变频器在抽油机上应用的若干问题探讨

摘要：就变频器在抽油机上应用中出现的几个问题进行了分析探讨，揭示出一些深层次的问题，并提出了相应的节能解决方案。同时介绍了IMOC2000系列智能抽油机节能增产控制装置。

关键词：抽油机；变频器；直流母线；制动单元；有源逆变；能量回馈

1 前言

我国的油田绝大部分为低能、低产油田，不像国外的油田有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，靠抽油机（磕头机）把油从地层中提升上来。以水换油、以电换油是目前我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。

目前我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500MW，年耗电逾百亿kW·h。抽油机的运行效率特别低，在我国平均运行效率为25.96％，国外平均水平为30.05％，年节能潜力可达几十亿kW·h。除了抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵、潜油泵等设备，总耗电量超过油田总用电量的80％，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。

抽油机节能，其首选方案是采用变频器对其电机拖动系统进行改造，抽油机改用变频器拖动后有以下几个好处：

1）大大提高了功率因数（可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），大大减小了供电（视在）电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支;

2）可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量;

3）由于实现了真正的“软起动”，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。

但是，变频器用于抽油机电机时，也有几个问题需要解决，主要是冲击电流问题和再生能量的处理问题，下面分别加以分析。

2 冲击电流问题

如图1所示，游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为，抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。

图1 常规曲柄平衡抽油机

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—刹车保险装置；

13—刹车装置；14—电动机；15—配电箱。

对某油田18口井的调查显示，只有1～2口井的配重平衡较好，绝大部分抽油机的配重严重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，从而造成过大的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍，甚至超过额定电流的3倍。不仅无谓浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时也给采用变频器调速控制造成很大的困难：一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护动作而不能正常工作。

通过对抽油机曲柄配重块的调整，都可以使冲击电流降到电机额定电流之内，冲击电流与正常工作电流之比在1.5倍以内。这样，选用与电机额定功率同容量的变频器，甚至略小于电机额定功率的变频器（要视抽油机电动机的负载率而定）都可以长期稳定运行。

由于抽油机的起动扭矩往往很大，惯性也很大，所以要将变频器的加减速时间设置得足够长，一般为30～50s，才不致在起动时引起过载保护动作。

3 再生能量的处理问题

由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步转速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交－直－交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，称作“泵升电压”。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以变频器都设置了“OUD”保护——直流母线电压高保护停机功能。

1）一种办法是增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给电动机作功。这种方法对节能有利，但是电容器的储能作用是有限的。譬如，某抽油机电动机的平均功率以10kW计算，回馈功率以25％计算为2.5kW，在一个冲程周期中发电状态为2～3s的话，则回馈能量E_d=6000J。若采用15kW的变频器，其直流母线滤波电容的容量为2200μF，正常工作时直流母线电压（U_s）小于600V，“OUD”保护电压（U_sm）为800V，那么E_s=CU_sm²－CU_s²=×2200×10^－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回馈能量来小得多了。即使再增加10000μF的滤波电容，也只能储能1400J，因此在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠滤波电容器来限制泵升电压。

2）第二种办法是采用“放”的办法，可以采用由分流电阻器Rp和开关管SB组成的泵升电压限制电路，如图2所示。

图2 泵升电压限制电路

也就是将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利。尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。当然也可以采用现成的变频器选件——制动单元和制动电阻来实现，其原理与图2是一样的，只是投资更大，耗能也更大而已。

3）对于地处北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结腊，对井口回油管进行电加热，如中频电加热装置，这时也可将变频器与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，这样可将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，同时又防止了直流母线电压的泵升。

4）对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案,即若干台抽油机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其它变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。如图3所示。

图3 采用公用直流母线的多逆变器系统主电路