一、引言

作為近幾年來迅速發展的一種節能、高效的新型機械采油設備，塔式機比游梁式抽油機節電綜合率高30%。但目前油井上普遍使用的異步電機驅動的游梁式抽油機，仍存在系統冗余、電機效率不高、功率因數低等缺陷。因此，在節能減排要求越來越高的性況下，尋找更環保、更節能的驅動裝置成為了重中之重，而Goodrive35變頻器與永磁同步電機一起構成的直驅式抽油機驅動系統便是其不錯的選擇。該系統相對于使用交流異步電機作為驅動裝置，降低了抽油機系統的工作損耗，提升了抽油的工作效率。

二、應用環境分析

塔式抽油機系統組成

塔式抽油機由動力傳動系統、控制系統、機架及移動裝置、平衡箱，平衡箱安全剎車系統，適用于普通油井的采油作業，尤其適用于長沖程、低沖次的采油工況使用。塔式抽油機結構如圖1。

該系統核心在于永磁同步電動機。永磁同步電機具有低速啟動力矩大、寬調速、高效率和穩態轉速誤差小等特點。可以通過匹配Goodrive35系列變頻器實現平滑調速，在額定電壓下，轉速在0-250r/min之間可調。電況動機的勵磁來源于永磁體，使功率因素達0.98以上。

塔式抽油機負載特性

塔式抽油機所帶為恒轉矩性質負載，啟動時需要超過額定轉矩值的轉矩。工作狀態與電梯工作比較接近，分上升和下降兩個過程，支持懸停，對變頻器轉矩控制特性要求較高，由于永磁同步電機特性決定，在塔式抽油機配重不平衡時會出現能量回饋，因此需要通過反饋裝置反送給電網或者消耗在制動電阻上，以防止母線電壓過沖。

本文僅以某油田一個14kW電機使用現場的要求為例進行說明，具體要求有如下：

◆ 客戶提供的電機參數見表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永磁同步電機參數

◆ 電機滿載情況下最高輸出轉速達187轉/分；

◆ 輸出電壓穩定，輸出電流波形為正弦波。

三、系統方案

3.1 英威騰Goodrive35系列變頻器性能介紹

◆ 高級矢量控制模式，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，新型全程三相調制控制技術及精準參數靜態自學習能力，可以實現優異控制效果，無論在加減速時間、力矩、轉矩動態響應速度、運行電流、電機噪聲、穩速精度等方面均有出色表現，對變頻電機擁有優異的控制性能。

◆ 標配內置C3濾波器，有效濾除電源輸入側高次諧波，有效防止變頻器整流過程中產生諧波干擾控制部分及弱電信號，保證系統工作穩定可靠。

◆ 環境適應能力強，完全獨立風道設計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境，有效降低變頻故障率，延長使用壽命。Goodrive35變頻器鈑金件選用熱浸鍍鋅板結合拉鉚式固定方案，大大提高其EMC性能及抗腐蝕能力。

◆ 過載能力強，優異電流限幅特性，可有效降低變頻過載、過流保護，最大限度保障生產連續性。

◆ 優越的AVR功能，超強電網適應性，可用于電網長期偏低或電網波動等電源惡劣場合，保障輸出電壓、電流、速度穩定性。

◆ 針對Goodrive35變頻器，深圳市英威騰電氣股份有限公司特提供24個月免費保修服務，全球服務網絡覆蓋，可有效解決客戶后顧之憂。

◆ 變頻器內部集成塔式抽油機專用工藝控制邏輯，結合人機界面，轉換成抽油機操控語言；

◆ 支持自動往復運動及間抽功能；

◆  自動檢測皮帶打滑并修正累積偏差；

◆  沖程及沖次靈活可調；

◆  靈活手動修井操控模式。

3.2 變頻器選擇

采用永磁同步電機帶動的螺桿式抽油機需要超過額定轉矩的啟動轉矩，要實現迅速的啟停控制，對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控制異步交流感應電機和永磁同步電機的變頻器，能很好滿足其性能要求。該變頻器在同步電機控制下具有以下技術特點:

◆ 起動轉矩：無PG矢量控制2.5Hz/150%（SVC）

◆ 過載能力：150%額定電流60s，180%額定電流10s，200%額定電流1s

◆ 調速比：無PG矢量控制 1：20

◆ 速度控制精度：無PG矢量控制：±0.2%最高速度 。

3.2 控制實現

對于15kW的多級永磁同步電機，充分考慮其啟動及運行時的轉矩要求，可以為其放大兩檔選配變頻器，選配的型號為GD35-022-4。螺桿式抽油機需滿足快速啟停，有效制動，這樣變頻器的制動單元應有較大的制動電流，縮短制動過程。客戶可選用DBU-055-4的制動單元，制動電阻大小為13.6?/9600W。整個變頻驅動系統的電氣接線如圖2所示。

圖2 系統電氣接線圖

四、具體使用效果

整個系統對信號的采集方面比較簡潔，因此接線十分方便。Goodrive35系列變頻器在矢量控制上性能優異，只需簡單的自學習就能達到對永磁同步電機的精確控制，這樣整個調試過程也變得比較輕松。

系統接線如圖3所示

變頻器從S1接受啟動信號、S2接收停機信號、AO2輸出4-20MA的模擬量信號，從而在頻率表上顯示運行頻率。

系統調試

首先，上電前檢查接線，確認無誤后上電；

第一步 P0.18為1，參數復位。

第二步設置變頻參數P0.0為0，P2.00為1同步機模式，設置電機參數。

第三步：變頻器開環低速、高速運行，查看電機轉速及電流是否平穩，電機運行是否正常，如不正常可適當調速P3組參數：

第四步：設置P0.00為3（閉環矢量模式），設置編碼器參數。

第五步：驗證編碼器安裝及設置是否正確。

電機停止時，觀查P18.21（旋變角度）值應該不波動或波動非常小，如果波動很大請檢查接線及接地，確認是否是編碼器受干擾。緩慢旋轉電機，P18.21應該緩慢變化，表蝗編碼器接線正確；旋轉多圈后P18.02值應該一直不變，且不為0，這表明編碼器Z信號正確。

第六步磁極初始位置學習。

建議選擇P20.11選擇為1旋轉學習。運行過程中如果出現ENC10,ENC1D故障，可能是編碼器方向與電機方向不一致，設置P20,02為1，編碼器反向。再進行自學習。

第七步：高低速運行，測試變頻器性能。

變頻器在運行中電流應該比開環是小，且應該比較穩定，如果波動較大，在變頻器運行中查看P18.21，看旋變角度是否變化連續，如果有較大的跳動，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，可調速P3組參數。

變頻器參數設置

變頻器部分關鍵參數見表2。

本系統變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能，能有效保證系統安全高效的運行。

五、客戶評價

通過在長時間的運行觀察和一線員工的反饋，由Goodrive35塔式機變用頻器驅動性能良好，可很好的替代國外同類產品。

六、結束語

隨著控制技術的發展，電機的制造向著專業化、自動化方向發展。變頻器作為塔式抽油機的動力驅動設備，以其高效、低噪聲、大啟動轉矩、高可靠性、良好的調速性能、免維護等優越性在油氣生產中有著良好的應用前景。

參考文獻：

[1] 《Goodrive 35變頻器產品說明書》深圳市英威騰股份有限公司