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游梁式抽油機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造能夠有效利用再生能量和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，經(jīng)過(guò)對(duì)五種變頻調(diào)速節(jié)能方案對(duì)比，四象限變頻器可更加有效地利用再生能量，提高節(jié)能效率和公司綜合效益。鑒于此，合康變頻的HID520系列四象限變頻器在勝利油田游梁式抽油機(jī)獲得成功應(yīng)用。
在起重、礦山、油田等應(yīng)用場(chǎng)合，電機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生再生能量，所產(chǎn)生的再生能量如果不加以有效利用，就會(huì)被浪費(fèi)。如何有效利用這些再生能量，并解決輸入電流的諧波含量高、功率因數(shù)低的問(wèn)題，則成為客戶迫切的應(yīng)用需求。由此，合康變頻經(jīng)過(guò)潛心研究，推出HID520系列四象限能量回饋?zhàn)冾l器，有助于提升客戶的節(jié)能效率與綜合經(jīng)濟(jì)效益。
HID520系列四象限能量回饋?zhàn)冾l器采用PWM控制的IGBT整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流與回饋的雙向控制，成功解決了負(fù)載在快速下降或停機(jī)時(shí)的再生發(fā)電能量處理問(wèn)題，具有四象限的運(yùn)行功能。同時(shí)，能滿足各種位勢(shì)負(fù)載的調(diào)速要求，可將電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)換為電能輸送回電網(wǎng)；可進(jìn)一步提高節(jié)電效率，減小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)，減小供電電流，從而減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損，可節(jié)省大量的增容開(kāi)支。
文章結(jié)合游梁式抽油機(jī)的工作原理及變頻調(diào)速節(jié)能方案對(duì)比，全面介紹合康變頻HID520系列四象限變頻器在勝利油田游梁式抽油機(jī)（磕頭機(jī)）上的成功應(yīng)用。
游梁式抽油機(jī)的弊端
游梁式抽油機(jī)屬于有桿類抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)類的抽油設(shè)備，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種，它由三部分組成，地面部分、井下部分和連接地面和井下的中間部分-抽油桿柱。
游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，懸點(diǎn)上的負(fù)載在一個(gè)周期內(nèi)是不斷變化的。上沖程時(shí)，懸點(diǎn)要提起抽油桿柱和液柱，當(dāng)抽油機(jī)未平衡時(shí)，此時(shí)負(fù)載就很重。下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱對(duì)電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)抽油機(jī)未平衡時(shí)，上下沖程的負(fù)載變化非常大，這樣會(huì)嚴(yán)重影響抽油機(jī)的機(jī)械連接，影響其使用壽命。為解決此負(fù)載不均勻的問(wèn)題，一般在抽油機(jī)上采用機(jī)械配重的方法來(lái)解決。增加機(jī)械配重調(diào)節(jié)平衡后，下沖程時(shí)，平衡重從低點(diǎn)轉(zhuǎn)到高點(diǎn)，增加其位能。平衡配重上升時(shí)，其能量由抽油桿柱下落所釋放的位能和電動(dòng)機(jī)付出的部分能量?jī)刹糠纸M成。上沖程時(shí)，平衡配重由高點(diǎn)轉(zhuǎn)到低點(diǎn)，釋放下沖程時(shí)儲(chǔ)存的能量，幫電動(dòng)機(jī)提升抽油柱和液柱，從而減少了上沖程時(shí)電動(dòng)機(jī)給出的能量。但即使當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，電機(jī)仍然存在發(fā)電狀態(tài)并產(chǎn)生能量。
抽油機(jī)在工頻狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流大，會(huì)產(chǎn)生尖峰電流；轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)大，啟動(dòng)過(guò)程快，會(huì)影響各機(jī)械部件的壽命；啟動(dòng)后，不能根據(jù)油井的實(shí)際情況調(diào)節(jié)其頻率，且配重不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，所以會(huì)造成大部分能量的浪費(fèi)；另外，下沖程時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，釋放的能量直接回饋給電網(wǎng)，會(huì)使供電系統(tǒng)功率因數(shù)降低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響非常大。所以為了降低啟動(dòng)時(shí)沖擊電流，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少能源損耗，改善電網(wǎng)質(zhì)量，有必要對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行變頻改造。
可靠的抽油機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方案
抽油機(jī)屬于位能性負(fù)載，尤其是在配重不平衡時(shí)，在抽油機(jī)的一個(gè)沖程周期中，會(huì)使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)由于位能或者慣性，其轉(zhuǎn)速會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，再生能量通過(guò)與變頻器逆變橋功率開(kāi)關(guān)器件IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管的整流作用，反饋到直流母線。由于普通兩象限的變頻器，其母線是通過(guò)普通二極管整流橋供電，不能向電網(wǎng)回饋電壓，所以反饋到直流母線的再生能量只能對(duì)濾波電容充電而使母線電壓升高。變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)，為了保護(hù)器件，會(huì)設(shè)置一個(gè)母線過(guò)壓保護(hù)，當(dāng)母線電壓值達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)觸發(fā)此保護(hù)。所以再生能量會(huì)將母線電壓充電到設(shè)定的過(guò)壓值，會(huì)保護(hù)停機(jī)。因此，處理抽油機(jī)再生能量的方法有以下五種：
一是增大變頻器直流母線上濾波電容的容量。這種方式對(duì)節(jié)能有利，但其儲(chǔ)能作用是有限的。在大容量或負(fù)載慣量大的系統(tǒng)中，不可能只靠濾波電容實(shí)現(xiàn)。
二是共直流母線。這種方式適用于在同一井場(chǎng)有很對(duì)口油井的場(chǎng)合，即同若干臺(tái)變頻器共用一個(gè)整流器，將其直流母線連接在一起，可以將回饋能量作為另一臺(tái)變頻器的動(dòng)力。但是，受空間及油井的位置限制較大。
三是變頻器加制動(dòng)單元。這種方式是在母線電壓上并制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，將能量直接消耗在制動(dòng)電阻上，這是一種耗能的方法，對(duì)節(jié)能不利，且制動(dòng)電阻的散熱及壽命問(wèn)題很難解決。
四是變頻器加回饋單元。這種方式是在母線上并聯(lián)回饋單元，將電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)變頻器直流母線上的直流泵生電壓轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)通過(guò)回饋單元回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了變頻器與電網(wǎng)之間能量的反向流動(dòng)，且能量在返回電網(wǎng)時(shí)的電流諧波可以做到小于5%，功率因數(shù)接近于1，但卻沒(méi)有解決能量由電網(wǎng)流向變頻器時(shí)功率因數(shù)低、諧波電流大的問(wèn)題。但未解決能量由電網(wǎng)流向變頻器時(shí)功率因數(shù)低，諧波電流大的問(wèn)題。
五是四象限變頻器。四象限變頻器（如圖1所示）可以解決以上應(yīng)用中的各種缺點(diǎn)，不論是能量從電網(wǎng)到直流母線還是從母線到電網(wǎng)，均可保證輸入諧波在5%以下，功率因數(shù)接近于1。采用PWM控制的IGBT整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流與回饋的雙向控制，成功解決了負(fù)載在快速下降或停機(jī)時(shí)的再生發(fā)電能量處理問(wèn)題，具有四象限的運(yùn)行功能。同時(shí)，能滿足各種位勢(shì)負(fù)載的調(diào)速要求，可將電機(jī)的再生能量轉(zhuǎn)換為電能輸送回電網(wǎng)；可進(jìn)一步提高節(jié)電效率，減小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)，減小供電電流，從而減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損，可省去大量的增容開(kāi)支。
從圖2和圖3可以看出，不論能量的流向是從電網(wǎng)到母線還是從母線到電網(wǎng)，HID520四象限變頻器都可以保證電流的諧波在5%以下，功率因數(shù)接近于1。可充分減小電源的諧波污染，提高功率因數(shù)，減小供電電流，從而減輕電網(wǎng)和變壓器的負(fù)擔(dān)，降低線損，可為油田或者起重行業(yè)客戶提供一個(gè)可靠的節(jié)能解決方案。
HID520四象限變頻器成功應(yīng)用于勝利油田
電機(jī)功率45KW的游梁式抽油機(jī)應(yīng)用于勝利油田，變頻器型號(hào)為HID520-T4-37G，現(xiàn)場(chǎng)要求是，可以工變頻切換，遠(yuǎn)程監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、頻率源及命令源由本地給定（如圖4）。
應(yīng)用時(shí)需配合客戶的電氣控制柜，可實(shí)現(xiàn)工變頻切換。變頻運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)指令由控制柜上的啟動(dòng)按鍵給定，所以變頻器設(shè)定為端子運(yùn)行指令。停止指令由停止按鈕給定，客戶需要即按即停，停車方式設(shè)置為自由停車。變頻器運(yùn)行頻率為鍵盤給定，可以根據(jù)油井的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率。
使用SVC控制時(shí)需要進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)，其他參數(shù)設(shè)置均相同。該套系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試，運(yùn)行正常，經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大幅提高，電流諧波大幅降低，無(wú)功功率大幅減小。綜合節(jié)電率約為20%左右。
表1為客戶的監(jiān)控系統(tǒng)上的電能參數(shù)曲線，此曲線顯示的為一個(gè)沖程周期內(nèi)的電流，電壓，功率的曲線圖。對(duì)比工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行時(shí)的電能參數(shù)曲線，相對(duì)于工頻運(yùn)行、電流、功率等各項(xiàng)，都有大幅度的降低。
目前HID520系列四象限變頻器已成功運(yùn)用于勝利油田、中原油田等多個(gè)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用比較，多套設(shè)備均運(yùn)行穩(wěn)定，且節(jié)能效果十分明顯，電網(wǎng)質(zhì)量顯著提高。同時(shí)，合康變頻還可為用戶量身打造抽油機(jī)變頻控制一體柜，為客戶提供變頻加電氣控制整體解決方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，提高采油系統(tǒng)的安全性和系統(tǒng)工作效率，并能在油田野外環(huán)境下能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP54，提高綜合節(jié)能效益。
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