工业电子中的VACON抽油机专用变频节能驱动解决方案
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2020-10-22
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工业电子中的工业电子中的VACON抽油机专用变频节能驱动解决方案抽油机专用变频节能驱动解决方案
变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实
例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应
用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变
频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机
的软起动、
变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。
（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技
术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影
响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源
变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过
载保护等功能。国内技术较领先的品牌有英威腾、汇川、三 晶、紫日电气科技有限公司、雷诺尔、欧瑞（原烟台惠丰）、蓝
海华腾。
1 抽油机使用变频驱动的节能原理抽油机使用变频驱动的节能原理
首先，需要明确抽油机的负载特性：恒速运行；由于有配重，因此是变转矩、变功率负载。目前国内油田普遍采用的传统
式抽油机系统存在如下特性：运行时间长、“大马拉小车”、效率低下、耗能大、冲程和冲次调节不方便，因此抽油机有必要使
用变频器以实现节能、增产的目的。任何平衡良好的抽油机都有发电状态，但是如果变频器运行时，仍采用恒速度运行方式，
并保持工频时的抽油次数，即变频器一直输出50Hz的工频频率，并继续保持抽油机在一个冲程中有两次发电状态，将导致变
频器因直流桥电压升高出现过电压故障，很明显的，这是不可行的。如果允许变频器变速运行的同时保持原抽油次数，发电状
态下变频器输出频率增加，将直流桥电压保持在一定范围内，此时变频器不会过压。
2 传统抽油机变频改造的难点传统抽油机变频改造的难点
随着原油生产对抽油机产量和节能要求的不断提高，国内对抽油机变频节能改造做了大量的试验，但都不太成功，主要原
因是：
1.游梁式抽油机在一个工作循环中，2.有两次发电状态运行，3.如果此时不4.采取任何有效的措施，5.将造成变频器过压
故障。传统的解决方法是采用四象限、带反馈的变频器，6.或普通变频器带能耗制动或降频使用或在直流桥上并大容量储能电
容。使用四象限、带反馈的变频器将增加系统的造价，7. 延长油田收回成本的时间；使用普通变频器带能耗制动时，8.不同9.
的油井将选用不同10.的制动电阻，11.并且随着油层的变化，12.制动电阻的大小也将随之变化，13.否则仍然会产生过压故
障，14.这将大大降低节能的效果；普通变频器降频使用时，15.很难提高抽油的效率；在变频器的直流桥上并联大电容
时，16.也需要随着油层的变化，17.改变并联电容的容量，18.否则仍会造成过压；19.游梁式抽油机的起动需要较大的起动转
矩，20.如果变频器的参数设置不。
3 VACON抽油机专用变频节能驱动解决方案抽油机专用变频节能驱动解决方案
VACON抽油机专用变频节能驱动解决方案主要基于VACON变频器的Beam Pump应用宏软件包。该应用宏由VACON标
准应用宏经过简单修改而成，是根据油田实际情况，以及梁式抽油机的机械结构，专门开发的新型智能化电气油田抽油机控制
方式，它能自主判断抽油机运行的上下冲程，根据油井的实际情况，实时调节上下冲程的速度，从而在实际抽油时，不更改每
分钟的抽油次数，但增加每次抽油时的采油量，提高抽油机的产量。Vacon变频节能方案通过调整变频器内部的频率参考值，
保证抽油时间（SPM）恒定。控制的原理是：对正常工作给出合适的电流限制，在电动状态下，电机实际速度低于参考值；
在发电状态下，允许电机速度高于参考值，从而保持平均的恒定抽油时间。当使用平衡负载应用时对上下冲程使用两种不同的
参考频率值。该方案的优点在于：高效节能，增产控制器内无任何的制动电阻，当抽油机处于发电运行状态时，变频器自动提
高电机的运行速度，并储存发电运行产生的能量，与传统设计方案相比，减少了不必要的能量损失。运行安全，性能可靠。人
机界面友好，安装方便，操作简单。
上述方案适用于目前常见的游梁平衡式、曲柄平衡式和复合平衡式三种传统的抽油机。实际应用中，当输入必须的抽油机
参数后，控制器将对抽油机进行静态建模，并根据抽油机的实际运行情况，实时修改抽油机的数学模型，以达到增产节能的目
的。
4 应用案例应用案例
基于Beam Pumper应用宏的VACON抽油机专用变频节能驱动解决方案已经在辽河油田，新疆油田，大庆油田，胜利油田
等大规模投入使用。在此仅以辽河油田洼3737井、海C9-17井为例，其应用示意图如下图所示。为使变频器故障时不耽误生
产，可加工工频旁路。变频器运行时，C3和C1、 C2联锁，不会发生同时合闸的情况，即在正常运行状态下，开关C1和C2全
部合闸，C3断开；变频器故障时C1和C2断开，C3合闸。
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