雷諾爾RNB2000-U變頻器在懸梁式抽油機上的應用

摘要：傳統的懸梁式抽油機采用恒速運行加裝制動單元或能量回饋的方案，能耗和成本方面存在很大的弊端。本文介紹了以雷諾爾RNB2000-U系列變頻器為核心的電控系統在油田抽油機上的應用，提出了能量和功率雙閉環控制的全新方案，效率更高，成本更低。

    關鍵詞：RNB2000-U   變頻器   懸梁式抽油機   雙閉環

一、引言
     我國的油田絕大部分為低能、低產油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油要靠注水來壓油入井，靠抽油機(磕頭機)把油從地層中提升上來。在我國，以水換油、以電換油是目前油田的現實，耗電費用在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業十分重視節約電能，節省電耗就是直接降低石油的開采成本。 

抽油機節能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：

(1) 提高功率因數：輸入側功率因數可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上，大大減小了供電電流，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的“增容”開支。 

(2) 提高運行效率：可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量，系統效率大大提高。 

(3) 實現了真正的“軟起動”：對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率。 

但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題，下面分別加以分析。

二、懸梁式抽油機現狀介紹

2.1 懸梁式抽油機機械機構介紹

游梁式抽油機主要是由四大部分組成的：

(1)游梁部分：驢頭、游梁、橫梁、尾梁、連桿、平衡塊(復合平衡抽油機)

(2)支架部分：橫梁軸承座、工作梯、護圈、操作臺、支架

(3)減速器部分：底座、減速器筒座、減速器、曲柄、配重塊、剎車等部件

(4)配電部分：電機座、電機、配電箱等

2.2 懸梁式變頻改造現狀介紹

就實際的變頻改造情況來看，絕大部分抽油機的配重實際上是嚴重不平衡的，從而造成過大的沖擊電流，不僅無謂浪費掉大量的電能，而且嚴重威脅到設備的安全。同時也給采用變頻器調速控制造成很大的困難：一般變頻器的容量是按電動機的額定功率來選配的，過大的沖擊電流會引起變頻器的過載保護，不能正常工作。 

此外，在油井開采前期儲油量大，儲油量大，供液足，為提高才有效率可采用固定頻率運行，保證較高的產油量。但是在中、后期，由于石油儲油量減少，易造成供液不足，電機若仍然工作在當前頻率狀態勢必浪費電能造成不必要的損耗，這時需要考慮實際工作情況，適當降低電機轉速減少沖程有效提高充盈率。

三、傳統的變頻解決方案介紹

變頻技術引入到游梁式抽油機控制中去是大勢所趨。變頻調速屬于無極調速，根據電動機工作電流的大小確定電動機的工作頻率，這樣可以根據井況的變化，方便的調節抽油機的沖程，達到節能和提高電網功率因數的目的。而矢量變頻控制技術的應用可保證低速大轉矩輸出，轉速可以平滑地大范圍調節。同時，變頻器對電動機保護功能齊全，如短路、過載、過壓、欠壓及失速等，可有效地保護電機及機械設備，保證設備在安全的電壓下工作，具有運行平穩、可靠，提高功率因數等諸多優點，是采油設備改造的理想方案。目前主流的解決方案有以下幾種：

方案1：變頻器加能耗制動單元

這種方式比較簡單，但運行效率低。這主要是因為恒速運行時下沖程狀態下電機發電能量回饋導致的。在使用普通變頻器時，普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動單元的原因，也直接導致了能耗較大，整體效率偏低。

缺點：能效偏低，且需加裝制動單元和制動電阻。

方案2：變頻器加回饋單元控制

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。這樣一來，系統就更復雜，投資也更高了。所謂能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。加裝能量回饋單元的變頻器，用戶可根據油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產液量，降耗節能，提高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節能低成本，實現在最大節能狀態下的自動化運行。但由于變頻器和回饋裝置的工作模式，使用能量回饋的方案對于電源端諧波污染很大，電網質量下降明顯。

缺點：需要加裝回饋裝置，成本較高，且對電網污染很大。

四、雷諾爾RNB2000-U系列變頻解決方案介紹

鑒于傳統的變頻改造方案的種種弊端，上海雷諾爾科技股份有限公司通過對懸梁式抽油機工藝的深入探究，采用基于懸梁式抽油機控制工藝的專用軟件邏輯，采用能量與功率的雙閉環控制，實現對輸出頻率的連續平滑調整，實現消除負轉矩控制，來避免電機動能的回饋、避免母線電壓過高。進而達到省去制動單元、省去能量回饋裝置的目的，避免了傳統變頻改造方案的種種弊端。

本方案的核心控制思想是恒輸出功率控制，變頻器基于輸出功率環恒定的PID控制模式，通過調整輸出頻率來實現恒輸出功率控制，可以在滿足沖次的前提下，有效降低平均輸出功率，實現有效節能，以及保護抽油機機構裝置。也就是說，變頻器不需要設定特定的運行頻率，實際輸出頻率通過PID閉環自動調節。下沖程時，由于負載由于慣量較大，同步轉速低于電機轉速時電機發電，變頻器輸出轉矩為負，此時變頻器自動提高輸出頻率消除負轉矩避免電機處于發電狀態。上沖程時，位能完全轉換成動能，此時轉速最高，慣量最大，電機減速進行上沖程動作，當轉速較低時，變頻器工作于恒輸出功率的PID調節模式，此時變頻器自動提高上沖程轉速，完成上沖程動作。

通過整個控制過程可知，電機一直沒有處于發電狀態，因此無需加裝制動單元和RBU回饋裝置。同時，整個沖程過程中，下沖程慢，可以浸入更多的油；上沖程快，減少漏油量：大大提高了產油量。

優點：無需加裝能量消耗或回饋裝置，成本更低；且優化了采油工藝，整機效率大幅提高；變頻器母線電壓穩定，整機熱耗低，整機穩定性更好。

關鍵參數設置如下：

五、雷諾爾RNB2000-U系列變頻介紹

上海雷諾爾科技股份有限公司以RNB2000-U變頻器DSP控制系統為平臺，采用國內技術領先的無PG矢量控制技術，并配合多種保護方式，可應用于異步電機，提供優異的驅動性能。產品在風道設計，硬件配置，軟件功能方面都極大的提升了客戶易用性及環境適應性。

技術特點：
◆行業專用：基于游梁式抽油機控制工藝的軟件邏輯，真正做到行業專用，方案領先。

◆高可靠性選型：關鍵器件均采用國內外知名品牌，元器件穩定性可靠有保障。

◆大冗余設計：通過嚴格計算與實驗驗證，關鍵元器件采用大裕量設計，以保證整機在油田惡劣環境下的長期穩定性。

◆優化的矢量控制：國內技術領先的無速度反饋矢量控制，低頻扭矩大，轉矩響應快。
◆軟件限流限壓功能：良好的電壓、電流限制，有效進行關鍵控制參數限幅以降低變頻器的故障風險。

       ◆環境適應性強：較高的整機過溫點，獨立的風道設計，加厚三防漆處理，更適合長期運行在油田戶外場合。

       ◆轉速追蹤再起動功能：實現對旋轉中的電機的無沖擊平滑起動
◆自動電壓調整功能：當電網電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒

◆全面的故障保護：過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護功能

六、結束語

游梁式抽油機傳統的變頻應用模式因為種種弊端的存在，變頻改造控制方案持續改進在所難免。上海雷諾爾科技股份有限公司以其獨創性的控制方案必將引領行業方案的變革。同時，RNB2000-U系列變頻器可靠的軟硬件穩定性也注定了其必將為客戶提供極具性價比的用戶體驗。