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邁凱諾KE300F變頻器在直驅永磁同步抽油機的應用

一、引言

據不完全統計，全世界目前有機械采油井150多萬口，其中傳統四連桿游梁式抽油機占90％左右，成為機械采油的主導機型。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，為了實現碳達峰、碳中和的目標，對節能減排要求越來越高，尋找更環保、更節能的驅動裝置成為了重中之重。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，目前，抽油機拖動裝置采用直驅永磁同步電機，該電機在轉子磁極結構上與傳統異步電機有很大區別，可以通過聯軸器與抽油機減速箱輸入軸直接連接，省去中間皮帶傳動環節，提高傳動效率。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，提升了抽油機的工作效率。

二、應用環境分析

1、游梁式抽油機系統組成

傳統的游梁式抽油機有異步電機、皮帶、齒輪箱三個旋轉驅動環節。工作方式是：通過曲柄連桿將機械減速齒輪箱的旋轉運動轉變為抽油桿的反復地上下提升運動，其動力來自于電動機帶動的兩個重量相當大的平衡塊，當平衡塊提升時，將采油機桿送入井中，平衡塊下降時，采油桿提出帶油至井口。

游梁式抽油機.jpg

2、游梁式抽油機異步電機負載分析

(1)、游梁式抽油機負載受井下載荷影響變化劇烈且頻繁，一個沖次內負載轉矩不均衡，載荷隨之增大，電流急劇增加，造成異步電機效率大幅下降。工作時電動機的利用率一般在20%-30%之間，最高不會超過60%，皮帶傳遞效率95%。電動機經常處于輕載狀態，造成了電動機資源的浪費。

(2)、游梁式抽油機為了克服大的起動轉矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，屬于大馬護小車性質。

(3)、抽油機的工作情況是連續變化的，這些都取決于地底下的狀態，若始終處于工頻運行，勢必也會造成電能的浪費。

(4)、由于電機轉速一定，在滑塊下降過程中，負荷減輕，電機拖動產生的能量無法被負載吸引，導致電機進入再生發電狀態，將多余的能量反饋到電網，引起主回路母線電壓的升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致電網供電質量下降，功率因數降低，頻繁的高壓沖擊會損壞電機，縮短電機壽命、維護量加大。

(5)、皮帶非常容易打滑磨損，通常一兩個月就需要更換皮帶。隨著磨損程度的增加，傳動效率很低。

3、游梁式直驅永磁同步抽油機主要特點

采用高效稀土永磁直驅同步電動機,取消抽油機皮帶傳動系統, 直接驅動抽油機的輸入軸，以解決傳動效率很低以及拖動裝置自身耗能高導致不節能的問題。

(1)、低速大扭矩

永磁同步電機轉子上鑲有永磁體，產生恒定的磁場，因此在永磁同步電機轉子上可以鑲嵌很多對磁極，做成多極電動機，使該電機的額定轉速極低。再把永磁同步電動機直徑加大，就能做成低速大轉矩交流永磁同步電動機(由于使用了高能量磁鋼，永磁同步電機的能量密度高，在相同直徑的電機，永磁同步電機的轉矩也比其他電機高30%以上)。永磁同步電動機額定轉速可以做到每分鐘幾十轉，額定轉矩可達數十萬牛米，是其他種類電機不可能實現的。

(2)、高起動轉矩

該電機轉子上鑲有永磁體，可以產生恒定的磁場。根據通電導體在磁場中的電磁力F為: F=BLI (B是磁場強度，L是通電導體的有效長度。I是通電導體中的電流)。在永磁同步電機變頻器控制下，永磁同步電機的轉矩M為: M=FR (R額為永磁同步電機轉子的半徑)，因此永磁同步電機的轉矩與電流的大小成正比，從而永磁同步電機起動時通入幾倍的額定電流，就有幾倍的額定轉矩，所以說永磁同步電機具有較高的起動轉矩(Y系列異步電動機起動電流是7倍左右額定電流，起動轉矩是2倍左右額定轉矩)。

(3)、永磁直驅電機直的應用，可以很大程度地降低抽油機井能耗。與常規游梁式抽油機相比，永磁直驅電機抽油機有顯著的節電效果，，并且大幅度地提高了系統效率，降低了百米噸液耗電，是降低單井能耗的有效方法。安裝調試容易，沖程、沖速均可通過變頻柜控制，降低了整機的故障率和維護成本，并可以提高運行時率。

常規電動機與永磁直驅同步電動機的對比
項目	異步動機+皮帶輪+減速器	永磁直驅同步電動機
額定效率%	69-73	95
平均效率%	< 50	> 80
功率因數	< 0.85	> 0.95
維護保養	皮帶輪需要定期更換	免維護
機械結構	高可靠性	無須改變現有游梁式抽油機結構

從數據可以看出，應用永磁同步電機不僅大幅降低了有功耗電量，而且解決了原有抽油機功率因數低、無功功率過大的缺點，有助于提高電網的運行品質。目前，永磁同步電機因其結構簡單，體積小，重量輕，功率慣量比大、效率高、精度高和調速范圍寬等優點，近年來在各領域都得到廣泛的應用。

三、游梁式直驅永磁同步抽油機控制方案

1、變頻器選擇

永磁同步電機帶動的游梁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。深圳市邁凱諾推出KE300F永磁同步電機專用變頻器是一款用來控制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:

轉矩：無PG矢量控制2.5Hz/150%（SVC）

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

制精度：無PG矢量控制：±0.2%最高速度。

2、系統控制方案

KE300F開環永磁同步具有過壓抑制功能，針對油田直驅永磁同步抽油機上下沖程產生能量，進行過壓抑制處理，不加剎車單元或能量回饋。

對于30kW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KE300F-045G-T4。

開環永磁同步原理圖.jpg

3、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。KE300F系列永磁同步電機專用變頻器是根據抽油機的工作特性，專門開發出來的專用變頻器，在使用時，無需做過多的復雜控制設置，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。

項目

產液

t.d

沖程

沖速

min

泵效

有功功率

功率因數

電流

改造前

16．8

4．7

54．4

6．85

0．4

34/32

改造后

17．2

4．7

55．7

6．21

0．76

25/23

日耗電

KWh

系統效率

百米噸液耗電

kwh

綜合節電率

百米噸液節電率

164．4

10．72

2．47

11．59

19．03

148．8

13．35

通過油田現場測試的抽油機，表明游梁式直驅永磁同步抽油機控制方案運行良好，抽油機工作在滿載的狀態。游梁式直驅永磁同步抽油機控制應用中有如下優點：

? （1）直驅永磁同步抽油機控制解決方案，可以根據現場油井負荷大小使抽油機達到較好的平衡狀態，根據油井的產液量使抽油機工作在合理的沖次，并根據油井工況對抽油機進行有效的保護；從而較大限度的使抽油機的運行參數與油井參數相一致，發揮抽油機的工作能力，實現低碳開發和節能開采；

? （2）KE300F系列永磁同步電機專用變頻器內置的通訊功能，提供RS485通訊接口，使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡便；

? （3）模塊化設計，系統的維護更加簡單；

? （4）KE300F系列永磁同步電機專用變頻器具有短路、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；

? （5）可以通過站控平臺有效實現變頻器的參數調整及管理要求，實現真正意義上的井場無人值守。

四、客戶評價

通過在長時間的運行觀察和一線員工的反饋，KE300F系列永磁同步電機專用變頻器與永磁同步電機一起構成抽油機驅動系統，很好的滿足了抽油機的工作需求，解決低壓低產井系統效率偏低,以及皮帶傳動系統引發的負面問題。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。可很好的替代國外同類產品。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，提升了抽油機的工作效率。

五、結束語

KE300F系列永磁同步電機專用變頻器的成功應用，體現出其優異的驅動能力及矢量控制特性。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。對于我國提出的建設節約型社會，減少環境污染具有重大的經濟和社會意義。

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