抽油机节能电控装置综述（2）

如图2（见第3期P183）所示，游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构特点像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作完全一致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。

据笔者对某油田18口井的调查，只有1～2口井的配重平衡较好，绝大部分抽油机的配重严重不平衡，其中有10口井的配重偏小，另有6口井配重又偏大，从而造成过大的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍，甚至超过额定电流的3倍！不仅浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时，也给采用变频器调速控制造成很大的困难，一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护，不能正常工作。

通过对抽油机曲柄配重块的调整，可以使冲击电流降到电机额定电流之内，冲击电流与正常工作电流之比在1.5倍以内。这样，选用与电机额定功率同容量的变频器，甚至略小于电机额定功率的变频器（要视抽油机电动机的负载率而定）都可以长期稳定运行。

由于抽油机的起动扭矩往往很大，惯性也很大，所以要将变频器的加减速时间设置得足够长，一般为30～50s，才不致在起动时引起过载保护。

6.2 再生能量的处理问题

由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交—直—交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，称作“泵升电压”。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以，变频器都设置了“OUD”保护——直流母线电压高保护停机功能。
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    1）一种办法是增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给电动机作功。这种方法对节能有利，但是电容器的储能作用是有限的；譬如，某抽油机电动机的平均功率以10kW计算，回馈功率以25％计算为2.5kW，在一个冲程中发电状态为2～3s的话，则回馈能量Ad=6000J。若采用15kW的变频器，其直流母线滤波电容的容量为2200μF，正常工作时直流母线电压小于600V（Us），“OUD”保护电压（Usm）为800V，那么As=CUsm2－CUs2=×2200×10－6×(640000－360000)=308J，比起6000J的回馈能量来说小得多了。即使再增加10000μF的滤波电容，也只能储能1400J，因此，在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠滤波电容器来限制泵升电压。

2）第二种办法是采用“放”的办法，可以采用由分流电阻器Rp和开关管S11组成的泵升电压限制电路，如图8所示。

也就是将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利。尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。

3）对于地处北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结蜡，而对井口回油管进行电加热，如采用中频加热装置。这时也可将变频器与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，这样可将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，同时又防止了直流母线电压的泵升。

4）对于同一井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案，即若干台抽油机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台变频器的回馈能量作为其他变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。如图9所示。

5）对于更大功率的系统，为了回馈再生能量，提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网，当然这样一来，系统就更复杂，投资也就更高了。所谓的能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管（SCR）有源逆变器及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变器两种，它们又各有其特点和要求。

——晶闸管有源逆变器

如图10所示，三相桥式可控变流电路用作有源逆变装置，使电网吸收再生电功率。为了使有源逆变电路正常工作，并防止过电流，应满足Um>Ud，其中Ud为变频器正常工作时的直流母线电压，Um为再生直流电压，而Um可通过超前角β（β=π－α）来进行调节。由于

Um=－2.34U2cosβ（或=－1.35U21cosβ）    （1）

若有源逆变器交流侧直接接到380V交流电源，且取最小超前角β=π/6，则Ummax为440V左右，而变频器直流母线电压正常工作时在510V左右，则Ud>Um。而我们要求的是，当再生能量较小时，有源逆变装置不工作，让能量储存在滤波电容器中，当直流母线电压达到某一设定值时（如Ud>670V），有源逆变装置才开始工作，将多余的能量回馈电网。根据式（1）反算过去，逆变变压器副边的线电压应大于540V，才能实现电压匹配。
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