

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河采油廠(chǎng)二礦抽油機上安裝調試成功，運行頻率26Hz,母線(xiàn)電壓1770V，輸出電流9A（額定電流23A),抽油機運行平穩。抽油機變頻器現場(chǎng)運行如圖7所示。

 
圖7 抽油機變頻器現場(chǎng)運行圖

采用風(fēng)光牌抽油機變頻柜對磕頭機改造后，可體現出明顯的工作效益：
（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，對機械設備也沒(méi)有任何沖擊，既節約了電能，也保護了電網(wǎng)、電機及機械設備免收沖擊，效益是十分明顯的。
（2）沖次調節方便。工頻運行下調節沖次需停產(chǎn)后更換皮帶輪，費時(shí)、費力，耽誤生產(chǎn)。而采用變頻器后可以不停產(chǎn)，直接調節變頻器的頻率，根據油井液量增大或減小變頻器的頻率，即可平滑調節電機的轉速，實(shí)現沖次的調節，非常方便，節省了人工及機械費用。
（3）采用變頻器后提高了電網(wǎng)的功率因數，一般達到0.98以上，使電網(wǎng)的負荷利用率提高，減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔。
（4）節電明顯。采用變頻器后，節能效果明顯。當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，前期可以提高轉速，使產(chǎn)液量提高，相應的生產(chǎn)效益提高。而中后期可降低轉速，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。據綜合測試，節電率大約在15%---20%左右，效果是十分明顯的。
總之，采用變頻控制，對于設備的軟啟動(dòng)，調節沖次，節能等各方面是很有成效的，是今后游梁式抽油機控制的較理想的選擇，值得大力推廣。