油田作為一個特殊行業(yè)，有其獨特的背景，油田中變頻器的應(yīng)用主要集中在：游梁式抽油機控制（俗稱“磕頭機”）、電潛泵控制、注水井控制和油氣集輸控制等幾個場合。本文主要介紹臺億變頻器在游梁式抽油機上的應(yīng)用。
一、 磕頭機的工作原理
圖1 游梁式抽油機實物圖
目前，在油田抽油設(shè)備中，以游梁式磕頭抽油機應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多，但是，傳統(tǒng)的磕頭機普遍存在著啟動沖擊大，運行耗電多，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、燒電機等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，對電動機沒有可靠的保護功能，設(shè)備維修量大，為此，急需對現(xiàn)有的抽油機設(shè)備進行改造。
當(dāng)磕頭機工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機未進行平衡的條件 下，電動機就要付出很大的能量。在下沖程時，抽油機桿柱轉(zhuǎn)而對電動機做功，使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)。抽油機未進行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均 勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機的四連桿機構(gòu)、減速箱和電動機的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點，一般在抽油機的游梁 尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來，在懸點下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽 油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動機付出部分能量。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了 電動機在上沖程時所需給出的能量。目前使用較多的游梁式抽油機，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機的一個工作循環(huán)中，有兩個電動機運行狀態(tài)和兩 個發(fā)電機運行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時，其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。
游梁式抽油機的變頻改造主要有以下3個方面
(1) 大大提高了功率因數(shù)（可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上），大大減小了供電電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的“增容”開支.這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過程對電網(wǎng)的影響。在前期井中，由于剛開采，儲油量大，使用變頻器運行至 65HZ，頻率提高了1/3，相應(yīng)地電機轉(zhuǎn)速提高了30%，其采用油量也相應(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。
(2) 以節(jié)能為第一目標(biāo)的變頻改造。這點較普遍，一方面，油田抽油機為克服大的起動轉(zhuǎn)矩，采用的電動機遠遠大于實際所需功率，工作時電動機利用率一般為 20%～30%，最高不會超過50%，電動機常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的連續(xù)變化，取決于地底下的狀態(tài)，若始終處于工頻運行，也會造成電能浪費。為了節(jié)能，提高電動機工作效率，需進行變頻改造。在中、后期井中，由于井儲量減少，電機若仍工頻行，勢必浪費電能，造成不必要的損耗，因而我們采用降低轉(zhuǎn)速的方式，減少沖程，一般將變頻器的頻率運行至35-40HZ之間，這樣電機轉(zhuǎn)速下降了30%，加之采油設(shè)備一般負(fù)荷較輕，節(jié)電率可達25%左右，而且提高了功率因數(shù)，減少了無功損耗。
(3) 變頻器具有軟啟/軟停功能，在電機啟動時，減少了對抽油桿的機械沖擊，對稠油、結(jié)蠟、沙卡、等都能效地進行保護停機，以保護電機及機械設(shè)備，減少維修量，防止斷桿，變頻器對過壓、欠壓，過載、短路及電機失速都能可靠地保護，對延長電機的壽命，減少機械設(shè)備的磨損等，都具有很好的作用。
由于實現(xiàn)了真正的“軟起動”，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。以提高電網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)能為目的的變頻改造。這種情況綜合了上面兩種改造的優(yōu)點，是應(yīng)用中的一個重要發(fā)展方向。
三、 抽油機的技術(shù)發(fā)展
第一代：最先的抽油機主馬達主要是采用三相異步電機啟動，三相異步電動機啟動運行缺點就是沒有調(diào)速功能，只能保持一個恒速，嚴(yán)重影響產(chǎn)油量。這種不帶保護的抽油機電機控制方式已經(jīng)退出了歷史舞臺。
第二代：由于直流電動機的面世，也加快了直流電機在抽油機上的應(yīng)用，從而替代了異步電機的使用。采用直流調(diào)速的方法明顯的優(yōu)勝三相異步電機，產(chǎn)油量也高了許多；但直流電動機成本比較高，其調(diào)速性能也不是很理想。
第三代：采用變級電機調(diào)速，就是改變電機極對數(shù)來達到調(diào)速的目的，常采用4／8／32極多速電機實現(xiàn)。但其裝置比較復(fù)雜，占用空間也比較大，設(shè)備壽命短，穩(wěn)定性不太好。
第四代：變頻調(diào)速技術(shù)，由于變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品效益質(zhì)量的有效措施，油田中變頻器應(yīng)用在游梁式抽油機已經(jīng)非常廣泛。由于油井的類型和工況千 差萬別，井下滲油和滲水量每時每刻都在變．抽油機的負(fù)載變化是無規(guī)律的，故采用變頻調(diào)速技術(shù)，使抽油機的運動規(guī)律適應(yīng)油井的變化工況，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)效率的 提高，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。下面鐘對變頻器在油田嗑頭機中的應(yīng)用，例出幾個應(yīng)用方案做簡要論述。
五、 總結(jié)
總之，變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到石油行業(yè)的各個技術(shù)部門。