變頻器在抽油機上應用的若干問題探討

5）對于更大功率的系統(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)，當然這樣一來，系統(tǒng)就更復雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關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，就成為三相橋式有源逆變電路，只是電路內電能的流向與整流時相反，直流母線輸出電功率，電網(wǎng)則吸收電功率。為了防止過電流，應滿足U_d≈U_m的條件，U_d取決于電動機的回饋能量的大小，而U_m則可通過超前角β(β=π－α）來進行調節(jié)，由于逆變時U_m為負值，故β的調節(jié)范圍應為π/2～0?？紤]電感性負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，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通方向一致，其值則應稍大于變流器直流側的平均電壓U_m；其二要求晶閘管的觸發(fā)角α>π/2，使U_m為負值，兩者必須同時具備才能實現(xiàn)有源逆變。晶閘管有源逆變器的關鍵是交直流側的電壓匹配，否則也無法實現(xiàn)有源逆變。由于

U_m=－2.34U₂cosβ（或=－1.35U_2lcosβ）（1）

若逆變器交流側直接接到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為540V左右，U_d>U_m，會形成能量在變頻器整流器—逆變器—電網(wǎng)之間無謂循環(huán)，且會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：當回饋能量較小時，能量回饋裝置不工作，讓能量儲存在濾波電容器中，當直流母線電壓達到某一設定值時（如U_d>670V），能量回饋裝置才開始工作，將多余的能量回饋電網(wǎng)。根據(jù)式（1）反算過去，逆變變壓器副邊的線電壓應大于540V，相電壓應大于300V，才能實現(xiàn)電壓匹配。

（2）IGBT有源逆變器 雖然其主電路結構與變頻器中的無源逆變器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。變頻器中的無源逆變器的負載是三相交流電動機，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)，是有源負載，其輸出頻率，相位和電壓都必須與電網(wǎng)一致，否則會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現(xiàn)。另外在輸出端接有交流電抗器，用來抑制過電流。

6）采用可四象限運行的變頻器，如圖5所示，其控制就更復雜，投資也更高了。

圖5 可四象限運行變頻器主電路

4 電磁兼容性問題

這里主要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設備的干擾問題。因為變頻器是一個很強的電磁干擾源，變頻器中的開關器件，以及產生的SPWM電壓波形，會對控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應，輻射之外，也包括傳導干擾，即通過連接導線傳導的干擾。在控制系統(tǒng)中，變頻器只是一個執(zhí)行機構，它的運行頻率（速度）指令要由控制器通過對油井產油量等信號的控制運算后向變頻器發(fā)出，變頻器設置成根據(jù)外部信號運行的工作方式。變頻器就通過這根信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因為是傳導性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號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題。

圖6 信號線抗干擾措施

5 可靠性和環(huán)境適應性問題

由于抽油機都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對變頻器的可靠性和環(huán)境適應能力提出了很高的要求：既要選用可靠性指標高的變頻器品牌，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，如設計防護等級高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，柜內設計強迫風冷系統(tǒng)，可以將柜內的熱量排出，并在柜底設計有冷空氣入口，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，使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

6 IMOC-2000系列抽油機智能高效節(jié)能增產控制裝置

IMOC-2000系列抽油機智能高效節(jié)能增產控制裝置,是由南京電力自動化設備總廠電氣設備廠與國家電力公司熱工研究院的科技人員相結合，在對國內油井進行了廣泛而深入的調查研究的基礎上，考慮到國內外同類產品的功能缺點和不足，根據(jù)不同油井的具體情況研究設計制造的，專門用于抽油機節(jié)能增產控制的高科技產品。本裝置通過流量，壓力，溫度的測量，可精確感知井下油層厚度，通過上、下死點位置的測量，更提高了控制的精確性。該產品融合微電腦智能控制技術，先進的變頻調速技術和電動機綜合節(jié)能控制技術，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?，其結果是有效地避免了泵空的發(fā)生，大幅度減少了無效行程，節(jié)電率可達到30％～50％，原油增產20％～30％?？刂蒲b置中還裝有遙控模塊，可以隨時接收上位機的指令信號，也可隨時將油井的流量，壓力，溫度和電動機溫度等參數(shù)以及抽油機狀態(tài)等信息傳送給上位控制計算機，實現(xiàn)全油田遙控操作管理，大大提高石油生產的自動化程度。IMOC-2000系列抽油機智能高效節(jié)能增產控制裝置的研制成功，代表著當今抽油機節(jié)能控制技術的一項革命性突破。

抽油機智能高效節(jié)能增產控制器是通過采用多種不同的方法，盡量使抽油機的工作方式與油井的實際負荷及環(huán)境條件相匹配，提高抽油機的充滿度，從而提高電動機的效率與功率因數(shù)，達到節(jié)能增產的目的。根據(jù)油井的不同情況，共有3種型號的產品，下面分別加以介紹。

1）A型——間歇工作Y/△轉換控制節(jié)能型 對于開采時間已久的老油井和貧油井，如果抽油機連續(xù)不斷地工作，就會出現(xiàn)產油量小，甚至空抽的現(xiàn)象，白白浪費電能。面對這一問題，傳統(tǒng)的方法是使用定時器令抽油機間歇性地工作，但是，這種方法不僅無法解決令抽油機工作能力動態(tài)地響應油井負荷變化的問題，而且也是以損失油井的產量為代價的。

抽油機智能節(jié)電控制器采用微電腦技術，通過檢測油井出液量精確感知油井負荷，當油井出液量小于經(jīng)濟流量時，則停止抽取。自適應模糊控制算法科學地確定開停機時間，保證開機時最大的抽油機效率，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，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，重則會使油井無法再開啟。這是因為

（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，會造成井口結臘、結鹽或結油的后果，使油井無法再開啟。

（2）對于注水油井，如果停止抽取，勢必影響產油量，這將是得不償失的事。對于這類油井，就要采用其他的節(jié)能方法。為了解決抽油機的低效抽取問題，可以采用降低抽油機電動機勵磁電壓的方法來提高電動機的功率因數(shù)和效率，達到節(jié)能的目的。IMOC-2000控制器采用Y/△轉換方法節(jié)電：當控制器檢測到抽油機電動機的負載率33％時，通過接觸器，將原來三角形接法的電動機繞組改為星形接法，電動機繞組的電壓由380V降為220V，從而大大提高了功率因數(shù)和效率，達到節(jié)電的目的；當控制器檢測到電動機的負載率>40％時，則又將星形接法改為三角形接法運行，以保證抽油機的出力，也防止電流過大而燒毀電動機。

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

Y/△轉換控制設備簡單，投資省，但節(jié)電效果稍差，且無法實現(xiàn)根據(jù)上下行程負載變化節(jié)電。電子型自動調壓節(jié)電效果好，但投資較大。IMOC2000控制器還采用了無功就地補償?shù)姆椒?，在A型和B型控制柜中都裝有補償電容器組，其容量可以根據(jù)抽油機電機的功率進行調整，達到較好的補償效果，可大大降低無功損耗及線損，同時也可減小變壓器容量，節(jié)省增容費用。

3）C型——變頻調速節(jié)能型 利用現(xiàn)代變頻調速新技術，通過動態(tài)調節(jié)抽油機的沖程頻次和上下行程的速度，達到既節(jié)電又增產的目的。

（1）動態(tài)調節(jié)抽油機的沖程頻次節(jié)電 抽油機的沖程頻次都是可以通過機械的方法調整的。但是，一旦調整好了以后，是不大可能經(jīng)常進行改變的，并且通過皮帶輪直徑調整頻次的方法也是有級的，不能動態(tài)適應油井負荷的需要。只有通過動態(tài)調整抽油機電機的轉速，才能調整泵的充滿度，提高抽取效率，增加原油產量，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，若還以原來調整的頻次抽取時，必然會出現(xiàn)泵的充滿度不足，泵效下降的情況。這時若通過采用變頻調速技術降低電機轉速減少抽取頻次，不僅減小了電機功率，實現(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，增加了原油產量。

（2）動態(tài)調節(jié)抽油機上下行程的速度實現(xiàn)節(jié)能增產的目的 由于采用微電腦控制和變頻調速技術，除了可以動態(tài)改變抽油機的沖程頻次之外，還可以根據(jù)實際需要分別地調整每一沖程上下行程的速度，使抽油機工作在最佳運行狀態(tài)。在每一沖程中，適當降低下行程的速度，可以提高原油在泵內的充滿度，而適當提高上行程的速度，則可減少在提升中油的漏失系數(shù)，有效地提高單位時間內的原油產量。同時通過動態(tài)調速也可大大節(jié)省電能的消耗。

IMOC-2000系列抽油機智能型高效節(jié)能增產控制裝置遵照安全，可靠，經(jīng)濟合理和現(xiàn)場適用的原則進行設計，考慮到油田野外環(huán)境惡劣，冬夏溫差大，風沙、塵暴多的特點，設計了雙層密封隔熱（保溫）控制柜，且具有防盜功能，外殼防護等級為IP44。柜內設計有強迫風冷系統(tǒng)，可以將柜內熱量排出，而外面的熱量卻無法進入，適合在沙漠中夏季高溫環(huán)境下使用。