經(jīng)典案例：英威騰Goodrive300系列變頻器在地面直驅(qū)螺桿泵抽油機(jī)上的應(yīng)用

摘要：地面直驅(qū)式螺桿泵是在螺桿泵基礎(chǔ)上發(fā)展而成的抽油機(jī)械，采用永磁同步電機(jī)帶動光桿直接驅(qū)動井下螺桿泵，減少了機(jī)械減速器和皮帶減速器，效率很高。本文介紹了英威騰Goodrive300開環(huán)矢量型變頻器在地面直驅(qū)螺桿泵上的應(yīng)用，其控制性能可靠，節(jié)能效率高。本文僅以37kW的Goodrive300變頻器為例進(jìn)行分析，并為地面直驅(qū)式螺桿泵的節(jié)能改造提供應(yīng)用方案。
關(guān)鍵詞：變頻器   地面直驅(qū)螺桿泵  英威騰

1、引言
        地面直驅(qū)螺桿泵是近年來迅速發(fā)展起來的一種采油機(jī)械，特別適合高黏稠、高含氣、高含砂、高含水以及低產(chǎn)油井的原油開采，能有效地克服氣鎖、砂卡等現(xiàn)象，且占地面積小，效率高，其增產(chǎn)節(jié)能優(yōu)越性正日益顯現(xiàn)。地面直驅(qū)螺桿泵采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動，取消了皮帶傳動、減速箱齒輪二級減速的驅(qū)動裝置，配備INVT新一代的開環(huán)矢量變頻器Goodrive300，采用電磁剎車的方式，使泵桿彈性變形緩慢的釋放，整個系統(tǒng)簡潔而又緊湊，操作簡單，運(yùn)行高效平穩(wěn)。
2、地面直驅(qū)螺桿泵介紹
        永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵由機(jī)械傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，它取消了傳統(tǒng)的皮帶傳動、減速箱減速裝置、停機(jī)防反轉(zhuǎn)機(jī)械裝置等，低速永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動光桿帶動井下螺桿泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。動力傳輸方式是：電機(jī)的扭矩由電機(jī)空心軸-密封連接套-方卡子-光桿。光桿通過電機(jī)的空心軸伸出，通過方卡子與電機(jī)空心軸聯(lián)接，將電機(jī)扭矩傳遞到泵桿上。井口的軸向承載和機(jī)械密封裝置設(shè)計(jì)在電機(jī)的下端面和空心軸內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)軸向承載、機(jī)械密封及動力電機(jī)基于一體的設(shè)計(jì)。密封組合將動密封與靜密封組合在一起，保證采出液不外漏，電機(jī)的下端與承重段聯(lián)接，它承擔(dān)全部泵組的重量，承重段的承重軸承應(yīng)用潤滑油潤滑，方便維修和換油。另外，在承重裝置殼體的上法蘭增加了一個溢流通道，將機(jī)械密封正常工作時產(chǎn)生的微小泄露液體排出，防止造成機(jī)油乳化降低潤滑效果。

圖1永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵外觀圖及結(jié)構(gòu)圖

直接驅(qū)動方式不需要配置減速箱，不但提高了系統(tǒng)的工作效率，也避免了傳統(tǒng)螺桿泵采油系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的更換皮帶輪、添加潤滑油、改變生產(chǎn)參數(shù)和管理維護(hù)不便等問題。

3、采用Goodrive300驅(qū)動的直驅(qū)式螺桿泵驅(qū)動控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
3.1、采用永磁同步電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)
        普通螺桿泵的機(jī)械傳動效率只有80%左右，而通過電機(jī)直接驅(qū)動光桿，傳動效率可以達(dá)到98%。直驅(qū)式螺桿泵的驅(qū)動電機(jī)為永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)雖然不可直接啟動，但它具有以下特點(diǎn)：
（1）體積小，功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊。
（2）運(yùn)行效率高。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步，與異步電機(jī)相比，無轉(zhuǎn)子損耗；與普通電勵磁同步電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子不需外加勵磁電源，消除了勵磁損耗。因此，永磁同步電機(jī)的額定效率可達(dá)到94％以上。永磁同步電機(jī)輕載時效率高，最高可達(dá)額定值的96％左右，而異步電機(jī)在輕載運(yùn)行時的效率遠(yuǎn)低于其額定值。因此，在大部分運(yùn)行時間處于輕載狀態(tài)的工況下，永磁同步電機(jī)的節(jié)電效果更加理想。綜合來看，永磁同步電機(jī)的效率比同規(guī)格感應(yīng)電機(jī)提高6%~10%。
（3）功率因數(shù)高。由于轉(zhuǎn)子為永磁體，永磁同步電機(jī)定子側(cè)無需提供勵磁電流，并且電感壓降比較小，在輕載和重載范圍內(nèi)功率因數(shù)都比較高，即保證整個功率范圍內(nèi)保持較高的功率因數(shù)，由于異步驅(qū)動電機(jī)在輕負(fù)載運(yùn)行時功率因數(shù)低，因此使用永磁同步電機(jī)后的無功節(jié)電效果相當(dāng)顯著。
（4）啟動力矩大，過載能力強(qiáng)，且適合于做多對極，可不加傳動箱直接驅(qū)動負(fù)載。
3.2 Goodrive300永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)
        地面直驅(qū)式螺桿泵抽油機(jī)啟動扭矩大，要求配置高性能的驅(qū)動控制器，INVT新一代Goodrive300變頻器選用TI公司最新推出的32位DSP芯片，具有專門針對永磁同步電動機(jī)的矢量控制，具有很高的電機(jī)控制性能及精度，其主要技術(shù)特點(diǎn)[1]如下：
?  永磁同步電機(jī)開環(huán)矢量控制啟動扭矩為2Hz/200%；
?  過載能力：150%額定電流60s；180%額定電流10s；
?  開環(huán)控制精度可達(dá)0.2%最高轉(zhuǎn)速；
?  可支持2組同步電機(jī)切換控制；
?  支持Modbus、Profibus、以太網(wǎng)、CAN總線通訊協(xié)議；
?  具有轉(zhuǎn)速追蹤功能，輕松實(shí)現(xiàn)任何時候電機(jī)無沖擊啟動；
?  0s加速時間，可直接啟動而不過流；
?  標(biāo)配數(shù)字電位器，并支持多種靈活頻率調(diào)節(jié)模式；
?  可支持參數(shù)拷貝和下載；
?  故障代碼多達(dá)36種，記錄前6次故障代碼以及前3次詳細(xì)的故障信息；
?  可采用法蘭式安裝，節(jié)省客戶安裝空間；
      Goodrive300采用注入電流的方式可在30ms內(nèi)完成初始磁極位置的檢測從而保證啟動轉(zhuǎn)矩大及控制電機(jī)不失步，控制系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)的啟動性能、速度精度、穩(wěn)定度等完全滿足工況要求。
        由于螺桿泵抽油機(jī)系統(tǒng)停機(jī)過程比較復(fù)雜，反轉(zhuǎn)時存在安全隱患，若反轉(zhuǎn)扭矩過大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速失控將造成抽油桿折斷等嚴(yán)重后果。Goodrive300變頻器具有轉(zhuǎn)速追蹤功能，當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速失控時，可以平滑無沖擊啟動變頻器（電機(jī)），讓其反扭矩在受控的情況下緩慢釋放。
        Goodrive300支持Modbus、Profibus等通訊功能，可以為構(gòu)建油田自動化、數(shù)字化提供標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。另外，螺桿泵抽油機(jī)防反轉(zhuǎn)一直是這種抽油方式最大的控制問題，若采用其他控制器（如PLC）來控制變頻器，則可以編入防反轉(zhuǎn)程序，最大限度的保證停機(jī)的安全可靠。
        采用Goodrive300變頻驅(qū)動永磁同步電機(jī)在不同頻率和不同負(fù)載下其整體效率（變頻器+電機(jī)）高，可達(dá)93%（在江漢石油某機(jī)械廠試驗(yàn)測試平均數(shù)據(jù)）。螺桿泵抽油機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它在不同的井況下有不同的最佳運(yùn)行工況，在保證單井最大的采液量的情況下，控制螺桿泵的轉(zhuǎn)速至最低可最大限度的降低電機(jī)的運(yùn)行功率，加之整套系統(tǒng)本身的高效率，單井抽油系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，從宏觀上看，也可節(jié)約整個采油廠成本，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展亦有積極作用。