抽油機節(jié)能電控裝置綜述（2）

2）第二種辦法是采用“放”的辦法，可以采用由分流電阻器R_p和開關(guān)管S₁₁組成的泵升電壓限制電路，如圖8所示。

圖 8 泵 升 電 壓 限 制 電 路

也就是將回饋能量消耗在電阻上，這是一種耗能的方法，對節(jié)能不利。尤其是在大容量或者大慣量拖動系統(tǒng)中，能量的損失較大。

3）對于地處北方寒冷地區(qū)的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結(jié)蠟，而對井口回油管進(jìn)行電加熱，如采用中頻加熱裝置。這時也可將變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直流母線，這樣可將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，同時又防止了直流母線電壓的泵升。

4）對于同一井場上有多口油井的場所，可以采用共用直流母線系統(tǒng)方案，即若干臺抽油機的變頻器可共用一臺整流器，將其直流母線聯(lián)結(jié)在一起，利用各變頻器的回饋能量不可能在同時發(fā)生的原理，將某一臺變頻器的回饋能量作為其他變頻器的動力。這樣即節(jié)約了能量，又防止了泵升電壓的產(chǎn)生。如圖9所示。

圖9 采用公用直流母線的多變頻器系統(tǒng)主電路

5）對于更大功率的系統(tǒng)，為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)，當(dāng)然這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。所謂的能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關(guān)器件的不同又可以分為晶閘管（SCR）有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變器兩種，它們又各有其特點和要求。

——晶閘管有源逆變器

如圖10所示，三相橋式可控變流電路用作有源逆變裝置，使電網(wǎng)吸收再生電功率。為了使有源逆變電路正常工作，并防止過電流，應(yīng)滿足U_m>U_d，其中U_d為變頻器正常工作時的直流母線電壓，U_m為再生直流電壓，而U_m可通過超前角β（β=π－α）來進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于

U_m=－2.34U₂cosβ（或=－1.35U₂₁cosβ）（1）

圖10 采 用 晶 閘 管 有 源 逆 變 器 的 再 生 能 量 回 饋 系 統(tǒng) 電 路

若有源逆變器交流側(cè)直接接到380V交流電源，且取最小超前角β=π/6，則U_mmax為440V左右，而變頻器直流母線電壓正常工作時在510V左右，則U_d>U_m。而我們要求的是，當(dāng)再生能量較小時，有源逆變裝置不工作，讓能量儲存在濾波電容器中，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到某一設(shè)定值時（如U_d>670V），有源逆變裝置才開始工作，將多余的能量回饋電網(wǎng)。根據(jù)式（1）反算過去，逆變變壓器副邊的線電壓應(yīng)大于540V，才能實現(xiàn)電壓匹配。

——IGBT有源逆變器

雖然其主電路結(jié)構(gòu)與變頻器中的無源逆變器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。變頻器中的無源逆變器的負(fù)載是三相交流電動機，其輸出頻率、電壓、相位都可以由變頻器隨意控制；而有源逆變器的輸出接的是交流電網(wǎng)，其輸出頻率、相位和電壓取決于電網(wǎng)，所以，在IGBT有源逆變器的控制中增加了鑒頻、鑒相器和鎖相環(huán)控制。電壓則由PWM控制，比晶閘管有源逆變器容易實現(xiàn)。另外在輸出端接有交流電抗器，用來抑制過電流。

6）采用可四象限運行的變頻器，如圖11所示其控制就更復(fù)雜，投資也更高了。

圖 11 可 四 象 限 運 行 變 頻 器 主 電 路

6.3 電磁兼容性問題

這里主要講電磁干擾（EMI）問題，即變頻器對微電腦控制器，傳感（變送）器及通信設(shè)備的干擾問題。變頻器是一個很強的電磁騷擾源，變頻器中的開關(guān)器件，以及SPWM電壓波形，會對控制及通信系統(tǒng)造成很大的干擾。干擾的途徑，除了感應(yīng)、輻射之外，還包括傳導(dǎo)干擾，即通過連接導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾。在控制系統(tǒng)中，變頻器只是一個執(zhí)行機構(gòu)，它的運行頻率（速度）指令由控制器通過對油井液量等信號的控制運算后給予，變頻器就通過控制信號線，給微電腦控制器造成了很大的干擾，以致使控制器無法正常工作。因為是傳導(dǎo)性干擾，采用屏蔽線是不解決問題的，要從信號線上的共模及差模干擾入手，采用如圖12所示的共模與差模濾波器，才能解決干擾問題。

圖 12 信 號 線 抗 干 擾 措 施

6.4 閉環(huán)控制的采樣

抽油機利用變頻器調(diào)速，使之動態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷的變化，達(dá)到節(jié)電的目的，必須要加外部傳感器，否則無法實現(xiàn)閉環(huán)智能控制，只能實現(xiàn)人工定值控制。所采用的傳感器的類型，與間抽控制器大體相同，但是在要求上是有差別的。

1）流量檢測是最直觀、最準(zhǔn)確的方法，如果能實現(xiàn)小流量檢測并解決防堵問題，應(yīng)盡量采用流量傳感器。

2）光桿載荷傳感器也能用來檢測井下液量的多少，與間抽控制不同的是，閉環(huán)調(diào)速控制只要求載荷的變化趨勢，不需要標(biāo)定空抽設(shè)定值。光桿的平均載荷大，說明井下液量少，應(yīng)減速運行，反之則可加速運行。

3）電流控制不可取，因為這里除了配重的影響外，當(dāng)電機調(diào)速時，電流也是隨著變化的，因此不能將電流信號用作控制依據(jù)。

6.5 可靠性和環(huán)境適應(yīng)性問題

由于抽油機都在環(huán)境惡劣的野外工作，并且很多油井是無人值守的，所以，對變頻器的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力提出了很高的要求。一方面要選用可靠性指標(biāo)高的變頻器品牌，同時也要給變頻器在野外惡劣環(huán)境下工作創(chuàng)造必要的條件。如設(shè)計防護等級高的雙層密閉隔墊（保溫）控制柜，柜內(nèi)設(shè)計強迫風(fēng)冷系統(tǒng)，可以將柜內(nèi)的熱量排出，并在柜底設(shè)計有冷空氣入口，使之適合在夏季沙漠高溫環(huán)境中使用。如有條件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免陽光直接照射及雨淋。

7 結(jié)語

1）抽油機在油田的使用量大，而負(fù)載率普遍偏低，功率因數(shù)則更低，電能的無謂浪費嚴(yán)重，節(jié)能降耗潛力巨大。

2）間抽控制器在低產(chǎn)油井上節(jié)能效果明顯，同時因為其投資少，體積小，便于安裝，因此推廣應(yīng)用的經(jīng)濟性很好。

3）對于負(fù)載率在30％以下的油井，采用Y/△轉(zhuǎn)換控制的節(jié)能效果明顯，且控制簡單，投資省，具有推廣價值。

4）晶閘管軟起動及調(diào)壓節(jié)能，節(jié)省的只是電動機自身損耗的一部分，節(jié)能效益與其投資不成比例，而其產(chǎn)生的大量諧波，對電網(wǎng)及電機均有影響，因此不宜推廣。

5）高轉(zhuǎn)差率多極電機拖動系統(tǒng)，節(jié)能效果明顯，且能適應(yīng)油井調(diào)參要求，軟的機械特性對延長抽油機壽命有利，是很受油田歡迎的電氣拖動裝置。

6）變頻調(diào)速系統(tǒng)，使抽油機動態(tài)適應(yīng)油井負(fù)荷變化，也可方便地進(jìn)行調(diào)參。配以流量、載荷等傳感器，可實現(xiàn)最經(jīng)濟的控制。同時其軟起動性能好，對延長抽油機壽命，減少維護費用有利。節(jié)能效果最好，能耗基本上與轉(zhuǎn)速成正比，只要降速，肯定節(jié)能。是抽油機節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其價格將進(jìn)一步降低，而性能將進(jìn)一步提高。

7）抽油機節(jié)能電控裝置的發(fā)展方向是節(jié)能效果好，能與油井負(fù)荷相匹配，并有完善的保護功能；有數(shù)據(jù)采集和存儲功能，聯(lián)網(wǎng)和通信功能，以及遙控遙測功能；并能適應(yīng)油田的環(huán)境要求，操作簡單，智能化程度高。（完）