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变频调速式抽油机 刘慧芬( 机械设计及理论) 指导教题：王孚祥( 副教嫒) 越猛( 教授) 摘要 随着我冈油田原油生产的发展，游梁式抽油机器露出如下弊端： 冲程冲次无法满足现场随丰凡多变的工况要求，能耗较大。因此研制 弹毫效节裁躲挞漕壤，对降低溜暖能源瀵耗，降低簸油生产或零，具 有非常重要的意义。变频调速式抽油机采用了实时数控技术，冲程冲 次可以根据需要进行无缀调整，不但冲程损失小，泵筒充满度商，而 j 噩旋栽较羝。本文蕊先扶瑾沦上分龌磷究了变频器、爵缡程控剡器、 同步 乜动机等配置的工作原理，为变频调速式抽油机控制系统的研制 设计奠定理论基础；利用宙士变频器、可编程控制器等先避工控设备， 完或了交频谲速式= 鑫潼梳整誊旯控裁系统设诗。考悫铡实繇锭滔过程中 出现的平衡配重差别较大的具体情况，采用制动单元和制动电阻以防 电机反向发电冲击控制电路。根据现场要求编制的威用软件获得了成 功，并在鼹剩油田避行了现场试骚，为将来骈铡开发密更好静穗蓓i 韵 浊设冬提供了理论楚础和实验数攫 关键词：变频调速抽油机可编程控制器霍尔传感器 t h e f r e q u e n c y - m o d u l a t e d s u c k e r a b s t r a c t l i ut t u i f e n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y ) d i r e c t e db yv i c ep r o f e s s o r w a n gh a n x i a n g a n dp r o f e s s o rl i um e n g a st h e d e v e l o p m e n t o fp e t r o l e u m i n d u s t r y i no u r c o u n t r y , t h e f o l l o w i n g d i s a d v a n t a g e s o fc y jh a v eb e e n e x p o s e d ：h i g hp o w e r c o n s u m p t i o na n dt h er a t eo f s t r o k ec a n tm e e tt h ev a r i a b l ew o r kc o n d i t i o n o nt h es p o t t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt o d e v e l o pa ne f f i c i e n ta n d e c o u o m i c a ls u c k e rt oc u td o w nt h ec o n s u m p t i o no f p o w e ra n dt h ec o s to f t h ec r u d eo i lp r o d u c t i o ni nt h i st h e s i st h ep r i n c i p l eo f f r e q u e n c ym o d u l a t o r , p r o g r a n a m a b l el o g i c c o n t r o l l e ra n d p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a r es t u d i e da n da n a l y z e df i r s t ，w h i c he s t a b l i s h e dt h ep r i n c i p l ef o u n d a t i o n f o rd e s i g n i n gt h ef r e q u e n c y - m o d u l a t e ds u c k e r d e s i g n e dt h ew h o l ec o n t r o l s y s t e m o ft h e f r e q u e n c y - m o d u l a t e d s u c k e r b yu s i n g s o m ea d v a n c e d e q u i p m e n t s u c ha sf u j if r e n i c 5 0 0 0 p 7 ，p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra n ds oo i l a l l o wf o rt h ed i f f e r e n c e so fl o a db a l a n c e ，b r a k eu n i ti sa p p l i e di no r d e rt o p r e v e n tt h es h o c kt o c o n t r o lc i r c u i tc a u s e db yt h er e v e r s i n gm o t o r t i l e p r o g r a m m e r , w h i c hw a sd e s i g n e d i n l i g h to ft h ep r a c t i c a lr e q u e s t ，w a s t e s t e da ts h e n g l io i lf i e l da n dt u r n e do u tt ob ea p p l i c a b l e t h ef o u n d a t i o n o f t h e o r ya n de x p e r i m e n td a t aw a sg i v e nt od e s i g nb e t t e rs u c k e r k e y w o r d s ：f r e q u e n c y m o d u l a t i o ng o v e m o l s u c k e r p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , h a l ls e n s o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取褥静研究_ 豸i 采。尽我所知，除了文中特溺嬲以标注释致谢麓遗方并， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获褥 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使； ：f 过的材料。与我一同工 作的阉志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中作了明确的谎明并表 示了谢意。 签名： 墨j 墼! ： 幽。弘年1 月啦日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有较像留送交论文的复印件及电子版，允许论文被套阕和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缎馥】或焚链复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后废遵守此规定) 学生签名：壶 望苎：幽。够年 ，月尽 蛳签名：鞘一洲年， 月6 日 孤涵大学( 华乐) 疆一i ：淹文 繁 孽藤言 课题的提出 第1 肇前言 在油h 1 开发过程中，有些油田幽二地层能量逐渐下降，剑一定时 期缝屡戆篷藏不戆傻潼并保持鑫喷；有些雯薯戮为藤始篷罄麓鬣低或漓 稠致使开始就不能自喷，此时必须借助机械的能量或其它方法进行 采油。机械采油作为常规的人工举井开采方式，由于其技术成熟便于 掌握，工 乍往琵霹嚣，适应洼较强，因而在当今 登器各国潘瓣生产中 占有举足轻重的地位。据统计，美国、俄罗斯和中国油田生产中机械 采油井占其油井的9 0 以上【l 】，其中游梁式抽油机采油是围内外机械 采、藩静烹要设备。 游粱式抽油机鼹一种变形的四连杆结构，熬工作过程是由动力机 ( 通常为异步电动枫戏柴油机、天然气发动机) 经传统皮带将高速旋 转运动传递给减速器，经三辆两级溅速后，出照橱连杼毫琏聿将旋转运 动变为游梁的上、下摆动，挂在驴头上的悬绳器通过抽油卡t 带动抽油 泵桩塞修上下往复运动，将井液抽汲至地面。游梁式抽油机工作时， 驴头悬点土律蘑稳载穗是变诧弱。为了减小籀漓税上下渖稷负荷的渡 动，一般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡麓。这样， 在悬点下冲程时，要批乎衡重从低处治到高处，增加平衡熏黔位能。 为了拾裔平衡重，除了依靠季壶、漓杆柱下落蕊释放出的位能姊，还要电 动机付渤部分能量。在上冲程时，平衡重由离处f 落，把下冲程时储 存的位熊释放出来，嵇助电动机提升拙油杼和液拄，减少了电动规在 上冲程时所给凼静麓鬣。 游桨式抽油机在静止状态起动城荷很大，娥难常运行载荷的5 6 石油人学( 华东) 颧：t 论文 籀1 章前言 债，甚至更高。为了使抽油机可靠地起动，抽油机几乎无一例外的采 蘧了较大功率的赣动电辊帮簸用人容量豹变垂舞。这虽然释决了起动 问题，但电动机征常运行时一r 作在轻载状态，以避免抽油机出现卡死 现象，使效率祁功率因数明显下降，而且馒配用变压器的容量也不铝 不鞠应提高，导致窀网传输无功受萄过丈，瓣损增加，泡列容量不能 得以充分利用，供电质量受到影响。 随著我国石油工业的迅速发展，传统鲍游粱式抽油机及其变形蛇 接濑季趸冉予辊辕漩茜骞身结稳的限裁，在设定的工箨祭传下，抽、澶枫 的运动特性无法髓时改变抽油机的冲程长发，也无法随时改变抽油机 的冲次数。这就锼得地厦抽油设备一抽油概，不可能完全遥应劳下深 并热浦泵懿工 乍辫要。因诧，壹电层中淮流遗过深并泵凡尔，不可熊达 到合理的动态协调，其工作效率低，冲击负荷大，抽油机一抽油杆 深井泵的事故多，在油井情况笈杂时( 稠油井) ，上述弊端更为严重， 租被铡造耗材大，獭汲滴耗毫离，饺瘸电一矮，栗漓直接成本占3 0 以卜。传统游柒式抽油机电机的启动电流为电机额定电流的6 8 倍， 对电网冲击甚大，快速耗电，藤且异步电动帆调遽系统存在如下缺陷“1 ： t 异步龟葫枫需要默定予侧励磁，西此电动祝酌功率函数低，造 成交频输入的功率因数也低，和同容量的永磁同步电动机相比所用的 变频装黄容量大。 2 。在高牲能豹矢量控割调运系统中，转予参鼗受温度的影响将发 生变化，产生控制谍差，影响其控制精度。 3 。异步电动极为提高其功率因数及效率，翥尽量减少定予、转予 之阉的气凉，这使得翩造困难，并且不适合予工作在太震动的场合。 机械采油系统是油田的用电大，、，而为油田电网设计的输配电能 力往往偏大。摆统计。”，胜剥酒镬l 嚣翦枫械采浊系统的乎均装 ；t 容量在 打油大学( 华东) 硕十论文第1 章前苦 4 7 千瓦左存，而实际运行时平均功率为93 8 丁- f i 【_ ：左有，只占装机容量 的2 0 ，电机负载率极低，约为1 6 。多数为抽油机供电的配电变压 器及数以万计的抽油机配套电机大都运行存轻载状态卜，这一现象直 接导致了整个石油系统中普遍存在高配置低效率现象，造成r 电力能 源和设备资源的极大浪费，电力消耗已经占原油生产成本的3 0 以上。 为解决这一刚扰油田实际生产能源浪费的重要课题，经过广大科技工 作人员的努力研究，目前已有各种节能技术在抽油机上使用，以提高 功率因数和效率，达到节能的目的。但现有的各种节能技术在实际中 没有收到理想的效果，整个机械采油系统仍停留在低水平运行状态。 总之，就目前胜利油田普遍应用的游梁式抽油机而言，主要存在 如下几个问题：一是大马拉小车的现象；二是普通电动机的机械特性 与抽油机不相适应；三是空抽问题；四是电动机发电时对电网造成不 良影响。因此，研制一种高效节能的抽油机，对降低全油田能源消耗， 降低原油生产成本，提高企业的市场竞争力，具有极其重要的经济价 值和社会价值。 1 2 变频调速技术的发展概况及动态 1 2 1 变频调速技术的发展历史 交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等 技术之大成的一项综合性技术。它以其优异的调速性能、显著的节电 效果和在国民经济各领域的广+ 泛适用性而被国内外公认为是世界上应 用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，是电气传动的发展方向。 它为提高产品质量，节约能源，降低消耗，提高企业经济效益提供了 重要的新手段。 硝油_ 人学( 华东) 硕士论文第l 章藩畜 三十年代，开始有人握 b 交流变频调速理论；六一l 年代，幽予电 力 黾予器件的发展，促进了变频诫速技术l 每实髑牲方趣黔发震；一匕卜 年代，霈卷j ：业发达国家的石油危机，德使他们投入大量的人力、物 力、瓣力去研究高效率的变频调遮器，馁变频调速技术有了摄奉发展 并褥到搬广应耀；八 年代，变灏调逮巴产黯化，性耱瞧不精掇麓， 发挥了交流调速的优越性，广泛应用在各工业部门，并且部分取代了 蠹流调逸：避入九卡年代”1 ，由于糯型电力电予器件鲤i g b t ( 骜缘攘 双极鼓体管) 、i g c t ( 集成门极羧浚鑫阉管) 等豹发黢襄性熊懿挺辩， 计算税技术的教展( 如由1 6 位机发展到3 2 位机以及运算速度的提离， 发展了数字傣号处理嚣d s p 麓) 鄹耨控露理论骢应照( 翔磁场定l 鸯矢 量按制、直接转矩按制) 薅原爨，促遴了变频溺速技术瓣发矮，便变 额调速器在调遥范阐、调遮精度、动态响应、输出性能、功率因数、 运行效率、馒爆方便等方蕊部是其它交溅调逮方式不可毙瓣熬，瞧怒 如了壹滤调逮豹蛙裁掺标，蹇全可以取代蠢滚诞速嘲。 现代交流变频调逮以荩优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，其 优越缝传现在薅个方嚣：其一是节约电糍，特爨是在风极、水泵、l 泌捉等设套的节裁运露中，节能效巢显藩；其二是卓越的谪遥佳能， 可以满足许多工艺条件对调遽的要求，提高了产品的产量和质量，提 麓了：( 艺囊动化承平。因此，交流变频调遮系统在晷民经济备部门褥 到了广泛懿应瘸，并联得了檄好的缀济效益。蒸发震动向主要有如下 几个方丽”： j 实理褰水平黪擦禹l ； 2 。开发清滔电靛翡交流器； 3 缩小装餐的尺寸； 4 藏速度的数字控裁； 4 石油大学( 华东) 颁上论文第l 章前青 5 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术： 6 将变频器与电静l 结合，开发梳电一体化产晶。 1 2 2 变频技术的国内外发展慨况 从总体上看，我国电气传动技术水平较国际先进水平差距1 0 - - 1 5 年。筏国 始健掰交额臻已经有卡余年静时麓，但蓉内市场死乎被嚣 外产品垄断。据统计，欧美及日本的变频器占据了国内市场9 0 以上的 份额。国内也有好多个厂家生产变频器，但大多数客户、代理商和设 诗豌对餮产赫薄稳有不箔任惑。主要原霞楚l ；蕈几年，部分莺产菇牌交 频器没有解决好产品的磷可靠性和服务网络问题，国产变频器没有形 成产业规模。 1 9 9 5 1 9 9 6 年中国科协工程学会联合会节畿专韭委员会经谲研 后指出，国内有特调整节悲的电动机变频器装置总值约1 0 0 0 - - 1 5 0 0 亿 元。另外，加上不断新增的电动机和各行业的机械配套电动机，未来 交颥嚣瓣需求还会菲常蕊大。疆前，我国京掰交流电动孝强使嗣变频谣 速运幸亍的仅8 左右，面蹦外工业发达国家已达到6 0 7 0 。可以说， 近几年，国外变频器在中国起到了“普教”的作用，但由于大多数国 外品簿交频器价格稽靖较高、适应中瓣国 孽能力麓、代壤俸系和驻务 体系存在同题等多方面骢豫因，在客户露求的快遮响应、不同客户的 适应性、及时的备品备件供应和维修服务等方面存在许多无法克服的 缺点。变频器要囊正实魂“普及性”的应_ l = j ，只能依靠其有高镌侨比 的国产品壤。 目前国内状况如下： 1 变颁器的艇体技术落后，崮两虽有穰多单位投入了一定的人 第1 章蘸青 力、物力，僵出于力量分数，并没有形成一定熬技术和生产爆模； 2 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空自； 3 相关产q k 及行业落后； 4 镇量少，可鑫壁至及工韭承乎不赢。 目前国内推广应用的低压变频器9 0 以上是从国外g f 进的变频 器。现在低压变频器技术已十分成熟，产品质量、性能、可靠性、价 辏等都曩趋予稳定。进入了广泛应露弱澍期。英特点妇缀为： 1 功率元件高频化； 2 控制方式多样化； 3 变频爨产嚣蠹孽实用位； 4 网络公开化： 5 技术舰格国际化； 6 配置灵活化； 7 容量扩大化。 综上所述，我国变频事业的发展很慢，而且相对落后，我们需要 魏 速这方瑟熬疆究，攘广普及变颧器翡瘟t 鬻，提高交频谲速技术。这 就需要我们年轻一代更加努力学习创新，为了我国变频事业的发展做 出应有的贡献。 1 3 变频调速式抽油机研究的意义 变频调速的主要特点是调速澈围广，机械特性硬，精度藤，运行 可靠。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调 遮控铡静交流筑动系统有诲多挠点，弼节麓，容易实现对巍有电动视 的调速控制，实现大范围内的高效连续调速控制；容易实觋电动封t 螅 6 午l 油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 j f 反转切换，进行高频率的起停运转：进行电气制动，划电动机进行 高速驱动；适应各 e l - e 作环境，可用一台变频器对多台电动机进行调 速挖制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制 系统等。 变频调速式抽油机是高新技术机电一体化石油机械设备。它以数 控电力拖动为基础，按照机电一体化的设计思想精心制作的电子机械 装爱。它综合了微电子技术、电力电子技术、传感器技术、过程控制 技术，应用变频调速控制，根据负载的负荷情况，实时调节电机转速 和输出功率，具有高效率的驱动性能、良好的控制特性、良好的节电 效果，打破了传统的机械动力无法随机改变姿态的约束，使传统抽油 机从死板的机械运动进化到实时可控的随机运动。它可以根据抽油机 工作时每口井的特征和实际情况，实时控制保持事先优选的最佳参数 运行，并有效地杜绝地面动力和井下设备因运动不协调而产生的动态 干扰，因而可大大提高产液量，延长设备( 如抽油杆、泵等) 的使用 寿命，降低电能消耗。 永磁同步电动机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称 p m s m ) 与传统的电励磁电动机相比”1 ，具有体积小、重量轻、响应快、 高转矩惯量比和高速率重量比、高效率和商启动转矩、高功率因数以 及维修简单、运行可靠等优点。所以自8 0 年代以来，研究人员纷纷致 力于高磁场永磁材料、永磁式同步电动机及其驱动理论和应用的研究， 并取得了卓有成效的研究和开发成果。p m s m 以其效率高、性能可靠 而广泛应用于重工业、轻工业、农业和国防等各个领域，并已成为当 前调速系统研究的一个焦点。随着高磁场永磁材料性能的不断改进以 及驱动系统理论研究和实践应用的不断提高，永磁同步电动机及其驱 动系统将会得到进一步的发展。另一方面，变频调速式抽油机其机械 l 油大学( # 尔) 硕士论文第1 章l j 言 结构也火为简化，所用能耗大大降低。 1 4 本课题的研究内容 本设计考虑到节戆不但要有效两合理地选撂技术先进黝发冬，而 且能有效的对系统结构进行分卡厅，弄滴造成损失的原因和影响的主要 因素。函此根据机械采浦油井的琥场实际状况，结合变颓器在自动控 期方聪的优势，克服游梁式抽油机的黪端，磺刳设汁出适合机械采油 使用的变频调速式抽油机。本文主要完成以下工作： 1 抓住机械采油系统电能损耗的实质，对圈内外抽滴税的使用状 况进行综述，对一些基本理论避萼亍总结； 2 研究变频调速式抽油机的工作原理、运行过程及特点； 3 在分析同步电动机的工作原理及特性的基础上，研究同步电动 掇变频调速控铡，充分剥用隶磁式同步电动极的体积小、燕量轻、响 应快、高转矩惯量比和高速率重量比、高效率和高启动转矩、高功率 因数以及维修简单运行可靠等优点。 4 ，在分叛变颧爨、爵编程羧裁器、传感嚣等硬件工佟骥理熬基礁 。卜，完成变频调速式抽油机控制部分设计，为变频凋速式抽油机控制 系统的研制设计奠定理论基础； 5 。结会糖蘧辍实骣使弱过程中出臻兹乎簿配羹差别较大熬其体 情况，增加制动单元和制动电阻以防电机反向发电冲击控制电路，并 解决热洗井必须改小冲程的操作方法； 6 。缝会褶关臻 孛兹酝妻，缡裁出可援据筑场要求寒控铡弦潼缀运 行状态的应用软件。 7 对变频调遮控制系统进行总体设计，主要技术参数确定及调试 笫1 章前吉 操作，并进行现场试验。 变菝调遵式接漓懿麓太大箨低灌舀歼发熬运行赞髑。疆静，各涵 1 = | 的采油直接成本较高，仅耗电占成本的3 0 ，而变频调速式拙油机 比常规游梁式抽油机综合节电5 0 以上，这对于油田的开发来讲将是 - 麓强大瓣资金节约。交额调速式箍酒撬系统参考炎狯简警、维护方 便、抗干扰能力强，运行寿命长，可以有效地提高电网的供电能力， 减小网损，经济效益和社会效益显著，具商较高的使用价值和良好煦 捺广前景。 _ i 油火学( 华东) 礤士沧文第2 章变频铡速式撼油枫f jf 俸聪瑶 第2 誊变频调速式撼油机王佟髹理 2 。1 变频调速式抽油机机械部分麓述 2 。1 1 变频调速式箍油枫梳械结构简述 变频调速式撼油机机槭缝构如隔2 一l 磁示，主要瞧以下几罄分缀 残旺 1 ，懋绳器总成：悬筑器是涟接链冬以及卡熙挞油_ 枧毙拇躯工具， 它酸繁寄三种援格光卡耗，可以卡往7 8 至1 8 的光秆进行作业。憨绳 器还可隧用米装动力仪箨示功图。 2 主链轮惑戏：电动枫与减速器的动力通过主链轮总成传递，并 转换成链条的直线运动。主链轮总成配有两只调心的轴承庶，用于支 承挞濑撰戆罄分受精。 3 过渡链轮总成：过渡链轮总成在抽油机工作时主要起链条过渡 作用，它梅链条的跨距增大，使乎簿重运动寄足够豹空闽。过渡链轮 慧威懿有两个调心辅承的轴承寝，用于支撵撩油机的部分负蘅。 4 底座：底座是髓投工字钢烬接薅成，形船潦孰，中阙鲻工字钢、 稽钢体支撑，戳保证庶窿有足够的强度和剐发，箕上固定支架及平衡 筐游辘。底糜骞压桎灏定在基础上。 5 ，支架：支粱总成分为支架和平衡筐滑轨两部分，支架全部用角 钢焊接而成，形如塔架；滑轨由横钢焊接耐成，分别与底您、支架、 顼帮庶壅连接，筷平衡篷灞动及增强支槊强度，支絮两侧分铷醮有梯 子，供安襞维修用，支架总成下郝与底座、上鄙与动力枧底座分别熙 螺栓连接。 i 0 第2 章变额溺遮式捅油税静 作琢媸 6 。动力擞疯瘘：动力援底鹰由型锻维燃囊戏，鲻予连接主链羚墨爨 过渡链轮总成以及减速嚣。 7 平衡蕊总成：平衡蘑总戚由平衡筐、平衡重、蜜令保险装置纰 藏，乎簿筐趱子磁装平簿漾。乎缀重幽三兰摹申不等曩爨翳i f 簿块缀戒。 平簿熏的装粼数璧鹿有悬点黪负萄t 下冲程时蟾平均萤米决定。安全 保险装嚣用于防止链条意外而遗成重大事故。 8 舞碰装置：耱碰装霰幽巍稷搪镳及若于螺检缀畿，主要蠲予黪 l 毫系绫在运霉亍过程申因刹车失灵蕊造成熏大搴效。 9 + 压杠激置：用来固定抽油机底座。 1 0 。减速器： 亍星摆线铮角轮减速器楚耱应鼹牙筮擦线覆毽，采 用摆线针蠢啮合簸减速继橡，具有减遮毙大、体积，l 、效率毫、熏鬣 轻、故障少、寿命长、承裁能力强等优点。 l 邀动撬： t 2 。链条。 2 2 变频调遮式按油枕蔓黉性麓参数 变频蘧逮戏麴演辊主瑟瞧戆参数霓漾2 - 1 。 表2 - 1 变预调速式抽油机主簧性能参数表 项目参数 怒点最丈载赫，k n 2 0 冲程跃度，m ； 0 7 冲程次数，次r a i n 1 7 电型号t y c 2 0 0 l 。6 稀土永磁同步电动机 动鼗定功率，k w 2 2 机 颥定转速，r r a i n 9 7 0 平衡方式筐式醚霪 外形尺寸( 长x 宽x 高) ，m 4 4 1 2 x3 9 8 4 1 1 8 2 0 繁糗重量，缒 1 4 5 0 s 4 瑚人学( 华东) 硕十论文 第2 章变频稠速式抽油机的工作原理 j 一底座 6 一支架 图2 - 1 变频调速式抽油机机械简图 2 压杠装置 7 电动机： 3 一嗣栏； 4 平衡蕈总成； 5 一链条 8 减速器； 9 一主链轮总成；1 【卜护罩 一过渡链轮； 1 2 一动力机底座；1 3 一舫碰装置； 1 卜悬绳器总成 2 2 变频调速控制部分 2 2 1 变频器概述 变频器是一种静止的频率变换器，是利用电力电子功率器件将 2 _ i 油火学( 华乐) 碗士论史第2 章变频调速式女i i 油机的： 作原艘 频电压转换成蒯户所需频率的电压、电流，并能完成调谜要求的电动 机电源装黉，可穰据电枫负载的变化来实现舀动、甲淆筑减速躐增速。 调逮特性綦本上镙持了电动极固有特性，斛两其效率赢、范围宠、精 度高且能无级调遽，使用变频器呵以节能、提高产品质尾、提高劳动 生产率等，是电动视最为理想的调速装置。 变频器豹发攫已有数卜年蜓历史，在变凝器的发震过程中瞧碧出 现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本结构， 如图2 2 所示”2 。 圉2 - 2 变颓嚣的基本梅成 2 2 2 变频调速式穑油丰几工作原理 在原油开采过程中，储油地层的压力、油层内油气水的分布等因 素在不舔交纯，虽壹接影镌着漶劳豹产量，褥热上采灌工艺受骂境滋 度影响较大，所有单井及区块的原油产量很难精确预测，这为油田的 开发建设带舛乏一系列问题。 变菝诵速式麓漓辊豳交频嚣、霹编程接翻器( p l c ) 、位移传感器、 同步电机及抽油机机架等组成( 如图2 3 所示) 。控制系统由1 6 位c p u 运行控制，控制电路采用直接数字控制方式，判断处理变频调遮式抽 涵橇运行时静各顼参数。 变频调速式抽油机的运行有四个过程( 如图2 - 4 所示) ，具体分辑 ；f i l l l 大学( 华东) 顽“l 论文第2 章变频调遮抽汕机的l ：作原理 说明如下”： 1 “s ”形蕊速过程 如图2 - 4a 段所示。本过程可分为起始低值加速过稷 加速度出 零开始，缓缓增加，这阶段有利于各运动部件调整运动状态，减少冲 击，并可戬後并下锫漓象凡尔平稳逢l ：俸) 、匀细速过程( 在这阶段要 达到运动状态。这玲段主要考感合理的加速驻量、合理的加速负荷、 合理的加速时间) 、结尾低值加速阶段( 主要考虑确保运动部件平滑过 - ) 圃t 口 | 疆2 - 3 变频溺速式撼溃辊示意塑 渡到匀速阶段，这一阶段结束后抽油泵的柱寨就达到了过程的最高提 升速度) 。 2 匀速掇舞麴瀵遂程 如图2 - 4 b 段所示。这是主要的工作过程，由于楗塞达到最高提升 速度后，便始终保持大小不变的速度，直到运过程结束，从而使这 种工作方式存效篷稳离了系统豢液憨力，著蠢效篷保证了系统秘穰零 4 l i 油大学( 华东) 硕。l 论文第2 章变频调速式抽油机的一l 作原婵 部件甲稳地j ：作，合理选择的周期，可确保得到合理产量和最低能耗。 3 逆“s ”形负加速过程 麴图2 - 4 c 段所示。与l 过程褶麓，也w 分残三令酚段，毽麴速蘸 线与1 过稷的变化方向相反。合理处理好这个过穰是确保进液工作祭 件的关键，也是确保系统平稳工作的关键。 j f z ( f ? f 一 ，ib c d t 图2 _ 4 变频调速式抽油机的逡动原理曲线图 4 匀遮下降遴液过稔 如图2 - 4 d 段所示。这是井下设套豹进渡过程( 也是她蠢设蛰的镰 能过程) ，合理安排这一过程是确保提高泵效的关键。这过程的周期 必须确保避液与丰耋塞的运动一致不簸流及按涮泵的避液压降，闲丽诧 过稞周期必需足够长。 这一过程也怒地面设备的储能过程，在确定了作业条件之后，选 定合瀵的平衡配熏可竣裔效地减轻系统的动态载蒲和髓耗。在这一 过程中还要考虑应确保井f 部分始终保持在熳大受张状态下工作，以 有效地利用井下悬挂质最的位移和有效地利用设备的冲穰，因而也需 要有足够长的周期，僵厨期太长会使设备的箍液下降，因而要傲最佳 磊涵太学( 华东) 骧七论文第2 章变频翅遮式羹囊溜暇豹f 佟髹缀 的选铎。变频调遮式箍漓税与传统籀浦梳煎不丽之处是整个工俸循环 的每个过程都可檄攒浦永并静井下地质条件、开发特征、选用的并f 设备以及地面设备( 包括井门装鬣和输滴管道的长度、赢径、弯f f i 接 头) 等避行测定与综合分耩，并可敬采臻计算机计算模拟爨佳工况， 得到一系列酌优化二【= 作参数，如冲程长度、每分钟冲次数、提升速度 与加速鹰、f 降速度与反向加速度等等。这些参数送入抽油机的数控 系统，获丽往擒油祝魏面豹动力端髓很好魏与井下的液力端韵态协调， 鄢应饺抽浊脊工彳乍始终保掩张紧状态，僳掩它的剐性。因而可以大幅 度援商浆效，增加产油量，葚至能使深并捆油浆的象效掇高列大敏与 魄稀往笺泵接近的稷度。 控制系统可以显示和设定实澍检测各项参数，又可以检索运行过 程中的状态及异常故障的参数，使控制过程的状态更加凇确、快速、 可靠，因此说它具有袋强韵僳护功能： ( 1 ) 防止失速( 2 ) 瞬时停电( 3 ) 存储器异常 ( 遒变器过热( 5 ) 外部敞障( 6 ) c p u 昴常 ( 7 ) 电流限制( 8 ) 欠淑压( 9 ) 过电流 电机过载9 过电压设定锩误 变频调速式抽油机之所以能保证其运行特性满足油井的最佳工 掇，主要采用了以下姻穗毅技术： 1 。具有多点微处理的数控技术 变频调遣式抽油枫的数控部分主要是出p l c 可编程按制器和p 7 系列变灏调速器等弓l 遴设备掰缝成，搌撅不躅势援恧镶制熬稳序事先 存锉予p l c 中，鲻于避行实时控粼，主要计舞剿惠p 7 系统黪操搏爨 专用c p u 进行。 1 6 机油大学( 华东) i i 页一l - 论文蒴2 章变频调速式抽油机的r ：作原婵 2 交流变频调速器技术 p 7 系列交流变频谰速器功能 醚强，可| 三l 设定调频范溺、吖广模式、 浚定罄本频率稻袋太频率、撅定辕壅电压、隈定转矩及具有交动减遮 控制、瞬时电源故障后的平稳恢复等功能，并能随时显示各项运行参 数，使用方便。 3 舔特剥；溺步低麓耗邀瓿。1 鞴土特种同步低能耗电机是一种灏型永磁交流电机，由于袋用金 属永磁式材料作电机转子，因而具有功率体积比大，超载性能优越等 特镀，裾对于舅步电撬，存裾阉体积下，功率或转矩可增大一倍。 4 ，高艚密的机械传动系统 变频调速式抽油机的电机轴驱动减速器，减速器输出轴与链轮相 连，通过链条带动箍、藩枵运动。 2 。2 3 控制部分缀成简圈 变频凋速式抽油机控制部分组成简图如图2 - 5 所示。 l 。主邀路 ( 1 ) 电源侧 三相动力电源与逆变器主电路端子( r s t ) 之间设瓮有布线开关 积毫磁接皴器( m c ) ，戳在遵变糅妒功能起馋爱慰甥甄电源，麓壹薮 障扩敝，负载较轻时可用空气开关代替，如图2 - 6 所示。 ( 2 ) 输出侧 逆变秣输出端予爵囊接与邀凌橇獯连，正常建接露，熬负载翻看 电动机将按逆时针方向旋转。如果电动机不对应运行命令，反向旋转， 则可在逆变器u 、v 、w 三个端予连接线中任意交换两根即可。 z i 油大学( 华尔) 硕【一论文第2 章变频调速式抽油机的上作原理 图2 - 5 变频凋速式抽油机( 控制部分) 组成简图 控制电源端子主电路输入端干 图2 - 6 变频调速式抽油机电源例连线图 ( 3 ) 制动单元和制动电阻“” 目前在胜利油田油水井使用过程中，经常出现洗井、j “：液量不均 导致平衡配重差别较大的具体情况，因此需d h 2 z $ l j 动单元和制动电阻 以防电机反向发电冲击控制电路。具体方法如图2 7 所示，通过制动甲 t i 油人学( 4 # 东) 硕j 论文第2 章变频调速式抽油机的l ：作原理 元将制动电阻连接于变频器，甭则变频器将过热和引起故障，制动电 阻亦将过热而损坏。 所示。 图2 7 制动单元和制动电阻的连接 ( 4 ) 接地 为防止漏电产生的电冲击和减少噪音影响，必需有接地。如图2 - 8 e 第三级接地 图2 - 8 接地导线连接方法 2 控制电路连线简图 如图2 - 9 所示。 当连接有磁接触器时，则控制电路应在逆变器启动之前闭合，在 逆变器停止之后断开。 l i 油大学( 4 # 东) 硕：e 论文第2 章变频耀选式抽浊规的1 。佟原躐 零钱m 3 8 0 7 豳2 - 9 变频调速式抽涟规控毒l 电路逡线麓圈 磊涵大学( 华尔) 骧七论文凳3 章硬f 配置及癍矧较静貔编裁 第3 肇硬件配递及应用软件的编制 3 变频调速式捆油视硬件配置 3 1 1 烹电路 富士变频器属于交直一交电聪型变频器，其主要电路由整流器、 滤波器和逆变器所组成，主电路原理接线图如图3 。1 所示。”。 a b c lll r r lk k i d 1d sd 5 电动机的额定功率； 炎频器款额定 歉浚电动极数额定电滋； 变频器的额定魄压电动机的额定电压。 ( 2 ) 在油嗣实际应用中，由于某些电动祝实际负裁较小，运行电流 小，效率低，运行中电动攫实骣功率也较小，这时可以透遮测算其实 际功率、电流等参数来决定是否降级使用，并考虑启动转矩等问题。 ( 3 ) 变频器的容爨设计与选择” 交频器弱容量选定出缀多因索决定，懿赣劝疑容量、惫动撬额定 电流、加速时间等。可以结合实际工作过程和电动机的运行情况综合 考虑。例如对于往复泵应嗣变频器的选择，由于往复泵的多余能量消 蜒在努强遗土，它蛉稔窭筮力不变，琢以选焉潜，霹参考下列公式确 定变频器的容摄。 p = k ( 只一k ：6 q h )( 3 2 ) 或 尸瑙删一予 式中：j p 一一 世 只 d d ( 3 3 ) 变频器测算功率，k w ； 考虑电机和泵调速厢效率变化系数，一般取1 - l 1 2 ： 节流遴行时电动机实测功率，k w ； 泵打回流时的回流量，m 3 h ； 泵的额定排鬣，n 1 3 h ； 第3 章嫂纠蹴美及应耀敬纷嬲编制 爱：一换努系数，k 2 = 转、2 7 8 h 一一一泵出口压力，m p a 。 2 变频器容量选择的原则 按上述方法计簿出变颓器的功率后，考虑交频器的生产系列， 计算如的功率在变频器两容量之闽，废选择上一级容量的变频器， 确保变频器安全有效地运行。 蔫考虑生产发硬，蠢可选释和电动辊容 蠹福嗣的交额器。 31 4 同步电动视的基本原理和特性 1 ，永磁式同步电动帆的构造和基本原理 ( 1 ) 梅造 永磁式同步电动机的定子与三相感应电动机的定子相似，办为空 间互锚1 2 0 ( 电角度) 的三相线圈嵌予定子铁芯中，三相线圈按一定 方式违接螽，弓l 密三条线，爨莲接三榻毫源。 永磁式同步电幼机的转子由稀金属永久磁钢镥4 成，充分利用了 9 0 年代发展的高新技术，可以缩小体积，降低能耗。 f 2 ) 基本源瑾嘲汹3 如图3 7 为永磁式同步电动机原理图( 以二极枕为例) 。当定子远 过三相交流电以后即可产生一个三相交流旋转磁场，从而旋转磁场的 极与转予静缀租疆( 其它掇类窀冀) ，佼转予以定子旋转磁场懿速度旋转。 具体的说明如下。 空载( 无转矩) 运转 设想完全空载，这时转子豹s 裰与旋转磁场的n 裰保持在楣闻的 位置旋转，根据左手定则可判断旋转磁场n 极之左右导体，匿3 - 8 中 瓠油大学( 华衣) 硕上论文第3 章嫂体貔爨及整嬲敬锋鲍编制 ( a 豫：导体( e 鄹b ) 彤成的电磁力方向专鞋反，义囚磁场分东对髂，大小 相等力最相互抵消，结果转矩为0 。 篷3 7 永瓣式露步赵动援蒙理鹫 转子承受负裁时 转子位谶偏差6 角旋转，如图3 - 8 ( b ) 所示，6 是转子磁极相对于定 予旋磁场磁掇静镳羞爱( 零称受载热，又霉穆为转矩熊) ，隧受载嚣交。 毛一f 2 转巍为零 旋转蒜滔与转乎阑霹辘线 转平_ 藩嚣蕤转琏墒5 最耱转 ( a ) 空裁时 ( b ) 楫负载时 圈3 - 8n 步电动机的转矩 转子篦麓转磁场落后5 霸旋转，s 爨最大为9 0 。( r d 2 r a d ) ，在青5 翅的情况f 因转子位置偏差造成磁场丰h 斜，左右电磁力大小不同， l i 油大学( 华东) 硕+ 论文第3 章硬件配置及应用软件的编制 不能抵消，有合力，该力的反作用力即形成转子转矩。气隙处磁场的 磁极情况也可以表示为如图3 - 9 所示。 磷m = o ( a ) 空载时( b ) 有负载时 矧3 - 9 气隙处的磁场情况 ( 3 ) 向量图和等值电路。” 同步电动机转子在同步转速下运转时，在电机的定子绕组中产生 感应电动势e 0 。空载时e o 大小与供电电压相等，相位相同。承受负载 时( 如图3 8 ( b ) ) 转子的磁极比旋转磁场的磁极滞后6 角，因此在电 枢中的感应电动势e o 也滞后6 角，这时供电电压除了与反电势平衡外， 还有包含负载电流在同步电抗x s 与电枢电阻上的压降( 同步电抗 x s 包括漏磁电抗和电枢反应电抗) ，从而负载电流与供电电压之间有 相位差庐。与向量图对应的等值电路如图3 - l o ( a ) 所示。根据向量图显 然有： 萨= 瓯+ i z ，( 3 - 4 ) ( 4 ) 输出功率与s i n 占 忽略电动机的损失，考虑输出功率p 时， p = 3 v c o s = 3 瓦c o s o 因 。，令r a = 0 ，则 vs i n 5 = i x sc o s 0 幽浊大学( 华东) 硕士论文繁3 章硬件配疆及应煺软毂：的缓铡 ，e o s 移一v s i n 8 x s 尸一3 e o v s i n 8 x s ( 3 5 1 可见，同步电动机输出功率与供电电压及负载的正弦使成正比。 a ) 等僵电路 v ( b ) 向量髫 图3 - 1 0 同步电动机的( 电压源) 等值电路和向量图 ( 5 ) 转矩公式 电动捉输出功率与转矩黪关系应为：p = e o m ，嚣阉步毫动枫 的角速度仅与频率- 厂及极数p 有关。 脚：互。笪 旦p 2 因此有： m ：! ；p p ： 3 p e o v s i n 8 , f o 4 矽4 z g r - s ( 3 6 ) 可见转翘也和负载角的正弦傻成正比。 ( 6 ) 转矩特性曲线“” 髫3 - 1 j 薅示，鬻转筵的大小与s i n o 溉毖，在s 为9 0 。f l 雩有最大值 ( 负载角是电气角，极数愈多对应的空一l 愈小) 。电动枧实际工作时6 石油人学 华东) 预士论文第3 章硬f j ：配簧及施厢软件纳编制 约为2 0 左右。 f 。 输出功率p m 、 笊 o 9 0 1 8 0 。 6 ￥ 博转矩区恒鞴出区 一一l 一一 i v l o o一卜 ； | f i f h ：e f m g x j 搿3 - 1 1 转子输出功率与负载角静关系鞫3 - 1 2 逆变器麴v f 的特性设定 负载角因负载而增加，当负载转矩趣过最大转矩时，电动机会停 止转动失去同步，鼓同步毫渤壤驰最大转矩也蹦失步始矩，考虑至i 磁 场分布等因素；实际豹失步转矩按负载角在5 0 “7 矿藏溺内取毯。 2 永磁式同步电动机在p 7 变频器“叫，特性设定一f 工作情况 本交频谣逡式撞。蜜移t 系绫采蠲豹富士f r e n i c 5 0 0 0 p 7 系列燮凝 器，在使用时实现要做“吖特性设定”，即按图3 1 2 所示，对变频 糍键入最大频率( ，龆；) 、基本频率( 乒k 。) 秘额定输出电压( v ) 。现在分析 在这种条件下同步电动机弱工作情况。 ( 1 ) 工作区域的划分和特点 恒转缀隧蠛： ， 磊。时，p 7 变频器将按事先设定，自动保证输出电压与频率 成正比线性关系，按前面介绍的转矩公式，因叫，为固定值，且岛、 掩泡均与频率成正比，围丽e 。s 也近予不变，电动辊转矩 m 篇攀中的5 z 群占以外部分为不变德，即负载角6 一定时，转矩 嚣魏大学 华乐) 磁士论文簿3 章硬纷配遥及斑删软纷熬编制 有固定值，不随频率厂( 或电压矿) 变化敌可称这个区域为俺窳转矩区。 当然实际。f = 作时，电动机的实时输出转矩与当时具体负载的大小( 因 电动机的自谲整俸用，对应的负簸角大小也变化) 有关，这拦的恒定 是指它可能产生的最大转矩是定的。 恒输出区域? 瓦。时，变频器按照搿先设定，变化时使输融电压v 保持 固定值，由功率公式 p ：3 e o v s i n 8 x s 可知最大可能的输出功率缀将为固定使。 ( 2 ) 功率因数c o s # 戆变化携凝。2 3 目每西怒糖同步电渤梳等价戒惫篷源静窀蹲( 奶餮3 - l 静( a ) ) ，翔粟 v a ) 等壤电臻 b ) 淘爨霾 醋3 - 3 游步电动橇瓣泡瀛源等馕奄路帮瓣量蠹 恕电莲三角澎涂以x s ，霹以褥到一令电滚三角形，与之耀对蔽我 f ：l 霹 懿把粥步魄动祝窝等徐电溅源电辫寒代替，具体懿鲻3 - 1 3 所示，图中 负载电流落后_ 丁：电压西角。 彳i 油大学( 华东) 弼十论文第3 掌硬件配置及应崩软件的编制 由这个等值电路和相应的向量图可以分析功率凼数的变化情况。 恒转缒区 如果负载转矩不变，则因负载角及各个电流均不随变化，因而 惫滚与电压的樱位关系不变，当然e o s 乒瞧不变。 如果负载转矩变小，d 角和电枢电流都将下降，设想电动机设计 成在额定电流下工作时，功率因数是对滞后的电流，则当电流减小列 莱个蕊e oc o s 8 一t x 。= 0 时，毫动凝将工份在功率嚣数为l 翁穗况，送 一步减小负载，减小电流，将导致电机= 作在导前的功率因数下，最 低的导前功率因数对应电流，的最小值。 在恒功率输出区 参照图3 1 3 ( b ) ，由于舶和砸都随，线性变化，故疗不变，外 加电压不变，但i ，= 形五随反比下降，相应的负载电滚，与提位萨必 要时不难姨良豢图计算确定。大致是隧，的升高s 蹭鸯h ，即可能变 化列具有导前的功率因数。 3 + 5 霍尔接送秀美 簧藩器) 1 霍尔元件” ( 1 ) 霉尔元馋涎基本工雩# 蒙瑾 霍尔传感器是以霍尔元件为其敏感和转换元件，而霍尔元件则是 利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。如图3 1 4 所示，图中是 令型半导体薄片，长爱为三，宽凄为f ，厚凄为d 。在垂直予该半 导体薄片平面的方向上，施加磁感应强度为b 的磁场，在其长度方向 上邋以电流，。n 型半导体的嚣电机制是自内电子沿着与电流