摘 要 ：時(shí)光科技有限公司利用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流異步伺服控制器研發(fā)了油田抽油機(jī)專用調(diào)速、節(jié)能伺服控制裝置，在國(guó)內(nèi)一些油田試用，并經(jīng)過(guò)用戶的性能及節(jié)能測(cè)試。證明該控制裝置能夠大范圍穩(wěn)定調(diào)速并具有顯著的節(jié)電效果，完全滿足用戶操作要求和節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的需求。 
 
英文摘 要 ：The special servo controlling device with timing and energy-saving in the pumping unit is developed by Time High-Tech Co., Ltd. (THT), this device is made use of AC asynchronous servo controller, which is 

held the complete independent inbbblectual property by THT. The special device is used 

experimentally on some oilfields, and tested by the perbbbbance and energy saving. As the

 result, it is shown that this controlling device could make the timing stable over a large 

area, and save energy remarkably; in addition, it may also enough to satisfy the 

requirement of acting demand, energy-saving and cost-cutting. 
 
關(guān)鍵詞： 交流伺服控制   油田抽油機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用   調(diào)速和節(jié)約電能 
  
    
1  引言
    隨著微電子、電力電子技術(shù)的發(fā)展，高性能大功率半導(dǎo)體模塊等產(chǎn)品制造工藝水平及性價(jià)比的提高，IC芯片功能的日益強(qiáng)大，伺服控制系統(tǒng)的功能及技術(shù)也在不斷的完善和提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣闊。

    時(shí)光科技有限公司以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)研制的交流異步電機(jī)伺服控制器具有全方位的伺服控制功能。其控制對(duì)象是三相交流異步電機(jī)，使異步電機(jī)的控制精度達(dá)到同步伺服電機(jī)的水平。時(shí)光交流伺服控制器調(diào)速范圍廣，定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩大，軟件功能完善。三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，免維護(hù)及使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)使得交流異步伺服系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，成為未來(lái)伺服控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

    近年來(lái)我國(guó)用電情況緊張，而作為用電大戶的油田，其用電量一直居高不下。抽油機(jī)是油田使用最多的采油設(shè)備，目前我國(guó)各油田在用的抽油機(jī)有10萬(wàn)臺(tái)以上，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量一般都在30kW以上，照這樣計(jì)算，總裝機(jī)容量在300萬(wàn)kW以上，是油田耗電量最大的設(shè)備群。

2  抽油機(jī)的調(diào)速和節(jié)能
    由于油井的井深、油質(zhì)、粘稠度、含沙量、含水量等各不相同，抽油機(jī)的工況，沖次、沖程、電機(jī)功率也各不相同。抽油機(jī)產(chǎn)品的沖次設(shè)定一般在6~8次/min，而實(shí)際油井的沖次范圍要求在1~12次/min。根據(jù)井況的變化需要調(diào)整抽油機(jī)的沖次，目前油田采用的辦法有幾種:

(1) 更換傳動(dòng)皮帶輪。
此辦法的缺點(diǎn)是需要停機(jī)更換，耗費(fèi)時(shí)間，影響產(chǎn)量。在較低沖次的情況下，由于主動(dòng)帶輪過(guò)小而無(wú)法實(shí)現(xiàn)或效率降低，有的油田采用增加一級(jí)皮帶傳動(dòng)的方法，增加了機(jī)械成本，效果也不好。

(2) 采用變極二(三)速電機(jī)，通過(guò)改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)調(diào)整轉(zhuǎn)速。
此辦法的缺點(diǎn)是電機(jī)的變速是階躍式的,沖擊很大,且只有二或三個(gè)固定速度,無(wú)法達(dá)到需求的速度,也無(wú)法低速運(yùn)行。

(3) 采用電磁調(diào)速電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速。
此辦法的缺點(diǎn)是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)耗能與工頻運(yùn)行時(shí)相同，效率低，易發(fā)熱。電磁調(diào)速電機(jī)不適用于室外環(huán)境，易損壞。

(4) 使用變頻器控制電機(jī)調(diào)速。
     此辦法的缺點(diǎn)是由于變頻器自身的弱點(diǎn)，在低頻時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩有所下降，低速負(fù)載特性差。
抽油機(jī)提高效率、節(jié)約電能的途徑，除了在本身機(jī)械結(jié)構(gòu)上做文章以外，就是對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求:能夠大范圍穩(wěn)定調(diào)速、有顯著的節(jié)電效果。時(shí)光科技有限公司使用自己生產(chǎn)的交流異步伺服控制器制造了油田抽油機(jī)專用調(diào)速、節(jié)能伺服控制柜，在中原、勝利油田使用，并經(jīng)過(guò)了測(cè)試。該控制柜克服了上面幾種調(diào)速方法的缺點(diǎn)，達(dá)到了良好、簡(jiǎn)便的調(diào)速要求，節(jié)電效果也十分明顯。附圖所示為時(shí)光科技的交流伺服控制柜和普通異步電機(jī)在油田抽油機(jī)的應(yīng)用的實(shí)際外形圖。

3  抽油機(jī)電機(jī)采用伺服控制的優(yōu)勢(shì)
3.1 調(diào)速范圍大
    大范圍的控制速度是伺服控制的基本功能之一，油田抽油機(jī)的交流異步電機(jī)采用伺服控制，可以準(zhǔn)確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整抽油機(jī)沖次的目的。時(shí)光交流伺服控制器在零至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，有三倍額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力，因此在很低的輸出頻率下，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，足以滿足了抽油機(jī)的負(fù)載要求。

3.2 低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性
    時(shí)光交流伺服控制器具有低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性，在抽油機(jī)電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，控制器可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到設(shè)定值，電流平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)。在負(fù)荷較輕的油井，在伺服軟啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)試，確認(rèn)完全可以用較小功率的電機(jī)取代原有的電機(jī)，達(dá)到進(jìn)一步的節(jié)能。

3.3 可對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式
    在抽油機(jī)一個(gè)抽油沖次中，由于平衡塊和位能負(fù)載的影響，電機(jī)兩次處于發(fā)電狀態(tài)。電機(jī)電流的變化說(shuō)明其負(fù)載轉(zhuǎn)矩在抽油作功和位能負(fù)載之間的急劇變化。根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律的分析，利用時(shí)光交流伺服控制器具有的內(nèi)部PLC功能，編制了抽油機(jī)的運(yùn)行程序，對(duì)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，伺服控制器可對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，以達(dá)到節(jié)電的目的。由于速度與轉(zhuǎn)矩可解耦，分別控制，伺服控制器對(duì)于抽油的沖程采取了下慢上快的速度控制，提高了出油量。

3.4 采用交-直-交變頻主電路
    時(shí)光交流伺服控制器采用交-直-交變頻調(diào)速的主電路，直流側(cè)并有大容量電容，從而大大提高了電機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)，減小了無(wú)功電流，又節(jié)省一部分電力開(kāi)支。

3.5 在低沖次、需要調(diào)速的抽油機(jī)上使用伺服控制有三個(gè)優(yōu)勢(shì)
(1) 與更換皮帶輪和改變電機(jī)極對(duì)數(shù)相比, 調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，調(diào)速連續(xù)、平滑、無(wú)沖擊。
(2) 與變頻器控制電機(jī)相比，調(diào)速范圍寬，低速轉(zhuǎn)矩性能好，負(fù)載能力大。
(3) 與電磁調(diào)速電機(jī)比, 伺服控制普通異步電機(jī)節(jié)電效果明顯。根據(jù)公式, 轉(zhuǎn)矩T保持不變, 當(dāng)轉(zhuǎn)速n減小時(shí), 輸出功率P也相應(yīng)減小。電機(jī)轉(zhuǎn)速越低, 消耗電力越少。而電磁調(diào)速電機(jī)不論轉(zhuǎn)速是多少, 功率P基本不變。

4  應(yīng)用實(shí)例
4.1 實(shí)驗(yàn)一
地點(diǎn):Z油田2-102井
測(cè)試日期:2003.3.29
使用電機(jī):6極 37kW普通異步電機(jī)
抽油機(jī)沖次:5次/min
測(cè)試時(shí)間:10min。

4.2  實(shí)驗(yàn)二
地點(diǎn):S油田35-4206井
測(cè)試日期:2004.1.4~1.12
使用電機(jī):6極 30kW普通異步電機(jī)
抽油機(jī)沖次:7次/min
測(cè)試時(shí)間:工頻和時(shí)光伺服控制輪換運(yùn)行，各24小時(shí)，共8天。

4.3 實(shí)驗(yàn)三
地點(diǎn):S油田24-14井
測(cè)試日期:2004.7.21
使用電機(jī):8極 30kW電磁調(diào)速電機(jī)
  6極 30kW普通異步電機(jī)
抽油機(jī)沖次:2.5次/min
測(cè)試時(shí)間:40小時(shí)

4.4 實(shí)驗(yàn)四
地點(diǎn):S油田28-7井
測(cè)試日期:2004.7.22
使用電機(jī):8極 30kW電磁調(diào)速電機(jī)
  6極 30kW普通異步電機(jī)
抽油機(jī)沖次:1.3次/min
測(cè)試時(shí)間:24小時(shí)

5  結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)實(shí)踐和理論分析，可以得出以下結(jié)論:
(1) 伺服控制器應(yīng)用在油田抽油機(jī)可以達(dá)到節(jié)電的效果。根據(jù)油井井況的不同，工頻運(yùn)行的節(jié)電率為10%~20%(包括無(wú)功功率部分)。變頻器的節(jié)電效果不會(huì)高于伺服控制。見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二。
(2) 對(duì)于要求調(diào)速的抽油機(jī)，伺服控制器具有輸出低速大扭矩的功能，調(diào)速簡(jiǎn)便，可以完全滿足抽油機(jī)調(diào)速的要求。在幾種調(diào)速方法中最具有優(yōu)勢(shì)的一種。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四中均進(jìn)行了8極電磁調(diào)速電機(jī)和6極普通異步電機(jī)的測(cè)試，結(jié)論是一致的。
(3) 在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的條件下, 實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)低沖次調(diào)速運(yùn)行, 伺服控制的節(jié)電效果明顯。與電磁調(diào)速電機(jī)相比，節(jié)電率隨轉(zhuǎn)速降低而增加, 遠(yuǎn)大于20%。見(jiàn)實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四。

參考文獻(xiàn)
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