RNB2000-U变频器

雷诺尔RNB2000-U变频器在悬梁式抽油机上的应用

摘要：传统的悬梁式抽油机采用恒速运行加装制动单元或能量回馈的方案，能耗和成本方面存在很大的弊端。本文介绍了以雷诺尔RNB2000-U系列变频器为核心的电控系统在油田抽油机上的应用，提出了能量和功率双闭环控制的全新方案，效率更高，成本更低。

    关键词：RNB2000-U   变频器   悬梁式抽油机   双闭环

一、引言
     我国的油田绝大部分为低能、低产油田，不像国外的油田有很强的自喷能力，大部分油要靠注水来压油入井，靠抽油机(磕头机)把油从地层中提升上来。在我国，以水换油、以电换油是目前油田的现实，耗电费用在我国的石油开采成本中占了相当大的比例。所以，石油行业十分重视节约电能，节省电耗就是直接降低石油的开采成本。 

抽油机节能，其首选方案是采用变频器对其电机拖动系统进行改造，抽油机改用变频器拖动后有以下几个好处：

(1) 提高功率因数：输入侧功率因数可由原来的0.25～0.5提高到0.9以上，大大减小了供电电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支。 

(2) 提高运行效率：可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量，系统效率大大提高。 

(3) 实现了“软起动”：对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，大大延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率。 

但是，变频器用于抽油机电机时，也有几个问题需要解决，主要是冲击电流问题和再生能量的处理问题，下面分别加以分析。

二、悬梁式抽油机现状介绍

2.1 悬梁式抽油机机械机构介绍

游梁式抽油机主要是由四大部分组成的：

(1)游梁部分：驴头、游梁、横梁、尾梁、连杆、平衡块(复合平衡抽油机)

(2)支架部分：横梁轴承座、工作梯、护圈、操作台、支架

(3)减速器部分：底座、减速器筒座、减速器、曲柄、配重块、刹车等部件

(4)配电部分：电机座、电机、配电箱等

2.2 悬梁式变频改造现状介绍

就实际的变频改造情况来看，绝大部分抽油机的配重实际上是严重不平衡的，从而造成过大的冲击电流，不仅无谓浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时也给采用变频器调速控制造成很大的困难：一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护，不能正常工作。 

此外，在油井开采前期储油量大，储油量大，供液足，为提高才有效率可采用固定频率运行，保证较高的产油量。但是在中、后期，由于石油储油量减少，易造成供液不足，电机若仍然工作在当前频率状态势必浪费电能造成不必要的损耗，这时需要考虑实际工作情况，适当降低电机转速减少冲程有效提高充盈率。

三、传统的变频解决方案介绍

变频技术引入到游梁式抽油机控制中去是大势所趋。变频调速属于无极调速，根据电动机工作电流的大小确定电动机的工作频率，这样可以根据井况的变化，方便的调节抽油机的冲程，达到节能和提高电网功率因数的目的。而矢量变频控制技术的应用可保证低速大转矩输出，转速可以平滑地大范围调节。同时，变频器对电动机保护功能齐全，如短路、过载、过压、欠压及失速等，可有效地保护电机及机械设备，保证设备在安全的电压下工作，具有运行平稳、可靠，提高功率因数等诸多优点，是采油设备改造的理想方案。目前主流的解决方案有以下几种：

方案1：变频器加能耗制动单元

这种方式比较简单，但运行效率低。这主要是因为恒速运行时下冲程状态下电机发电能量回馈导致的。在使用普通变频器时，普通变频器的输入是二极管整流，能量不可反方向流动。上述这部分电能没有流回电网的通路，必须用电阻来就地消耗，这就是必须使用能耗制动单元的原因，也直接导致了能耗较大，整体效率偏低。

缺点：能效偏低，且需加装制动单元和制动电阻。

方案2：变频器加回馈单元控制

为了回馈再生能量，提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈电网。这样一来，系统就更复杂，投资也更高了。所谓能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。加装能量回馈单元的变频器，用户可根据油井的液位、压力确定抽油机的冲机、速度和产液量，降耗节能，提高泵效；使设备减少磨损，延长使用寿命，高效节能低成本，实现在最大节能状态下的自动化运行。但由于变频器和回馈装置的工作模式，使用能量回馈的方案对于电源端谐波污染很大，电网质量下降明显。

缺点：需要加装回馈装置，成本较高，且对电网污染很大。

四、雷诺尔RNB2000-U系列变频解决方案介绍

鉴于传统的变频改造方案的种种弊端，上海雷诺尔科技股份有限公司通过对悬梁式抽油机工艺的深入探究，采用基于悬梁式抽油机控制工艺的专用软件逻辑，采用能量与功率的双闭环控制，实现对输出频率的连续平滑调整，实现消除负转矩控制，来避免电机动能的回馈、避免母线电压过高。进而达到省去制动单元、省去能量回馈装置的目的，避免了传统变频改造方案的种种弊端。

本方案的核心控制思想是恒输出功率控制，变频器基于输出功率环恒定的PID控制模式，通过调整输出频率来实现恒输出功率控制，可以在满足冲次的前提下，有效降低平均输出功率，实现有效节能，以及保护抽油机机构装置。也就是说，变频器不需要设定特定的运行频率，实际输出频率通过PID闭环自动调节。下冲程时，由于负载由于惯量较大，同步转速低于电机转速时电机发电，变频器输出转矩为负，此时变频器自动提高输出频率消除负转矩避免电机处于发电状态。上冲程时，位能完全转换成动能，此时转速最高，惯量最大，电机减速进行上冲程动作，当转速较低时，变频器工作于恒输出功率的PID调节模式，此时变频器自动提高上冲程转速，完成上冲程动作。

通过整个控制过程可知，电机一直没有处于发电状态，因此无需加装制动单元和RBU回馈装置。同时，整个冲程过程中，下冲程慢，可以浸入更多的油；上冲程快，减少漏油量：大大提高了产油量。

优点：无需加装能量消耗或回馈装置，成本更低；且优化了采油工艺，整机效率大幅提高；变频器母线电压稳定，整机热耗低，整机稳定性更好。

关键参数设置如下：