摘  要：采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的抽油機(jī)為抽油機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。 Goodrive35塔式機(jī)專(zhuān)用變頻器的成功應(yīng)用，體現(xiàn)出其優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)能力及矢量控制特性，大大提升了抽油機(jī)的效率。

關(guān)鍵詞：Goodrive35  塔式機(jī)專(zhuān)用變頻  永磁同步電機(jī)  矢量控制

一、引言

作為近幾年來(lái)迅速發(fā)展的一種節(jié)能、高效的新型機(jī)械采油設(shè)備，塔式機(jī)比游梁式抽油機(jī)節(jié)電綜合率高30%。但目前油井上普遍使用的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的游梁式抽油機(jī)，仍存在系統(tǒng)冗余、電機(jī)效率不高、功率因數(shù)低等缺陷。因此，在節(jié)能減排要求越來(lái)越高的性況下，尋找更環(huán)保、更節(jié)能的驅(qū)動(dòng)裝置成為了重中之重，而Goodrive35變頻器與永磁同步電機(jī)一起構(gòu)成的直驅(qū)式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)便是其不錯(cuò)的選擇。該系統(tǒng)相對(duì)于使用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，降低了抽油機(jī)系統(tǒng)的工作損耗，提升了抽油的工作效率。

二、應(yīng)用環(huán)境分析

2.1 塔式抽油機(jī)系統(tǒng)組成

塔式抽油機(jī)由動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)架及移動(dòng)裝置、平衡箱，平衡箱安全剎車(chē)系統(tǒng)，適用于普通油井的采油作業(yè)，尤其適用于長(zhǎng)沖程、低沖次的采油工況使用。塔式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

該系統(tǒng)核心在于永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)具有低速啟動(dòng)力矩大、寬調(diào)速、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)匹配Goodrive35系列變頻器實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在額定電壓下，轉(zhuǎn)速在0-250r/min之間可調(diào)。電況動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁來(lái)源于永磁體，使功率因素達(dá)0.98以上。

2.2  塔式抽油機(jī)負(fù)載特性

塔式抽油機(jī)所帶為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)需要超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩值的轉(zhuǎn)矩。工作狀態(tài)與電梯工作比較接近，分上升和下降兩個(gè)過(guò)程，支持懸停，對(duì)變頻器轉(zhuǎn)矩控制特性要求較高，由于永磁同步電機(jī)特性決定，在塔式抽油機(jī)配重不平衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量回饋，因此需要通過(guò)反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動(dòng)電阻上，以防止母線電壓過(guò)沖。

本文僅以某油田一個(gè)14kW電機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)的要求為例進(jìn)行說(shuō)明，具體要求有如下：

●  客戶(hù)提供的電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。變頻器需完成快速啟停控制，一路4-20mA模擬量輸出；

表1： 15kW永磁同步電機(jī)參數(shù)

電機(jī)參數(shù)	額定功率	額定電壓	額定電流	額定頻率	極對(duì)數(shù)
數(shù)值	14kW	380V	28A	8HZ	16

●  電機(jī)滿(mǎn)載情況下最高輸出轉(zhuǎn)速達(dá)187轉(zhuǎn)/分；

●  輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流波形為正弦波。

三、系統(tǒng)方案

3.1 英威騰Goodrive35系列變頻器性能介紹

●  高級(jí)矢量控制模式，Goodrive35變頻器支持兩種矢量控制模式，其中矢量控制模式0基于高性能32位DSP硬件平臺(tái)，新型全程三相調(diào)制控制技術(shù)及精準(zhǔn)參數(shù)靜態(tài)自學(xué)習(xí)能力，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異控制效果，無(wú)論在加減速時(shí)間、力矩、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、運(yùn)行電流、電機(jī)噪聲、穩(wěn)速精度等方面均有出色表現(xiàn)，對(duì)變頻電機(jī)擁有優(yōu)異的控制性能。

●  標(biāo)配內(nèi)置C3濾波器，有效濾除電源輸入側(cè)高次諧波，有效防止變頻器整流過(guò)程中產(chǎn)生諧波干擾控制部分及弱電信號(hào)，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

●  環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，完全獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)加法蘭安裝模式可大幅提高抗擊油污、粉塵及濕熱等惡劣環(huán)境，有效降低變頻故障率，延長(zhǎng)使用壽命。Goodrive35變頻器鈑金件選用熱浸鍍鋅板結(jié)合拉鉚式固定方案，大大提高其EMC性能及抗腐蝕能力。

●  過(guò)載能力強(qiáng)，優(yōu)異電流限幅特性，可有效降低變頻過(guò)載、過(guò)流保護(hù)，最大限度保障生產(chǎn)連續(xù)性。

●  優(yōu)越的AVR功能，超強(qiáng)電網(wǎng)適應(yīng)性，可用于電網(wǎng)長(zhǎng)期偏低或電網(wǎng)波動(dòng)等電源惡劣場(chǎng)合，保障輸出電壓、電流、速度穩(wěn)定性。

●  針對(duì)Goodrive35變頻器，深圳市英威騰電氣股份有限公司特提供24個(gè)月免費(fèi)保修服務(wù)，全球服務(wù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可有效解決客戶(hù)后顧之憂(yōu)。

●  變頻器內(nèi)部集成塔式抽油機(jī)專(zhuān)用工藝控制邏輯，結(jié)合人機(jī)界面，轉(zhuǎn)換成抽油機(jī)操控語(yǔ)言；

●  支持自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)及間抽功能；

●  自動(dòng)檢測(cè)皮帶打滑并修正累積偏差；

●  沖程及沖次靈活可調(diào)；

●  靈活手動(dòng)修井操控模式。

3.2 變頻器選擇

采用永磁同步電機(jī)帶動(dòng)的螺桿式抽油機(jī)需要超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，要實(shí)現(xiàn)迅速的啟?？刂疲瑢?duì)控制精度的要求也較高，必須選用矢量控制型變頻器。Goodrive35系列變頻器是一款用來(lái)控制異步交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的變頻器，能很好滿(mǎn)足其性能要求。該變頻器在同步電機(jī)控制下具有以下技術(shù)特點(diǎn):

●  起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：無(wú)PG矢量控制2.5Hz/150%（SVC）

●  過(guò)載能力：150%額定電流60s，180%額定電流10s，200%額定電流1s

●  調(diào)速比：無(wú)PG矢量控制 1：20

●  速度控制精度：無(wú)PG矢量控制：±0.2%最高速度 。

3.2 控制實(shí)現(xiàn)

對(duì)于15kW的多級(jí)永磁同步電機(jī)，充分考慮其啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩要求，可以為其放大兩檔選配變頻器，選配的型號(hào)為GD35-022-4。螺桿式抽油機(jī)需滿(mǎn)足快速啟停，有效制動(dòng)，這樣變頻器的制動(dòng)單元應(yīng)有較大的制動(dòng)電流，縮短制動(dòng)過(guò)程。客戶(hù)可選用DBU-055-4的制動(dòng)單元，制動(dòng)電阻大小為13.6?/9600W。整個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣接線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電氣接線圖

四、具體使用效果

整個(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集方面比較簡(jiǎn)潔，因此接線十分方便。Goodrive35系列變頻器在矢量控制上性能優(yōu)異，只需簡(jiǎn)單的自學(xué)習(xí)就能達(dá)到對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制，這樣整個(gè)調(diào)試過(guò)程也變得比較輕松。

4.1 系統(tǒng)接線如圖3所示

變頻器從S1接受啟動(dòng)信號(hào)、S2接收停機(jī)信號(hào)、AO2輸出4-20MA的模擬量信號(hào)，從而在頻率表上顯示運(yùn)行頻率。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

1)  首先，上電前檢查接線，確認(rèn)無(wú)誤后上電；

2)  第一步 P0.18為1，參數(shù)復(fù)位。

3)  第二步設(shè)置變頻參數(shù)P0.0為0，P2.00為1同步機(jī)模式，設(shè)置電機(jī)參數(shù)。

4)  第三步：變頻器開(kāi)環(huán)低速、高速運(yùn)行，查看電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流是否平穩(wěn)，電機(jī)運(yùn)行是否正常，如不正?？蛇m當(dāng)調(diào)速P3組參數(shù)：

5)  第四步：設(shè)置P0.00為3（閉環(huán)矢量模式），設(shè)置編碼器參數(shù)。

6)  第五步：驗(yàn)證編碼器安裝及設(shè)置是否正確。

7)  電機(jī)停止時(shí)，觀查P18.21（旋變角度）值應(yīng)該不波動(dòng)或波動(dòng)非常小，如果波動(dòng)很大請(qǐng)檢查接線及接地，確認(rèn)是否是編碼器受干擾。緩慢旋轉(zhuǎn)電機(jī)，P18.21應(yīng)該緩慢變化，表蝗編碼器接線正確；旋轉(zhuǎn)多圈后P18.02值應(yīng)該一直不變，且不為0，這表明編碼器Z信號(hào)正確。

8)  第六步磁極初始位置學(xué)習(xí)。

9)  建議選擇P20.11選擇為1旋轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。運(yùn)行過(guò)程中如果出現(xiàn)ENC10,ENC1D故障，可能是編碼器方向與電機(jī)方向不一致，設(shè)置P20,02為1，編碼器反向。再進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

10) 第七步：高低速運(yùn)行，測(cè)試變頻器性能。

11)  變頻器在運(yùn)行中電流應(yīng)該比開(kāi)環(huán)是小，且應(yīng)該比較穩(wěn)定，如果波動(dòng)較大，在變頻器運(yùn)行中查看P18.21，看旋變角度是否變化連續(xù)，如果有較大的跳動(dòng)，可能是編碼器受干擾，檢查編碼器走線及接地。如果變化平穩(wěn)，可調(diào)速P3組參數(shù)。

4.3  變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器部分關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表2。

表2：部分參數(shù)設(shè)置情況表

功能碼	名稱(chēng)	設(shè)定值	說(shuō)明
P00.00	速度控制模式	3	閉環(huán)矢量控制
P00.03	最大輸出頻率	20HZ	根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置
P00.04	運(yùn)行頻率上限	8HZ
P00.14	載波頻率	2KHz
電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)
P02.15	電機(jī)額定功率	14Kw
P02.16	電機(jī)額定頻率	8HZ	根據(jù)電機(jī)銘牌進(jìn)行設(shè)置
P02.17	電機(jī)極對(duì)數(shù)	16
P02.18	電機(jī)額定電壓	380V
P02.19	電機(jī)額定電流	28A

本系統(tǒng)變頻器具有短路、過(guò)載、過(guò)壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，能有效保證系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。

五、客戶(hù)評(píng)價(jià)

通過(guò)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行觀察和一線員工的反饋，由Goodrive35塔式機(jī)變用頻器驅(qū)動(dòng)性能良好，可很好的替代國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。

六、結(jié)束語(yǔ)

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的制造向著專(zhuān)業(yè)化、自動(dòng)化方向發(fā)展。變頻器作為塔式抽油機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，以其高效、低噪聲、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高可靠性、良好的調(diào)速性能、免維護(hù)等優(yōu)越性在油氣生產(chǎn)中有著良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《Goodrive 35變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)》深圳市英威騰股份有限公司