全数字化交流异步伺服系统在油田抽油机上的应用
日期：2008-9-8 21:09:02 来源：中国自动化网
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摘 要 ：时光科技有限公司利用具有完全自主知识产权的交流异步伺服控制器研发了油田抽油机专用调速、节能伺服控制装置，在国内一些油田试用，并经过用户的性能及节能测试。证明该控制装置能够大范围稳定调速并具有显著的节电效果，完全满足用户操作要求和节约能源、降低生产成本的需求。
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 intellectual property by THT. The special device is used experimentally on some oilfields, and tested by the performance 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.
关键词： 交流伺服控制 油田抽油机低速大转矩应用 调速和节约电能
1 引言
随着微电子、电力电子技术的发展，高性能大功率半导体模块等产品制造工艺水平及性价比的提高，IC芯片功能的日益强大，伺服控制系统的功能及技术也在不断的完善和提高，其应用领域也越来越广阔。
时光科技有限公司以自主知识产权研制的交流异步电机伺服控制器具有全方位的伺服控制功能。其控制对象是三相交流异步电机，使异步电机的控制精度达到同步伺服电机的水平。时光交流伺服控制器调速范围广，定位精度高，低速转矩大，软件功能完善。三相交流异步电动机结构简单，价格低廉，运行可靠，免维护及使用寿命长的优点使得交流异步伺服系统具有良好的发展前景，成为未来伺服控制技术发展的主要方向之一。
近年来我国用电情况紧张，而作为用电大户的油田，其用电量一直居高不下。抽油机是油田使用最多的采油设备，目前我国各油田在用的抽油机有10万台以上，每台电动机容量一般都在30kW以上，照这样计算，总装机容量在300万kW以上，是油田耗电量最大的设备群。
2 抽油机的调速和节能
由于油井的井深、油质、粘稠度、含沙量、含水量等各不相同，抽油机的工况，冲次、冲程、电机功率也各不相同。抽油机产品的冲次设定一般在6~8次/min，而实际油井的冲次范围要求在1~12次/min。根据井况的变化需要调整抽油机的冲次，目前油田采用的办法有几种:
(1) 更换传动皮带轮。
此办法的缺点是需要停机更换，耗费时间，影响产量。在较低冲次的情况下，由于主动带轮过小而无法实现或效率降低，有的油田采用增加一级皮带传动的方法，增加了机械成本，效果也不好。
(2) 采用变极二(三)速电机，通过改变电机的极对数调整转速。
此办法的缺点是电机的变速是阶跃式的,冲击很大,且只有二或三个固定速度,无法达到需求的速度,也无法低速运行。
(3) 采用电磁调速电机调整转速。
此办法的缺点是电机在低速运行时耗能与工频运行时相同，效率低，易发热。电磁调速电机不适用于室外环境，易损坏。
(4) 使用变频器控制电机调速。
此办法的缺点是由于变频器自身的弱点，在低频时输出转矩有所下降，低速负载特性差。
抽油机提高效率、节约电能的途径，除了在本身机械结构上做文章以外，就是对电机系统进行改造升级。对电机控制系统的基本要求:能够大范围稳定调速、有显著的节电效果。时光科技有限公司使用自己生产的交流异步伺服控制器制造了油田抽油机专用调速、节能伺服控制柜，在中原、胜利油田使用，并经过了测试。该控制柜克服了上面几种调速方法的缺点，达到了良好、简便的调速要求，节电效果也十分明显。附图所示为时光科技的交流伺服控制柜和普通异步电机在油田抽油机的应用的实际外形图。
3 抽油机电机采用伺服控制的优势
3.1 调速范围大
大范围的控制速度是伺服控制的基本功能之一，油田抽油机的交流异步电机采用伺服控制，可以准确地控制电机的转速，达到调整抽油机冲次的目的。时光交流伺服控制器在零至额定转速范围内具有恒转矩输出特性，有三倍额定转矩的过载能力，因此在很低的输出频率下，电机输出的转矩，足以满足了抽油机的负载要求。
3.2 低速大转矩的控制特性
时光交流伺服控制器具有低速大转矩的控制特性，在抽油机电机启动的过程中，控制器可以驱动电机输出足够的转矩，转速从0上升到设定值，电流平稳，实现真正的软启动。在负荷较轻的油井，在伺服软启动的基础上，通过测试，确认完全可以用较小功率的电机取代原有的电机，达到进一步的节能。
3.3 可对电机的输出转矩实现不同的控制方式
在抽油机一个抽油冲次中，由于平衡块和位能负载的影响，电机两次处于发电状态。电机电流的变化说明其负载转矩在抽油作功和位能负载之间的急剧变化。根据对转矩的变化规律的分析，利用时光交流伺服控制器具有的内部PLC功能，编制了抽油机的运行程序，对抽油机转矩进行监测，按转矩的变化趋势，伺服控制器可对电机输出转矩实现不同的控制方式，以达到节电的目的。由于速度与转矩可解耦，分别控制，伺服控制器对于抽油的冲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-交变频主电路
时光交流伺服控制器采用交-直-交变频调速的主电路，直流侧并有大容量电容，从而大大提高了电机系统的功率因数，减小了无功电流，又节省一部分电力开支。
3.5 在低冲次、需要调速的抽油机上使用伺服控制有三个优势
(1) 与更换皮带轮和改变电机极对数相比, 调速方法简单、方便，调速连续、平滑、无冲击。
(2) 与变频器控制电机相比，调速范围宽，低速转矩性能好，负载能力大。
(3) 与电磁调速电机比, 伺服控制普通异步电机节电效果明显。根据公式, 转矩T保持不变, 当转速n减小时, 输出功率P也相应减小。电机转速越低, 消耗电力越少。而电磁调速电机不论转速是多少, 功率P基本不变。
4 应用实例
4.1 实验一
地点:Z油田2-102井
测试日期:2003.3.29
使用电机:6极 37kW普通异步电机
抽油机冲次:5次/min
测试时间:10min。
4.2 实验二
地点:S油田35-4206井
测试日期:2004.1.4~1.12
使用电机:6极 30kW普通异步电机
抽油机冲次:7次/min
测试时间:工频和时光伺服控制轮换运行，各24小时，共8天。
4.3 实验三
地点:S油田24-14井
测试日期:2004.7.21
使用电机:8极 30kW电磁调速电机
6极 30kW普通异步电机
抽油机冲次:2.5次/min
测试时间:40小时
4.4 实验四
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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 intellectual property by THT. The special device is used experimentally on some oilfields, and tested by the performance 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.
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关键词： 交流伺服控制 油田抽油机低速大转矩应用 调速和节约电能
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1 引言
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随着微电子、电力电子技术的发展，高性能大功率半导体模块等产品制造工艺水平及性价比的提高，IC芯片功能的日益强大，伺服控制系统的功能及技术也在不断的完善和提高，其应用领域也越来越广阔。
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时光科技有限公司以自主知识产权研制的交流异步电机伺服控制器具有全方位的伺服控制功能。其控制对象是三相交流异步电机，使异步电机的控制精度达到同步伺服电机的水平。时光交流伺服控制器调速范围广，定位精度高，低速转矩大，软件功能完善。三相交流异步电动机结构简单，价格低廉，运行可靠，免维护及使用寿命长的优点使得交流异步伺服系统具有良好的发展前景，成为未来伺服控制技术发展的主要方向之一。
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近年来我国用电情况紧张，而作为用电大户的油田，其用电量一直居高不下。抽油机是油田使用最多的采油设备，目前我国各油田在用的抽油机有10万台以上，每台电动机容量一般都在30kW以上，照这样计算，总装机容量在300万kW以上，是油田耗电量最大的设备群。
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2 抽油机的调速和节能
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由于油井的井深、油质、粘稠度、含沙量、含水量等各不相同，抽油机的工况，冲次、冲程、电机功率也各不相同。抽油机产品的冲次设定一般在6~8次/min，而实际油井的冲次范围要求在1~12次/min。根据井况的变化需要调整抽油机的冲次，目前油田采用的办法有几种:
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(1) 更换传动皮带轮。
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此办法的缺点是需要停机更换，耗费时间，影响产量。在较低冲次的情况下，由于主动带轮过小而无法实现或效率降低，有的油田采用增加一级皮带传动的方法，增加了机械成本，效果也不好。
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(2) 采用变极二(三)速电机，通过改变电机的极对数调整转速。
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此办法的缺点是电机的变速是阶跃式的,冲击很大,且只有二或三个固定速度,无法达到需求的速度,也无法低速运行。
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(3) 采用电磁调速电机调整转速。
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此办法的缺点是电机在低速运行时耗能与工频运行时相同，效率低，易发热。电磁调速电机不适用于室外环境，易损坏。
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(4) 使用变频器控制电机调速。
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此办法的缺点是由于变频器自身的弱点，在低频时输出转矩有所下降，低速负载特性差。
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抽油机提高效率、节约电能的途径，除了在本身机械结构上做文章以外，就是对电机系统进行改造升级。对电机控制系统的基本要求:能够大范围稳定调速、有显著的节电效果。时光科技有限公司使用自己生产的交流异步伺服控制器制造了油田抽油机专用调速、节能伺服控制柜，在中原、胜利油田使用，并经过了测试。该控制柜克服了上面几种调速方法的缺点，达到了良好、简便的调速要求，节电效果也十分明显。附图所示为时光科技的交流伺服控制柜和普通异步电机在油田抽油机的应用的实际外形图。
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3 抽油机电机采用伺服控制的优势
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3.1 调速范围大
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大范围的控制速度是伺服控制的基本功能之一，油田抽油机的交流异步电机采用伺服控制，可以准确地控制电机的转速，达到调整抽油机冲次的目的。时光交流伺服控制器在零至额定转速范围内具有恒转矩输出特性，有三倍额定转矩的过载能力，因此在很低的输出频率下，电机输出的转矩，足以满足了抽油机的负载要求。
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3.2 低速大转矩的控制特性
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时光交流伺服控制器具有低速大转矩的控制特性，在抽油机电机启动的过程中，控制器可以驱动电机输出足够的转矩，转速从0上升到设定值，电流平稳，实现真正的软启动。在负荷较轻的油井，在伺服软启动的基础上，通过测试，确认完全可以用较小功率的电机取代原有的电机，达到进一步的节能。
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3.3 可对电机的输出转矩实现不同的控制方式
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在抽油机一个抽油冲次中，由于平衡块和位能负载的影响，电机两次处于发电状态。电机电流的变化说明其负载转矩在抽油作功和位能负载之间的急剧变化。根据对转矩的变化规律的分析，利用时光交流伺服控制器具有的内部PLC功能，编制了抽油机的运行程序，对抽油机转矩进行监测，按转矩的变化趋势，伺服控制器可对电机输出转矩实现不同的控制方式，以达到节电的目的。由于速度与转矩可解耦，分别控制，伺服控制器对于抽油的冲程采取了下慢上快的速度控制，提高了出油量。
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3.4 采用交-直-交变频主电路
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时光交流伺服控制器采用交-直-交变频调速的主电路，直流侧并有大容量电容，从而大大提高了电机系统的功率因数，减小了无功电流，又节省一部分电力开支。
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3.5 在低冲次、需要调速的抽油机上使用伺服控制有三个优势
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(1) 与更换皮带轮和改变电机极对数相比, 调速方法简单、方便，调速连续、平滑、无冲击。
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(3) 与电磁调速电机比, 伺服控制普通异步电机节电效果明显。根据公式, 转矩T保持不变, 当转速n减小时, 输出功率P也相应减小。电机转速越低, 消耗电力越少。而电磁调速电机不论转速是多少, 功率P基本不变。
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4.1 实验一
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使用电机:6极 37kW普通异步电机
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4.2 实验二
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使用电机:6极 30kW普通异步电机
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抽油机冲次:7次/min
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测试日期:2004.7.21
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抽油机冲次:2.5次/min
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测试时间:40小时
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