抽油机节能电控装置综述（2）

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

图 8 泵 升 电 压 限 制 电 路

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。

图9 采用公用直流母线的多变频器系统主电路

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U_m>U_d，其中U_d为变频器正常工作时的直流母线电压，U_m为再生直流电压，而U_m可通过超前角β（β=π－α）来进行调节。由于

U_m=－2.34U₂cosβ（或=－1.35U₂₁cosβ）（1）

图10 采 用 晶 闸 管 有 源 逆 变 器 的 再 生 能 量 回 馈 系 统 电 路

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U_mmax为440V左右，而变频器直流母线电压正常工作时在510V左右，则U_d>U_m。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U_d>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。

——IGBT有源逆变器

虽然其主电路结构与变频器中的无源逆变器基本相同，但是其功能和控制方法是大不相同的。变频器中的无源逆变器的负载是三相交流电动机，其输出频率、电压、相位都可以由变频器随意控制；而有源逆变器的输出接的是交流电网，其输出频率、相位和电压取决于电网，所以，在IGBT有源逆变器的控制中增加了鉴频、鉴相器和锁相环控制。电压则由PWM控制，比晶闸管有源逆变器容易实现。另外在输出端接有交流电抗器，用来抑制过电流。

6）采用可四象限运行的变频器，如图11所示其控制就更复杂，投资也更高了。

图 11 可 四 象 限 运 行 变 频 器 主 电 路

6.3 电磁兼容性问题

这里主要讲电磁干扰（EMI）问题，即变频器对微电脑控制器，传感（变送）器及通信设备的干扰问题。变频器是一个很强的电磁骚扰源，变频器中的开关器件，以及SPWM电压波形，会对控制及通信系统造成很大的干扰。干扰的途径，除了感应、辐射之外，还包括传导干扰，即通过连接导线传导的干扰。在控制系统中，变频器只是一个执行机构，它的运行频率（速度）指令由控制器通过对油井液量等信号的控制运算后给予，变频器就通过控制信号线，给微电脑控制器造成了很大的干扰，以致使控制器无法正常工作。因为是传导性干扰，采用屏蔽线是不解决问题的，要从信号线上的共模及差模干扰入手，采用如图12所示的共模与差模滤波器，才能解决干扰问题。

图 12 信 号 线 抗 干 扰 措 施

6.4 闭环控制的采样

抽油机利用变频器调速，使之动态适应油井负荷的变化，达到节电的目的，必须要加外部传感器，否则无法实现闭环智能控制，只能实现人工定值控制。所采用的传感器的类型，与间抽控制器大体相同，但是在要求上是有差别的。

1）流量检测是最直观、最准确的方法，如果能实现小流量检测并解决防堵问题，应尽量采用流量传感器。

2）光杆载荷传感器也能用来检测井下液量的多少，与间抽控制不同的是，闭环调速控制只要求载荷的变化趋势，不需要标定空抽设定值。光杆的平均载荷大，说明井下液量少，应减速运行，反之则可加速运行。

3）电流控制不可取，因为这里除了配重的影响外，当电机调速时，电流也是随着变化的，因此不能将电流信号用作控制依据。

6.5 可靠性和环境适应性问题

由于抽油机都在环境恶劣的野外工作，并且很多油井是无人值守的，所以，对变频器的可靠性和环境适应能力提出了很高的要求。一方面要选用可靠性指标高的变频器品牌，同时也要给变频器在野外恶劣环境下工作创造必要的条件。如设计防护等级高的双层密闭隔垫（保温）控制柜，柜内设计强迫风冷系统，可以将柜内的热量排出，并在柜底设计有冷空气入口，使之适合在夏季沙漠高温环境中使用。如有条件，可建造控制柜小屋，使控制柜避免阳光直接照射及雨淋。

7 结语

1）抽油机在油田的使用量大，而负载率普遍偏低，功率因数则更低，电能的无谓浪费严重，节能降耗潜力巨大。

2）间抽控制器在低产油井上节能效果明显，同时因为其投资少，体积小，便于安装，因此推广应用的经济性很好。

3）对于负载率在30％以下的油井，采用Y/△转换控制的节能效果明显，且控制简单，投资省，具有推广价值。

4）晶闸管软起动及调压节能，节省的只是电动机自身损耗的一部分，节能效益与其投资不成比例，而其产生的大量谐波，对电网及电机均有影响，因此不宜推广。

5）高转差率多极电机拖动系统，节能效果明显，且能适应油井调参要求，软的机械特性对延长抽油机寿命有利，是很受油田欢迎的电气拖动装置。

6）变频调速系统，使抽油机动态适应油井负荷变化，也可方便地进行调参。配以流量、载荷等传感器，可实现最经济的控制。同时其软起动性能好，对延长抽油机寿命，减少维护费用有利。节能效果最好，能耗基本上与转速成正比，只要降速，肯定节能。是抽油机节能电控装置的发展方向。随着电力电子技术的发展，其价格将进一步降低，而性能将进一步提高。

7）抽油机节能电控装置的发展方向是节能效果好，能与油井负荷相匹配，并有完善的保护功能；有数据采集和存储功能，联网和通信功能，以及遥控遥测功能；并能适应油田的环境要求，操作简单，智能化程度高。（完）