抽油机变频器损耗测试技术

张卫华 崔晓霖（胜利油田东辛采油厂）

抽油机变频器损耗测试技术

张卫华 崔晓霖（胜利油田东辛采油厂）

随着工业控制技术的进步，变频器作为一种节能设备被大量应用到抽油机系统中。抽油机在使用变频后在电参数上表现出特殊性，这为正确评价抽油机变频器的节能效果带来了一定的困难。在考虑这一因素的前提下阐述了变频器损耗测试的特点，给出了基于日置3390功率分析仪的变频器损耗测试原理及方法，测试了不同工况下变频器的自身损耗情况，并对相关测试结果进行了分析。

抽油机 变频器 损耗 测试

为了优化抽汲参数、提高系统效率、保护机采设备，并且考虑到快捷调整和便于管理的需要，变频 调 速 技 术 被 引 入 到 了 抽 油 机 拖 动 系 统 中[1-2]。 变频器能够根据电动机的实际需要，通过改变电源的频率来实现电动机的调速，其运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管进行整流和逆变，会在输入输出回路引起的高次谐波，使得抽油机在使用变频后在电参数上表现出某些特殊性。同时，变频器作为节能设备其本身并没有什么节能的效果，相反，由于在抽油机拖动系统中增加了一个环节，变频器自身具有一定的损耗，会增加抽油机系统的总损耗，因此，测试变频器的自身损耗是客观评价变频器节能效果和适用性的必备条件。

1 抽油机用变频器电参数的特点

变频器的主电路一般“—直—交”组成（见图1）， 外 部 输 入 380V/50Hz的 工 频 电 源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在这种工作原理下变频器的输入端电压高次谐波含有率不高，基本上为正弦波，而输入电流的高次谐波含有率较高，波形为不规则的波形，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其基频为控制器发出的受调制数据，而PWM的载波频率为 2～3kHz。在这种工作原理下，变频器的输出端电压呈现出复杂的谐振状态，高次谐波含有率较高，而受电机阻容吸收效应的作用，输出端电流高次谐波含有率不高，基本上为正弦波【3】。

图1 “交-直-交”的主电路

由于抽油机具有周期性负荷的特点，为了准确测算变频器的损耗需要测得在一个完整冲程周期内，抽油机变频器入端和出端的平均有功功率，同时，考虑到上述变频器电参数的特性，要求用于测算抽油机变频器的损耗测试仪器满足如下要求：

1）能够同步测试变频器输入与输出端的三相交流电参数；

2）能够自动跟踪电能信号的基波频率；

3） 单通道采样频率不低于 20kbit/s；

4）能够实现一个时间段内的电能参数有效值连续记录或平均值计算。

2 基于日置3390的抽油机变频器损耗测试方案

3390 功率分析仪是日置公司开发的一款高精度，宽量程的电能参数测量仪器，除可以进行常规电气测量以外，还可以对变频器进行全面的测试与分析。其主要性能特点如下：

1） 4通道电压、电流输入，可同时测量变频器输入和输出；

2） 主 机 基 本 精 度 0.1 级 ， 测 量 频 宽 0.5～150 Hz，单通道采样频率 400kbit/s；

3） 可以与多种日置电流传感器组合使用，具有高精度、宽频带及宽量程；

4） 具有 USB 接口，能够以每个有效值点 50ms的速度对电参数有效值进行记录，能够手动启停记录，也能够设定记录时长，并可将测量数据自动保存于CF卡中。

根据上一节中的论述，日置 3390 功率分析符合抽油机变频器损耗测试对测试仪器的要求。

3390 功率分析仪有 4路电压、电流测量通道，在同步测量变频器入端与出端电能参数时采用的是两 瓦 表法[4]， 其 接 线 方法如图2。 以 出 端 为 例，两路电流传感器分别测量 A、C 线的电流，测得 iA和iC，两路电压传感器的中线共同接到 B 线上，相线则 分 别 共 同 接 到 A、 C 线 上 ， 测 得 uAB和 uBC。 这时，两路功率值 P3和 P4的代数和等于变频器的总输出功率，即有：

同理，测算得到变频器入端的输入功率 P12，进 而 得 到 抽 油 机 变 频 器 的 损 耗 Ploss及 变 频 器 的 效 率η，即：

图2 两瓦表法测量接线

3 抽油机变频器测试数据分析

图3、图4 分别为 Y-15 和 Y1X234 两口抽油机井在相同运行频率下的变频器入端和出端有功功率有效值波形，录波时间均为两个完整冲程。这两口井在各运行频率下的倒发电量、功率因数、平衡度及变频器效率对比结果见表1。

表1 油井变频器在不同平衡度和频率下的效率对比

从中可以得出如下结论：

1）当变频器出端功率曲线在负值区域时，抽油机处于倒发电阶段。从图3、图4可以看出，由于平衡情况不同，Y17-5 井倒发电功率明显大于Y1X234 井，大部分变频器都没有功率负反馈电路，因此在变频器的入端测不出负向功率。

图3 Y17-5 井变频器入、出端有功功率有效值波形

2） 如 表1 所 示 ， Y17-5 井 严 重 过 平 衡 而Y1X234井平衡度较好，可以看出平衡度会影响抽油机电动机的负向功率，进而影响变频器的效率，在大多数情况下，对于运行在相同频率下的抽油机井变频器，井平衡度越差则变频器的效率越低。

3）两台抽油机井在不同频率下的变频器入出端的功率因数，可以看出变频器有无功补偿的作用，在变频器输入侧测得的功率因数要远高于输出侧。

图4 Y1X234井变频器入、出端有功功率有效值波形

5 结论

通过理论论证与现场实践，采用日置 3390功率分析仪测试抽油机变频器的电参数数据是可行的，同时，在分析抽油机变频电参数的特点后也给出了选择变频器测试仪器的一些参数，通则。最后，对变频器的测试数据进行了分析，认为变频器是一项有价值的节能技术，但抽油机变频器的选配以及经济运行与抽油机的工况有关，要充分考虑多方面的因素才能将变频器的优势发挥出来。

[1]张斌,庞鹏,万云峰,等.抽油机变频调速装置[J].油气田 地 面 工 程,2006,25（7）:77.

[2]赵来军,程发兴,范樱花.抽油机变频控制器的应用与技术 发 展[J].石 油 机 械,2003,31（10）:65-67.

[3]孙东.抽油机变频器电参数测试技术[J].油气田地面工程,2011,30（1）:21-24.

[4]白蓉,周巧娣,刘敬彪.不同制式三相电机电参数的测量方 法[J].遥 测 遥 控 ,2002,23（5）:59-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.009.010

2013-03-21）

张卫华，工程师，1998年毕业于江汉石油学院 （机电一体化专业），从事采油工程管理及机采系统节能技术工作，E-mail： sd_zl@163.com， 地 址 ： 山 东 省 东 营 市 东 营 区 北 二 路 432 号 ，257061。