变频器在抽油机上的应用

油田采油机械广泛应用抽油机（俗称磕头机），一般情况下其工作过程不可控，能量消耗十分巨大。如果采用边控制，则在调速、增产和节能方面，均可达到较好效果。
一、抽油机的工作原理
如图1所示，有杆抽油机系统包括电机（或内燃机）、抽油机、抽油杆、油管、深井泵等。抽油机为偏心连杆机构，将电机的旋转运动转化为抽油杆的垂直直线运动，抽油杆带动深井泵，在下行时靠油层压力向泵内渗油，上行时将油提升，如此往复运动，使石油在一定的动压力下被抽到地面以上，送往储油管。
抽油机动力配重杆每旋转一周，抽油杆完成一个上冲程和一个下冲程；抽油机动力配重杆每分钟旋转的圈数即为冲次，如冲次为2.6即意为抽油机动力配重杆每分钟旋转2.6圈。一般地，在工频电机拖动下，抽油机及抽油杆理论上是匀速运动，按照电机的转速和传动比很容易计算出抽油机系统的冲次，并结合传动轮直径和连杆尺寸可方便地计算出上下冲程。
根据抽油机的抽油原理和地下液体运动规律，抽油杆下行（下冲程）应较快，这样做可减少下行时间油泵泄漏；上行（上冲程）速度较慢，则可以增加渗油量从而提高产量，并且显着节省电能。这正是赫尔克开发抽油机增产节能系统的理论依据。


二、抽油机变频控制系统
针对抽油机实际工况和油田对增产和节能的迫切要求，赫尔克设计开发了专门用于抽油机的“抽油机增产节能系统”。本系统包括赫尔克变频器、显示控制逻辑单元、泄放装置、工频/变频切换装置等。系统框图如图2所示。显示控制单元的主要功能是显示冲程、冲次数据、故障类型、运行频率或转速以及输入电压电流等内容，并且可手动设定冲程、冲次参数，进行起停操作、控制模式操作、复位操作、速度微调操作等，整个系统还具有参数自适应调节和自动跟踪调试功能，操作使用十分方便快捷。操作面板示意图如图3所示。
其中，电压表和电流表分别动态指示变频器的输入电压和输入电流，用于直观表示变频器的输入功率。两个电表之间为温度控制器，用来监测柜内温度，从而控制加热管的工作。面板的下方有两个三位主令开关，左边一个（即工作模式开关）分别控制“工频运行”、“变频运行”和“停止”三种工作模式；右边一个（即调节模式开关）分别控制“自动调试运行”、“手动调试运行”和“段速度控制”三种调节模式。右下方为参数设定和显示区域，用于系统控制参数（上下冲程、冲次、保护时间等）的设定和显示。中间部分为状态指示及软操作。一般的，接线正确、投入使用后，工作模式开关处于“变频”位置，调节模式开关则根据需要，可选择“自动”、“手动”或“三段速”。


若变频器发生故障或由于其他原因而需要工频控制时，可使工作模式开关处于“工频”位置。此时，变频器不工作，系统的“冲程”、“冲次”不受操作面板控制，而由传动机构的传动比决定。当工作模式开关处于“变频”位置时，系统带电，此时可手动设定“上/下冲程”、“冲次”等参数，亦可选择“自动”方式，使系统自动跟踪调试，自行选择适当的参数。如果手动设定或自动跟踪的参数不很符合实际需要，则可进行微调。参数调节完毕，按“启动”按钮，系统开始正常工作；按“停止”按钮，系统停止运行。若变频器发生保护（如，过流、过压、过载、欠压、缺相等）时，赫尔克变频器的键盘控制器上会显示相应的故障代码，若故障消除，按“变频复位”按钮，可使变频器复位。


显示控制装置还包括了两个（或一个）位置传感器，用于检测动力配重杆到达最低点（和最高点）的时间，从而计算上下冲程。
泄放装置是本系统中很重要的保护单元。在系统正常工作过程，抽油杆下行时，由于重力作用，电动机处于发电状态，致使变频器母线直流电压升高，可能对变频器和电机的正常运行造成影响，甚至损坏变频器或电动机。泄放装置的作用就是将这部分再生能量消耗掉，从而保护变频器和电机。泄放装置包括泄放单元和泄放电阻两部分。泄放单元挂接在变频器的直流端，动态监测直流母线电压，当其超过阈值电压时，启动泄放主回路，使直流端电压加在泄放电阻上。当电压降低到阈值以下时，停止泄放。事实上，泄放掉的能量不可能超过再生能量，所以，此处采用能耗泄放并不影响节能。
工频变频切换装置是工频辅助运行的执行单元，它可接受手动控制指令，也可接受变频器发出的自动切换指令。这部分包含了继电器逻辑、大容量接触器阵列以及“Y”—“△”转换等，是系统必不可少的组成部分。
此处所用变频器在功能上没有特别要求，但在性能上和可靠性等方面具有较高要求，例如防潮、防腐、耐高温和耐低温等。这些，我们在实际操作中都采取了可靠措施。