一、概况
磕头机是目前采油生产中的主要设备，其数量达10万台以上。电动机装机总容量在3500万kW，年耗电量达百亿度以上。磕头机用电量约占油田总用电量的40%，运行效率非常低，平均运行效率只有25%，功率因数低，电能浪费大。因此，磕头机节能潜力非常巨大，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行业。本文介绍了采用深圳市伟创电气公司的AC80矢量变频器，使磕头机的运动规律适应油井的变化工况，实现系统效率的提高，达到节能增产的目的。
二、抽油机变频改造的几个好处
1、大大提高功率因数，（0.25～0.5提高到0.9以上）。减小了供电电流，从而减小了电网及变压器的负荷。
2、动态调整抽取速度，一方面节能，同时增加原油产量。
3、实现真正“软起动”对电机变速箱抽油机，避免过大机械冲击，延长设备使用寿命。
磕头机作业场景
三、磕头机负载分析
1、国内应用最广泛的是游梁式竖井磕头机，它有三部分组成：
（1）地面部分：由电动机、减速器和四连杆构成。
（2）井下部分：抽油泵（吸入阀、泵筒、柱塞和排油阀），它悬挂在套管中的下端。
（3）抽油杆柱：连接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分。
2、磕头机的电机负荷是按周期变化的，开始起动时，负荷很大，要求启动转矩很大。正常运行时负荷率很低，一般在20%左右，高时负荷率只有30%。电机的负荷曲线有2个峰值，分别为磕头机上、下冲程的“死点”。
未进行平衡的条件下，上、下冲程的负载极度不均衡，在上冲程时，需要提起抽油杆柱和液柱，电机需付出很大能量。在下冲程时，抽油杆柱对电机作功，使电机处于发电状态。通常在磕头机的曲柄上加上平衡块，消除上下冲程负载不平衡度。平衡块调节较好，其发电状态的时间和产生的能量就小，由于抽油负荷是每时每刻在变化，平衡配重不可能随抽油负荷作完全一致的变化，绝大部分磕头机配重严重不平衡，从而造成过大的冲击电流，冲击电流最大可为5倍的工作电流，甚至达到额定电流的3倍。调整好平衡配重，可降低冲击电流为正常工作电流的1.5倍。
负载特性：是恒速运行，由于配重，是变转矩，变功率负载在一个循环周期内有两次发电状态，起动力矩大、惯性大。在国内油田使用的磕头机普遍存在的问题：运行时间长，“大马拉小车”，效率低，耗能大，冲程和冲次调节不方便，有空抽现象。
四、传统磕头机变频器改造的难点
磕头机变频节能改造做了大量的尝试，但都不太成功，主要问题是：
（1）磕头机在一个工作循环中，有两次发电状态，尤其当配重不平衡时，产生的“泵升电压”很高，靠加大变频器直流侧电解电容和减小制动电阻值，不能完全解决问题，并且随着油层的变化，“泵升电压”也在变化。
（2）磕头机起动需要较大的起动转矩，如变频器参数设置不当，易造成过流或不能起动。
（3）以往的变频节能改造设计方案很少考虑油井的油面、油浓度的变化等情况。在提高产量方面，效果不佳。
五、解决方案
磕头机变频改造存在的问题，我司提出以下解决方案：
（1）采用变频调速技术，使电机转速与磕头机负载匹配。在前期井中由于刚开采，油量大，让变频器运行到65.00Hz，电机转速提高30%，采油率比工频提高20%，工效提高1.2倍。在中、后期井中，油量减小，降低转速，减少冲程，一般频率运行至35.00～40.00Hz之间，电机转速下降30%。节电率可达25%，而且提高了功率因数。
（2）动态调节磕头机的冲程频次，随着油井由浅入深的抽取，油量逐渐减小，出现泵充满度不足，泵效下降，当油井的供油能力小于抽油泵排量时，就造成泵抽空和液击现象。降低频率，电机转速下降，提高充满度，不仅节能而且增加原油产量。
（3）动态调节磕头机上下行程的速度，适当降低下行程速度，提高泵内的充满度，适当提高上行程速度，可减小提升中漏失系数，使磕头机工作在最佳运行状态，有效提高单位时间内原油产量。
（4）起动力矩大，运行中负荷低，冲击电流大。要从根本上解决问题，加大电动机极对数或增大减速箱速比，增大输出力矩。变频器正常运行80.00～90.00Hz。这也有利于减少发电状态的能量，减少“泵升电压”。
（5）再生能量的处理问题。增大变频器直流侧滤波电容的容量；减少制动电阻值，提高制动系统的耗电能力，或直接使用回馈制动，减小能量损失；发电时，频率增大。
（6）防空抽，动态调节磕头机冲程频次和上、下行程速度。设定电机的输出功率标准值，实时检测电机输出功率，控制电机转速，大于标准值，加速。反之减速，实现闭环控制。
六、结束语
由于油井的类型和工况千差万别，井下渗油和渗水量每时每刻都在变。磕头机的负载变化是无规律的，故采用变频调速技术，使磕头机的运动规律适应油井的变化工况，实现系统效率的提高，达到节能增产的目的。