摘要: 游梁式抽油機的應用是通過調(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、豐富的設計經(jīng)驗、獨到的見解、世界級營銷和服務網(wǎng)絡、優(yōu)質(zhì)可靠的變頻器產(chǎn)品，成為世界交流變頻傳動領域尤其是低壓變頻器領域的主要領導者之一。
我單位針對傳統(tǒng)游梁式抽油機的特點和油田的實際應用情況所設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用相關的特性。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。設計變頻器應用程序，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變頻器應用程序設計
●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置抽油機的抽油次數(shù)，改變傳統(tǒng)的設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)、單片機應用。