摘要: 游梁式抽油機的應(yīng)用是通過調(diào)整變頻器內(nèi)部的參考頻率來保持恒定的沖程次數(shù).本文分析了游梁式抽油機工作原理, 根據(jù)抽油機轉(zhuǎn)矩特性曲線設(shè)計了一種智能控制器。其控制原理為電機正常工作時給出合適的電流限制，實現(xiàn)在電動周期電動機實際速度小于參考值，在發(fā)電周期電動機實際速度高于參考值，保證沖程次數(shù)為常值。采用此控制器設(shè)計了控制系統(tǒng), 實踐表明:控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定并取得了較好的經(jīng)濟效益.
關(guān)鍵詞: VACON變頻器 ; 游梁式抽油機 ; 平衡負載;
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A


1 引言
游梁式抽油機是目前各個油田所普遍采用抽油機，但是目前的抽油機系統(tǒng)普遍存在著效率低、能耗大、沖程和沖次調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點。
針對傳統(tǒng)游梁式抽油機, 芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司利用其高性能VACON變頻器開發(fā)出專用軟件。芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司（Vacon OYJ簡稱芬蘭瓦肯）位于芬蘭的工業(yè)城市-瓦薩，是一家專注于研發(fā)、生產(chǎn)、銷售VACON品牌變頻器的大型生產(chǎn)企業(yè)。擁有16,000平方米生產(chǎn)車間，4條自動化生產(chǎn)線，每年產(chǎn)量達到120,000臺，產(chǎn)品功率覆蓋0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家變頻器專業(yè)制造商。憑借雄厚的研發(fā)實力、豐富的設(shè)計經(jīng)驗、獨到的見解、世界級營銷和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)質(zhì)可靠的變頻器產(chǎn)品，成為世界交流變頻傳動領(lǐng)域尤其是低壓變頻器領(lǐng)域的主要領(lǐng)導者之一。
我單位針對傳統(tǒng)游梁式抽油機的特點和油田的實際應(yīng)用情況所設(shè)計的新型智能化電氣油田抽油機多功能控制柜。該控制柜采用Vacon可編程變頻器為核心，采用VACON變頻器開發(fā)出的專用抽油機軟件，根據(jù)游梁式抽油機的機械結(jié)構(gòu)和油田采油井的實際情況，自主開發(fā)設(shè)計的游梁式抽油機多功能控制柜。該控制柜可以適用于目前常見的游梁平衡、曲柄平衡和復合平衡的三種游梁式油田抽油機。實際應(yīng)用時，當輸入必須的抽油機參數(shù)后，控制器將對抽油機進行靜態(tài)建模；實際運行時，控制器將根據(jù)抽油機的實際運行情況，實時修改抽油機的數(shù)學模型，達到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
2 游梁式抽油機的工作原理
當游梁式抽油機工作時，驢頭懸點上作用的載荷是變化的。上沖程時，驢頭懸點需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機未進行平衡的條件下，電動機就要付出很大的能量。在下沖程時，抽油機桿柱轉(zhuǎn)而對電動機做功，使電動機處于發(fā)電機的運行狀態(tài)。抽油機未進行平衡時，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴重地影響抽油機的四連桿機構(gòu)、減速箱和電動機的效率和壽命，惡化抽油桿的工作條件，增加它的斷裂次數(shù)。為了消除這些缺點，一般在抽油機的游梁尾部或曲柄上或兩處都加上了平衡重，如圖1所示。這樣一來，在懸點下沖程時，要把平衡重從低處抬到高處，增加平衡重的位能。為了抬高平衡配重，除了依靠抽油桿柱下落所釋放的位能外，還要電動機付出部分能量。在上沖程時，平衡重由高處下落，把下沖程時儲存的位能釋放出來，幫助電動機提升抽油桿和液柱，減少了電動機在上沖程時所需給出的能量。
目前使用較多的游梁式抽油機，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機的一個工作循環(huán)中，有兩個電動機運行狀態(tài)和兩個發(fā)電機運行狀態(tài)。當平衡配重調(diào)節(jié)較好時，其發(fā)電機運行狀態(tài)的時間和產(chǎn)生的能量都較小。

3 抽油機控制器設(shè)計原理


VACON變頻器具有可編程功能，其編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個符合IEC1131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。VACON NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。在本系統(tǒng)中，如采用普通變頻器，為防止變頻器過壓報警，必須加制動電阻，制動電阻消耗能量，達不到系統(tǒng)節(jié)能要求，利用VACON變頻器具有可編程功能，利用抽油機工作時，驢頭懸點載荷是非線性變化的。設(shè)計變頻器應(yīng)用程序，根據(jù)電動機負載轉(zhuǎn)矩的變化情況，變頻器將實時計算抽油機此時應(yīng)該運行的速度，實時計算上、下沖程的時間，使下沖程速度加快，而上沖程速度變慢，達到增產(chǎn)的目的，同時當抽油機處于發(fā)電機運行狀態(tài)時，變頻器將控制電機采用抽油機的慣性運行，而不輸出任何的轉(zhuǎn)矩。采用這樣的計算方法后，抽油機工作所需的轉(zhuǎn)矩和電流將明顯減小，由于抽油機速度快時，其輸出的轉(zhuǎn)矩小，速度慢時，其輸出的轉(zhuǎn)矩也比工頻時小，達到節(jié)能的目的，同時也避免了控制器的過壓故障。
3.1 Vacon變頻器應(yīng)用程序設(shè)計
●電動機起動時采用專用抽油機變頻起動程序
根據(jù)抽油機起動轉(zhuǎn)矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動和運行方式，減小其起動時的電流沖擊，并確保抽油機在任何位置都能很好地起動。
●電動機工作時實時計算修改上、下沖程速度，保持恒定抽油時間
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機的運行時間的長短都不一致，所以在所設(shè)計的抽油機專用程序中，將實時計算上、下沖程的速度，保持恒定的抽油時間和速度。
平衡負載模式控制方式如圖2 ,此模式下，電動機沒有很清晰的發(fā)電狀態(tài)。


根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，設(shè)計智能控制器,控制變頻器輸出頻率?？刂破鞯妮斎胄盘枮榕c沖程次數(shù)對應(yīng)的電壓信號，反饋信號為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、變頻器輸出頻率信號。
智能變頻器控制程序設(shè)計規(guī)則：如圖2
位置1為第一計數(shù)起始點。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分數(shù)，當轉(zhuǎn)矩高于這一參考轉(zhuǎn)矩極限時允許計數(shù)器開始計數(shù)。
時間2 低參考值允許時間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置1的時間。此時間采用低頻率參考值。
位置3 第一轉(zhuǎn)矩中間點。轉(zhuǎn)矩小于位置3且當時間2到后采用高參考頻率值。
時間4 高參考值最小時間。給定高參考值后直到允許低參考值的最小時間。
時間5 高參考值最小循環(huán)時間。高參考值后直到再次為高參考值的最小時間。
位置6 第二計數(shù)起始點。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分數(shù)，當轉(zhuǎn)矩高于低參考極限時允許計數(shù)器開始計數(shù)。
時間7 高參考頻率值允許時間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置6的時間。此間采用高參考值。
位置8第二轉(zhuǎn)矩中間點。轉(zhuǎn)矩小于位置6且當時間7到后采用低參考值。
3.2 實驗調(diào)試結(jié)果分析
抽油機多功能控制柜在遼河油田洼3737井、海C9-17井投入實驗運行，控制柜運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。變頻器運行參數(shù)曲線如圖4所示。抽油機上沖程要慢,電動機處于電動狀態(tài), 圖中電動機轉(zhuǎn)速低,變頻器輸出頻率低, 電機轉(zhuǎn)矩為正,直流母線電壓低。抽油機下沖程要快,部分時間電動機處于發(fā)電狀態(tài), 圖中電動機轉(zhuǎn)速增加,變頻器輸出頻率高, 處于發(fā)電狀態(tài)時電機轉(zhuǎn)矩為負,直流母線電壓很高。


系統(tǒng)設(shè)計指標為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。系統(tǒng)運行實際數(shù)據(jù)如下表：達到了設(shè)計要求。


4 結(jié)論
本系統(tǒng)充分利用了VACON變頻器具有可編程功能，實現(xiàn)了其它普通變頻器無法實現(xiàn)的功能。因此，本系統(tǒng)具備如下優(yōu)點：
1 人機界面友好，安裝方便，操作簡單
控制柜上具有控制器的操作面板和各種操作運行按鈕，操作方便。
控制器的顯示面板可以直接顯示變頻器的輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，電機運行消耗的能量，運行時間，抽油次數(shù)等。變頻器的運行參考可直接設(shè)置抽油機的抽油次數(shù)，改變傳統(tǒng)的設(shè)置電機運行頻率的操作方式，具有良好的人機界面。
2 運行安全，性能可靠
該控制柜內(nèi)沒有任何的PLC，而是基于變頻器的特殊控制程序進行控制，并且具有工頻和變頻的操作的方式，且這兩種操作方式互鎖，并相互獨立，控制柜所采用的變頻器也具有寬廣的輸入電壓范圍，因此使控制器的運行更安全，性能更加可靠。
3 高效節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動電阻，當抽油機處于發(fā)電機運行狀態(tài)時，變頻器自動提高電機的運行速度，并儲存發(fā)電機狀態(tài)的能量，比傳統(tǒng)的設(shè)計方式，減少了不必要的能量損失。
變頻器的控制程序是根據(jù)油田實際情況，特殊開發(fā)的控制程序，它能自主判斷抽油機運行的上下沖程，根據(jù)油井的實際情況，實時調(diào)節(jié)上下沖程的速度，達到實際抽油時，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時的采油量，提高抽油機的產(chǎn)量。


參考文獻：滿永奎、吳成東.《通用變頻器及其應(yīng)用》 北京: 機械工業(yè)出版社 1996.
李永東.《交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)》 北京: 機械工業(yè)出版社 2001.
作者簡介：李巖(1966.7-)：男，遼寧省沈陽市, 講師, 碩士, 漢族，1999年畢業(yè)于北京理工大學自動控制系，在沈陽工業(yè)學院從事教學工作，研究方向交流調(diào)速系統(tǒng)、單片機應(yīng)用。