油田变频电机的节能控制分析

金立川 韩涛 尹学超 李华晶

摘 要：在油田抽油机采油过程中其装备的三相异步电机运行所需功率一般小于其装机功率，这就会导致抽油机电机效率低下。在日常实际采油的过程中“大马拉小车”的现象非常普遍，即这种情况就是大功率电机带动小功率负荷的现象。特别是在油井产量下降时，会导致抽油机效率大幅的下降和能耗的増加。因此本文选择抽油机中三相异步电机的节能控制为研究对象，分别在电机启动时和轻载运行时进行节能控制，降低电机的能耗，达到抽油机节能的效果。

关键词：抽油机;电机;节能;控制

抽油机作为油田开采过程中不可或缺的组成设备，其性能的研发和改进也得到了蓬勃发展，逐渐向自动化、智能化、高适应性、低耗电性和高效率性方向迈进。如果把抽油机电机的运行效率仅提高1%，则就可以在一年内节约大量的能耗，这表明节能潜力巨大。因此，本文选择抽油机三相异步电机的节能控制为研究对象，以提高电机的功率因数、降低抽油机的能耗为研究目的，最终达到提高抽油机的系统效率的效果。

1.抽油机电机效率低的原因分析

游梁式抽油机目前是国内外各大油田的主要机械采油的设备。然而抽油机整体效率非常低，导致出现抽油机电机效率低下这种情况主要是因为：一是在抽油过程中，油井的油液表面将缓慢减少，抽油机过剩的能力就变的越发明显;二是为了防止在启动时出现意外，都按照启动时的启动功率来设计抽油机，但是往往在抽油机运行中所需要的功率要比启动时低很多。三是在采油过程中留有一定的备用容量来防止在开采石油过程中出现意外，这样使得抽油机的负载远远小于此时抽油机中装备的电机的负载，简单的说就是大功率电机运行在轻载的情况下，就出现了所谓的“大马拉小车”的现象。

2.电机节能的调压方法

当电机处于空载或者轻载的情况时：电机输出功率较小，但是此时输入电压还是额定值，导致此时的电机效率和电机的功率因数都不高。如果在此时进行电机调压节能控制则需要降低电机的电压，可以使得定子中励磁电流相应减小，电机的铜耗会进一步降低，铁耗也有所降低，显然电机的总损耗会显著的降低，系统运行效率得到了大幅的提高。电机调压节能主要是以效率最高或者损耗最低为目的，从而达到最优调压控制。

2.1最优定子电流法

当异步电机处于某一负载时，必然存在着一个最优的定子电流，这时可以使异步电机达到最高的工作效率。所以当异步电机降压运行在所谓的定子电流最优状态时，这时电机的损耗是最小的。如果此时和电机全压启动运行时相比较，很大幅度的提高了异步电机的工作效率。该方法的工作原理是以电机定子电流为反馈量，在电机运行中自动寻找定子电流最优值点，使电机一直运行在最佳效率下。

2.2最小输入有功功率法

异步电机以输入端的有功功率值最小为控制目标，计算输入的有功功率需要三个变量，分别是电机的电压、电流及功率因数角，所以必须要采集这三个参数变量。降低电机端电压来搜索最小输入功率运行点，当异步电机的输入功率最小时，异步电机的效率会处于近似最优的工作状态，此时电机效率也是最高的。

2.3最小功率因数角法

当异步电机处于轻载或空载状态时，这时适当地降低异步电机的端电压，相应地电机的定子电流也会变小，减少的主要部分是定子电流中的无功分量。因此，异步电机的功率因数将相应地增加，即功率因数角将减小。异步电机将具有一个功率因数角最小的工作点，在这时候电机运行在最优的工作状态下，从而实现异步电机节能控制的目的。

2.4恒功率因数法

通过对电机某相电压与电流之间的相位关系进行分析，再调节电机的电压可以实现电机的恒功率因数节能控制。在电机处于空载或轻载运行时，恒功率因数角控制首先通过比较电压与电流之间的相位关系，再调整晶闸管的触发角，这样就可以使电机的电压电流之间的相位差稳定在固定值，同样功率因数也会维持在给定值附近。当电机空载时代表损耗部分的有功分量小于电机有负载时，两者无功分量基本一样。这样电机带负载后的功率因数大于电机空载时功率因数。如果在电机空载运行时使用了恒功率因数控制器，则有功分量电流基本为固定值，这依旧小于电机有负载时的有功分量电流，然而，由于电机端电压降低，因此电机的无功分量电流比未采用恒功率因数控制器时的电流要小，这就意味着此时电机的功率因数将提高。因此，当电机在空载或轻载条件下运行时，恒功率因数控制器可以提高电机的功率因数，并相应地提高电机的工作效率。

3.电机节能技术研究

3.1软启动器技术

软启动器技术可以在电机启动时降低启动电流等其他参数值，达到节能效果的一种技术。软启动器种类有很多种，利用软启动器，有较好的降低启动电流的效果。

3.2功率因数检测技术

功率因数检测的准确性直接影响着模糊控制器的效果，因此功率检测技术环节非常重要，通过检测某相电压与电流的之间的相位差来得到功率因数的方法。此方法的电路不是很复杂，检测的功率因数值也相对准确。

3.3模糊控制技术

三相异步电机通常是一个严重的非线性控制对象，很难建立电机节能数学模型。如果采用传统的数学分析方法来进行控制，则所获得的节能效果不是太让人满意。采用模糊控制技术来实现对电机的节能控制，这种控制技术不需要建立精确的数学模型，而是在模糊模型的基础上，运用近似推理的手段方法实现对被控对象的控制。

3.4仿真模型的建立

利用仿真软件，对三相异步电机节能控制系统进行仿真研究，包括软启动器模型、三相交流调压模型、电机及其测量模块、功率因数检测模型、PID控制器模型和模糊控制器模型等。

4.节能发展趋势分析

目前我国的抽油机上装备的设备消耗电能太大，为了响应国家节能降耗的口号，未来抽油机的发展要朝着节能减排的方向前进，下面介绍抽油机未来发展的趋势。

4.1智能闭环控制

在油田的抽油机和控制室中安装监控设备，达到在控制室就可以实时监测抽油机工作情况的目的，当油田中油量发生较大变化或者气候天气等各种因素发生时，此时就可以根据实际情况改变抽油机的工作方式，从而达到实时监控及时做出改变的目的。

4.2智能化专家控制与诊断

智能化专家控制与诊断就是在安装监控设备的油井中，当抽油机发生例如：电机的过流、过压、断相保护和油井故障自动停机保护等故障时，可以实现及时在线式解决问题的方式。解决问题迅速且准确，这样大大提升了抽油机抽油的效率，也是未来发展的一个趋势。

4.3负功率电能回馈

负功率大都产生在抽油机运行在下冲程过程中，由于在下冲程过程中在接近底层时抽油机做减速运动，此时将之前产生的负功率都在此阶段损失掉了，也是一种浪费，如果将在下冲程过程中产生的负功率通过反馈环节回收到电网，则可以在很大程度上防止电能的浪费。但是，如果回收电能的反馈环节稳定性强的话，可以实现节能，不会影响抽油机及电网的稳定。相反，如果此环节效果不好或者运行不可靠的话，直接导致电网电能的污染，严重的话则会导致抽油机出现故障甚至停止工作。

4.5降低抽油機变频智能控制装置的成本

目前变频器的价格较为昂贵，由于有时不是针对专门的抽油机所制作的，会导致在油田抽油机环境下工作时会发生不匹配的情况，影响整体的工作效率。因此，可以联合专门的产品部门，再结合抽油机其特殊性批量生产，这样既可以降低成本费用，也可以提高其可靠性。

参考文献：

[1]张晓玲;于海迎;抽油机节能技术概述[J];机械工程师;2006年08期.

[2]方仁杰;朱维兵;抽油机历史现状与发展趋势分析[J];钻采工艺;2011年02期.

[3]谢朝阳;周好斌;基于动液面控制的抽油机变频控制系统[J];石油机械;2009年09期.