摘要: 游梁式抽油機(jī)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(jī)工作原理, 根據(jù)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線設(shè)計(jì)了一種智能控制器。其控制原理為電機(jī)正常工作時(shí)給出合適的電流限制，實(shí)現(xiàn)在電動(dòng)周期電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度小于參考值，在發(fā)電周期電動(dòng)機(jī)實(shí)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(jì)了控制系統(tǒng), 實(shí)踐表明:控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益. 
關(guān)鍵詞: VACON變頻器 ; 游梁式抽油機(jī) ; 平衡負(fù)載;
中圖分類號(hào)：TP273     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Application of VACON Frequency Inverter to Beam Pump 
                                 Li Yan2   Yao Xu-dong  Lü Meng-quan
(Shenyang Institute of Technology, Shenyang 110045 , China)
Abstract: The Beam Pump Application is to keep constant stoke(SPM) by adjusting internal frequence reference .This Paper analyses the
 principle of Beam Pump and designs a Inligent Controller by it’s torque characteristic, Control principle is to give proper current
 limit for normal operation so that during motoring cycle motor actual 
speed is less than reference but during generating side motor speed is 
allowed go higher than reference, keeping the average SPM constant。With this controller to design the control system .This system run steadily 
and has gained considerable economic benefits . 
Keywords:VACON Frequency Inverter ; Beam Pump ;  Balanced load
1  引言
游梁式抽油機(jī)是目前各個(gè)油田所普遍采用抽油機(jī)，但是目前的抽油機(jī)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(diǎn)。
針對傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī), 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(dòng)化生產(chǎn)線，每年產(chǎn)量達(dá)到120,000臺(tái)，產(chǎn)品功率覆蓋0.55kW~2200Kw。是世界上*的一家變頻器專業(yè)制造商。憑借雄厚的研發(fā)實(shí)力、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、獨(dú)到的見解、*營銷和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、可靠的變頻器產(chǎn)品，成為世界交流變頻傳動(dòng)領(lǐng)域尤其是低壓變頻器領(lǐng)域的主要之一。
我單位針對傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)和油田的實(shí)際應(yīng)用情況所設(shè)計(jì)的新型智能化電氣油田抽油機(jī)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)出的抽油機(jī)軟件，根據(jù)游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和油田采油井的實(shí)際情況，自主開發(fā)設(shè)計(jì)的游梁式抽油機(jī)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(fù)合平衡的三種游梁式油田抽油機(jī)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)輸入必須的抽油機(jī)參數(shù)后，控制器將對抽油機(jī)進(jìn)行靜態(tài)建模；實(shí)際運(yùn)行時(shí)，控制器將根據(jù)抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)修改抽油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
2  游梁式抽油機(jī)的工作原理
 當(dāng)游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)上作用的載荷是變化的。上沖程時(shí)，驢頭懸點(diǎn)需提起抽油桿柱和液柱，在抽油機(jī)未進(jìn)行平衡的條件下，電動(dòng)機(jī)就要付出很大的能量。在下沖程時(shí)，抽油機(jī)桿柱轉(zhuǎn)而對電動(dòng)機(jī)做功，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。抽油機(jī)未進(jìn)行平衡時(shí)，上、下沖程的載荷極度不均勻，這樣將嚴(yán)重地影響抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱和電動(dòng)機(jī)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(diǎn)，一般在抽油機(jī)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(diǎn)下沖程時(shí)，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(dòng)機(jī)付出部分能量。在上沖程時(shí)，平衡重由高處下落，把下沖程時(shí)儲(chǔ)存的位能釋放出來，幫助電動(dòng)機(jī)提升抽油桿和液柱，減少了電動(dòng)機(jī)在上沖程時(shí)所需給出的能量。
 目前使用較多的游梁式抽油機(jī)，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中，有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和兩個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)平衡配重調(diào)節(jié)較好時(shí)，其發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間和產(chǎn)生的能量都較小。
3  抽油機(jī)控制器設(shè)計(jì)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(gè)符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計(jì)Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和功能模塊，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(bào)警，必須加制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻消耗能量，達(dá)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(jī)工作時(shí)，驢頭懸點(diǎn)載荷是非線性變化的。設(shè)計(jì)變頻器應(yīng)用程序，根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化情況，變頻器將實(shí)時(shí)計(jì)算抽油機(jī)此時(shí)應(yīng)該運(yùn)行的速度，實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的時(shí)間，使下沖程速度加快，而上沖程速度變慢，達(dá)到增產(chǎn)的目的，同時(shí)當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器將控制電機(jī)采用抽油機(jī)的慣性運(yùn)行，而不輸出任何的轉(zhuǎn)矩。采用這樣的計(jì)算方法后，抽油機(jī)工作所需的轉(zhuǎn)矩和電流將明顯減小，由于抽油機(jī)速度快時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩小，速度慢時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)矩也比工頻時(shí)小，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)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(jì)
l 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)采用抽油機(jī)變頻起動(dòng)程序
根據(jù)抽油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流較大的情況，采用了特殊的起動(dòng)和運(yùn)行方式，減小其起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，并確保抽油機(jī)在任何位置都能很好地起動(dòng)。
l 電動(dòng)機(jī)工作時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算修改上、下沖程速度，保持恒定抽油時(shí)間
由于每次采油量的不同，因而可能造成每次抽油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間的長短都不一致，所以在所設(shè)計(jì)的抽油機(jī)程序中，將實(shí)時(shí)計(jì)算上、下沖程的速度，保持恒定的抽油時(shí)間和速度。
平衡負(fù)載模式控制方式如圖2 ,此模式下，電動(dòng)機(jī)沒有很清晰的發(fā)電狀態(tài)。
根據(jù)電機(jī)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(jì)智能控制器,控制變頻器輸出頻率。控制器的輸入信號(hào)為與沖程次數(shù)對應(yīng)的電壓信號(hào)，反饋信號(hào)為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、變頻器輸出頻率信號(hào)。
智能變頻器控制程序設(shè)計(jì)規(guī)則：如圖2
位置1為*計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩高于這一參考轉(zhuǎn)矩極*允許計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
時(shí)間2 低參考值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置1的時(shí)間。此時(shí)間采用低頻率參考值。
位置3 *轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置3且當(dāng)時(shí)間2到后采用高參考頻率值。
時(shí)間4 高參考值zui小時(shí)間。給定高參考值后直到允許低參考值的zui小時(shí)間。
時(shí)間5 高參考值zui小循環(huán)時(shí)間。高參考值后直到再次為高參考值的zui小時(shí)間。
位置6 第二計(jì)數(shù)起始點(diǎn)。此參數(shù)定義為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩高于低參考極*允許計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
時(shí)間7 高參考頻率值允許時(shí)間。轉(zhuǎn)矩必須高于位置6的時(shí)間。此間采用高參考值。
位置8第二轉(zhuǎn)矩中間點(diǎn)。轉(zhuǎn)矩小于位置6且當(dāng)時(shí)間7到后采用低參考值。
3.2 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果分析 
抽油機(jī)多功能控制柜在遼河油田洼3737井、海C9-17井投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，控制柜運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能*。變頻器運(yùn)行參數(shù)曲線如圖4所示。抽油機(jī)上沖程要慢,電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài), 圖中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低,變頻器輸出頻率低, 電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正,直流母線電壓低。抽油機(jī)下沖程要快,部分時(shí)間電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài), 圖中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,變頻器輸出頻率高, 處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù),直流母線電壓很高。
 
系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為節(jié)電率15%，增產(chǎn)率5%。系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)如下表：達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
井號(hào)及電機(jī)型號(hào) 洼3737  y280m-8 海C9-17 y280m-12
工    況 變頻 共頻 變頻 共頻
有功日均耗電 137度 188度 135度 143度
無功日均耗電 33度 799度 27度 778度
有功節(jié)電率 27%  5.93% 
無功節(jié)電率 96%  96.6% 
綜合功節(jié)電率 34．9% 18．37%
日均液量 12.15噸 9.225噸 23.1噸 20.1噸
變頻實(shí)驗(yàn)增產(chǎn)率 31.7% 9.95%
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(shí)現(xiàn)了其它普通變頻器無法實(shí)現(xiàn)的功能。因此，本系統(tǒng)具備如下優(yōu)點(diǎn)：
1  人機(jī)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(yùn)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(jī)運(yùn)行消耗的能量，運(yùn)行時(shí)間，抽油次數(shù)等。變頻器的運(yùn)行參考可直接設(shè)置抽油機(jī)的抽油次數(shù)，改變傳統(tǒng)的設(shè)置電機(jī)運(yùn)行頻率的操作方式，具有良好的人機(jī)界面。
2  運(yùn)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(jìn)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(dú)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(yùn)行更安全，性能更加可靠。
3  節(jié)能，增產(chǎn)
控制器內(nèi)無任何的制動(dòng)電阻，當(dāng)抽油機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)提高電機(jī)的運(yùn)行速度，并儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)狀態(tài)的能量，比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)際情況，特殊開發(fā)的控制程序，它能自主判斷抽油機(jī)運(yùn)行的上下沖程，根據(jù)油井的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)上下沖程的速度，達(dá)到實(shí)際抽油時(shí)，不更改每分鐘的抽油次數(shù)，但增加每次抽油時(shí)的采油量，提高抽油機(jī)的產(chǎn)量。