抽油机调速设备分析

抽油机调速设备分析
摘要：抽油机工作制度调控方面，现在普遍在电机、调控设备这两方面做文章。

在电机方面通过改变皮带轮的直径大小，来调整电机的转速，如果人工来更换皮
带轮的话，不但工作繁重，且停抽时间增加，同时调控范围也很窄；另一种较为
复杂先进的方法是通过减速齿轮的方法，将速度降下来，这种方法不但增加了机
械故障的概率，而且调速范围相较于改变皮带轮并没有得到改善。

关键词：抽油机；变频器；调速设备；伺服控制系统
一、抽油机调速设备技术分析
1.1变频器
1.1.1变频器的控制方式
变频器的控制方法分类有很多种，其中最常见的分类方法如下：恒压频比控制、直接转
矩控制、矢量控制方式。

1、恒压频比控制
恒压频比控制又称标量PWM控制。

电压、频率给定发送至调节器，为定子磁通提供近
似正弦波。

利用二极管整流桥为直流母线提供直流电压，逆变器通过调制脉冲序列改变电压、频率来控制电机。

恒压频比控制的原理保持电压幅值与频率比值恒为常数的方法，此方法是
通过调节二者的比值来实现的，因二者比值恒定可以保证磁通不变，同时也能够实现功率因
数恒定。

2、直接转矩控制
直接转矩控制(DTC)是二十世纪八十年代中期德国学者提出的又一转矩控制方法。

不同于
矢量控制间接转矩控制，它直接在定子坐标系上通过检测出的定子电流和电压，计算磁链和
转矩幅值和角度，以实现对二者进行跟踪调节。

因此，省去了矢量控制的复杂的坐标变换，
无需解耦，控制结构简单。

3、矢量控制
此控制方式是模拟直流电机的调速方式。

即直流电机的调速系统的输入只有电机端电压
U及励磁电流Ia，而在他励直流电机中两个输入量之间是相互独立的，所以通过单独调节这
两个输入量就会实现直流电机的调速。

n=(U-Ia*R)/（Ceφ）
1.2伺服控制系统
伺服控制系统包括伺服控制器及伺服电机。

1.2.1伺服控制器
伺服控制器除了具备变频的欠过压、过流、过载、缺相、过热等各种保护功能外，在相
同工况下完全可以降低一个容量等级选型使用，节省成本。

控制器还具备以下优势：伺服控制器调速范围宽，可以在极低的转速下运行电机。

0.1冲次/分。

可使抽油机冲次
达到0.1冲次/分，对于低产油井实现经济高速运行。

有效避免了低产井因抽油泵液不足而依
靠间抽解决的落后方式。

速度调控精度高。

通过精密的DSP控制算法，先进的SPWM逆变技术，配合电机速度环
的检测，实现速度的闭环控制。

1.2.2伺服电机
相较普通电机，具备以下优势：
抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场
合特别适用；
启动平稳，启动力矩大。

伺服电机具有低速大扭矩输出特点, 有较高的过载能力,更适合
平稳启动；
电机与散热风机为异轴独立电源，保证电机在低速运行时依然保持良好的散热效果，延
长电机寿命；
1.2.3节能原理
1.启动节能
抽油机伺服控制系统启动方式为软启动，实质为降压启动，原理是通过控制SPWM调制
波形的占空比改变输出电压幅值。

软启动避免了全压启动过程中电流的冲击，将启动电流控
制在3倍以下，相较工频5~7倍大大降低，也降低了冲击对电机轴承的损害。

2.运行稳态节能
抽油机为交变负载，而且在运行过程中为轻载模式。

伺服控制器在运行过程中通过对负
载的检测，调整输出电压（电压与转矩成正比）可以满足足够转矩。

3.调节工作制度降速节能
通过调整伺服控制器输出频率改变抽油机的冲次，在满足工艺要求供排平衡的同时，减
少举升次数，达到节能效果。

1.3开关磁阻开关磁阻电机
功率变换器功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM。

由于SRM
绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是
串联的，因而可预防短路故障。

SRM的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电机相数
以及主开关器件的种类等有关。

本系统所采用的不对称半桥型三相SRM功率变换器主电路。

以A相为例，每相有两个主
开关管1V和2V及续流二极管1VD和2VD。

上下两只主开关管 1V, 2V同时导通时，电压加至
A相绕组两端，产生相电流aI，此时电能转换为磁场能量;当1V和2V关断时，A相绕组产生
的反电势极性如图5示，绕组残余电流la很快减小至零，绕组磁链迅速衰减;当1V开通而关
断时，绕组残余电流I。

经绕组～1VD-1V～绕组形成回路，此时加在绕组上的电压为零电压，电流续流时间较长，绕组磁链衰减缓慢，无能量返还电源。

由于每相绕组有两个主开关管，
故关断时可以采用同时关断两个主开关管的能量回馈方式，或者采用仅关断一个主开关管的
无能量回馈方式，进而使控制方式更加灵活。

这种不对称半桥型线路具有如下的特点： (1)各
主开关管的电压定额为US。

(2)由于主开关管的电压定额与电动机绕组的电压定额近似相等，所以这种线路用足了主开关管的额定电压，有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流。

(3)由于每相绕组接至各自的不对称半桥，在电路上，相与相之间是完全独立的，故这种结构对
绕组相数没有任何限制。

(4)每相需要两个主开关管。

除了电动机绕组与每相开关串联，不
存在上、下桥臂直通的故障隐患之外，很像三相异步PWM 逆变器电路。

综合考虑各种功率
变换器的优缺点及使用场合，选择不对称半桥型功率变换主电路作为主供电电路，保证各相
相互独立、控制灵活、系统容错性好，是开关磁阻电机控制系统中理想的功率变换器。

二、未来展望
变频调控设备技术上国内产品基本成熟，在产品寿命方面无法与国外相比，抽油机本身
要求启动转矩大、功率大，但是在运行中负载大大降低，这就要求变频设备在选用时启动参
数一定得重点关注，而启动性能的优劣会直接影响运行性能。

在V/F调控、矢量调控等调控
策略中在启动过程中使用矢量控制而在运行中使用V/F控制的话，不但能够提高启动效率，
而且节能效果也会非常显著，这就要求工程技术人员，在认真研究抽油机负载的基础上，大
胆尝试新的调控策略，应地制宜产生新的调控方式，已期待达到最好的调控效果。

参考文献：
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