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一.     概述

目前，在油田抽油設(shè)備中，以游梁式磕頭抽油機(jī)應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多。但是，傳統(tǒng)的磕頭機(jī)普遍存在著起動(dòng)沖擊大，運(yùn)行耗電多，大馬拉小車、效率低下等諸多問題，加之油井情況復(fù)雜，稠油、結(jié)蠟、沙卡現(xiàn)象較多，斷桿、燒電機(jī)等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，對電動(dòng)機(jī)沒有可靠的保護(hù)功能，設(shè)備維修量大，為此，急需對現(xiàn)有的抽油機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造。
　　變頻調(diào)速器具有低速軟啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以平滑地大范圍調(diào)節(jié)，對電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高功效等諸多優(yōu)點(diǎn)，是抽油設(shè)備改造的理想方案，其應(yīng)用效果十分明顯。

二、變頻器的基本原理
　　由電機(jī)理論可知，其轉(zhuǎn)速公式為：
　　     n=60f/p×(1－s)
　　其中 P—電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)
　　　 s—轉(zhuǎn)差率
　　　 f－供電電源的頻率
　　   n－電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
　　由上式可看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz之間任意調(diào)節(jié)，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
　　 當(dāng)然，轉(zhuǎn)速提高后，還應(yīng)考慮到對其軸承及繞組的影響，防止電機(jī)過分磨損及過熱，一般最高頻率設(shè)在50Hz或65Hz。
　　現(xiàn)在我們應(yīng)用的ALPHA變頻器都是交—直—交電壓源型變頻器，其電路如圖1示：

ALPHA變頻器功率器件為西門子的IGBT，控制器的核心是日立H8型單片機(jī)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
三、抽油機(jī)變頻器的難點(diǎn)
　　作為抽油設(shè)備，其運(yùn)動(dòng)為反復(fù)地上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來自于電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊舉升時(shí)，類似于杠桿的作用，將抽油機(jī)桿送入井中，滑塊下降時(shí)，抽油桿提出帶油至井口，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，在滑塊下降過程中，負(fù)荷減輕，電機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無地方施放，勢必進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，造成主回路母線電壓升高，頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞變頻器的主器件，包括電解電容及功率模塊，因此增加制動(dòng)回路，讓再生電壓能及時(shí)地釋放掉，以保證設(shè)備在安全的電壓下工作。
　　再生制動(dòng)電路即通常所說的剎車電路，如圖1中的虛線框內(nèi)所示，包括比較電路、剎車模塊及剎車電阻等，其控制框圖如下：

　　我們從主回路通過取樣放大，與基準(zhǔn)電壓相比較，通過調(diào)整電位器，使剎車單元在1.1Ue（Ue為額定母線電壓值）時(shí)導(dǎo)通，在1.05 Ue時(shí)斷開，即可控制主回路的電壓，保證其工作在允許的范圍內(nèi)。
　　由于剎車模塊是以單結(jié)控制主回路的電壓，其可靠地工作是很關(guān)鍵的，這里吸收電路要作好，由于剎車電阻引線都比較長，其引線電感、尖峰電壓相應(yīng)加大，為此采用了R、C、D吸收電路，圖中R3、C4用以吸收引線電感而產(chǎn)生的尖峰電壓，所加的快恢復(fù)二極管用以在剎車單元截止時(shí)在剎車電阻兩端產(chǎn)生的逆反電壓提供通路。在剎車單元頻繁地工作中，勢必會(huì)產(chǎn)生干擾電壓，造成模塊不應(yīng)有的導(dǎo)通而損壞，在信號(hào)的輸入端加一抗干擾電容是必要的，以吸收由于干擾信號(hào)造成的模塊誤導(dǎo)通，一般選0.01uF左右的無感電容較適宜。
　　制動(dòng)單元由于剎車電阻的限流一般電流不大，選100A左右即足夠，剎車電阻由于在每個(gè)沖程內(nèi)都工作一次，其功率要足夠，以保證長期可靠地使用，一般選用10Kw/80Ω的電爐絲。
四、 現(xiàn)場應(yīng)用
　　我們分別選前期井、中后期井進(jìn)行了變頻改造。
　　在前期井中，由于剛開采，儲(chǔ)油量大，供液足，為提高功效，我們采用提高轉(zhuǎn)速的方式，讓變頻器運(yùn)行至65Hz，頻率提高了1/3，相應(yīng)地電機(jī)轉(zhuǎn)速提高了30%，其采油量也相應(yīng)提高，其綜合采油率可比工頻情況下多采油20%，工效提高了1.2倍，很受油田采油工的歡迎。
　　 在中、后期井中，由于井儲(chǔ)量減少，供液不足，電機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢必浪費(fèi)電能，造成不必要的損耗，因而我們采用降低轉(zhuǎn)速的方式，減少?zèng)_程，一般將變頻器的頻率運(yùn)行至35~40Hz之間，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)速下降了30%，加之采油設(shè)備一般負(fù)荷較輕，其節(jié)電率可達(dá)25%左右，而且提高了功率因數(shù)，減少了無功損耗。
　　 變頻器同時(shí)具有軟啟/軟停功能，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，減少了對抽油桿的機(jī)械沖擊，對稠油、結(jié)蠟、沙卡、等都能有效地進(jìn)行保護(hù)停機(jī)，以保護(hù)電機(jī)及機(jī)械設(shè)備，減少維修量，防止斷桿，變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電機(jī)失速都能可靠地保護(hù)，對延長電機(jī)的壽命，減少機(jī)械設(shè)備的磨損等，都具有很好的作用。
　　總之，抽油機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速器，即可以提高工效，增加采油量，又可以節(jié)約電能，保護(hù)電機(jī)及設(shè)備，其應(yīng)用前景是十分廣泛的。我們國家的抽油機(jī)設(shè)備相當(dāng)多，相信變頻調(diào)速器在這方面是可以大有作為的。

下圖為阿爾法抽油機(jī)專用變頻器在勝利油田上的應(yīng)用實(shí)物圖片：

附件：阿爾法變頻器使用測試報(bào)告

阿爾法變頻器使用測試報(bào)告

中石化勝利采油廠四礦于2004年5月在36280抽油機(jī)（工作制度56*3*4.5）井安裝了阿爾法變頻器（ALPHA6000），通個(gè)兩過多月的觀察，運(yùn)行效果良好。該儀器基于變頻調(diào)速原理，采用微電腦控制，在抽油機(jī)大慣量變載的工作狀態(tài)下達(dá)到節(jié)能、增效、自動(dòng)化的效果。使用電參數(shù)動(dòng)態(tài)平衡測試儀（誤差為0.5%標(biāo)準(zhǔn)值），進(jìn)行儀器運(yùn)行前后的測試電量對比，情況如下：

1、改變工作制度的情況下運(yùn)行抽油機(jī)井：

儀器變頻運(yùn)行，頻率由50Hz下調(diào)到32.5Hz，沖次由4.5次降到3次。有功電量日節(jié)約40.32KWh，節(jié)電率為28.33%，功率因數(shù)提高0.13，產(chǎn)液單耗下降0.79。

2、設(shè)定同沖次的不同上下沖程速度運(yùn)行抽油機(jī)井：

確保原沖次仍為4.5次，通過設(shè)定不同上、下行頻率，改變上、下行速度，來適應(yīng)單井的井況，測量運(yùn)行時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如下：

通過測量數(shù)據(jù)對比，該變頻器可確保愿運(yùn)行參數(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)液量上升，日耗電量下降的優(yōu)化趨勢，日產(chǎn)液量最高達(dá)到34.88㎡，上升2.38方，增液率6.8%，日耗電最低達(dá)到126.72KWh，節(jié)電率為10.96%，產(chǎn)液單耗下降0.4以上，滿足采油工藝和節(jié)能降耗的要求。

該儀器在運(yùn)行使用上還有其他特點(diǎn)：

1、零啟動(dòng)、軟啟動(dòng)功能，減少抽油機(jī)井啟動(dòng)對對電網(wǎng)的沖擊，且延長電機(jī)的使用壽命，減少設(shè)備維修費(fèi)用。

2、滿足采油工藝要求，可任意設(shè)定沖次、上下沖程速度，減少上提過程中泵的漏失系數(shù)，使抽油機(jī)井運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

3、操作界面簡單直觀，有按鍵互鎖功能，防止職工誤操作，保護(hù)功能齊全，有報(bào)警功能。