1　前言

游梁式抽油机，俗称磕头机，在油田上有着广泛的应用。变频器应用于游梁式抽油机，是一种油田节能改造的尝试。本文将施耐德电气ATV340系列变频器在新疆克拉玛依石西油田作业区游梁式抽油机上的应用做简单介绍。

2　抽油机运行原理

抽油机是一个往复式运行的负载，电机转向不变，但是随着电机的旋转，抽油机“驴头”处的悬绳器呈现往复运动，实现采油动作。常规型游梁式抽油机结构示意图如图1所示。

图1 常规型游梁式抽油机结构示意图

在这个过程中，电机的转速并不能实现匀速。在驴头往复运动的后期，由于悬绳器的运动方向和曲柄运动方向在空间矢量上有偏差，因此这个时候电机会被加速，存在发电状态。如图2、图3、图4所示。

图2 在上升（下降同）中期，曲柄运动方向基本与悬绳器运动方向相同

图3 在上升后期，曲柄运动方向与悬绳器运动方向存在一个越来越大的夹角

图4 在下降后期，曲柄运动方向与悬绳器运动方向存在一个越来越大的夹角

当曲柄做旋转运动时，曲柄在垂直方向上的速度分量就应该和悬绳器在垂直运动方向上的速度分量（按比例）一致。由此得知，随着曲柄的运动越来越偏离垂直方向，曲柄在运动方向上的速度会有一个被惯性加速的过程，这是游梁式抽油机发电状态出现的原因。

理想状态下，抽油机的配重和负载一致时，考虑到阻力，发电状态会比较微弱。但是抽油机在运行时，会受到各种因素的影响，例如油层的温度、压力发生变化，结蜡现象，配重不合理等，使抽油机在一个不稳定的状态下运转。按照油田的操作规程，一般每个月都会对油井进行一次热洗，然后重新调整配重。

本次调试的MB5032井，出现了配重严重过轻的现象，变频器在驴头下降阶段长期处于发电状态。如果配重过重，则容易在上升后期出现发电状态。

3　变频器现场应用情况

克拉玛依油田第一批采购了约200套施耐德电气ATV340系列变频器用于抽油机改造，功率范围从11~45kW不等。本文以这次测试的MB5032井为例。变频器参数如下：

电机额定功率：37kW；

电机额定电压：380V；

变频器型号：ATV340D37N4E；

变频器重载37kW，内置制动单元，制动电阻为适合中等制动循环的3.4kW。

3.1　ENA功能

对于抽油机应用，有一个理想功能是ENA。在变频器相关手册中，对于ENA功能的描述是“为带有不平衡载荷的旋转机械设计的控制曲线”，其目的是“允许不带制动电阻器运行”，并“减小连杆上的机械应力”。用一句话概括，即变频器检测到负载处于发电状态时，它给电机定子一个加速旋转的磁场，从而迫使电机回到电动机状态，避开发电机状态。

ATV340变频器可以非常方便地实现ENA功能，只需调整以下参数：

（1）最大频率（tFr）

位于“简单启动”菜单。该参数出厂设置为60Hz，一般情况我们会将其设置为高速频率，但是这里必须将其设置更高值，否则在ENA功能加速电机时，变频器会报“电机过速”。在本次测试中，电机最大速度达到94Hz，所以我们设置其为100~120Hz。

（2）减速自适应（brA）

位于“完整设置”菜单里，“通用功能”的“斜坡”子菜单。该参数出厂设置为“是”，这里需要设置为“否”。

（3）发电转矩限幅（tLiG）

位于“完整设置”菜单里，“通用功能”的“转矩限幅”子菜单。需要设置以下参数：

· 转矩限幅激活（tLA），设置为“是”；

· 发电转矩限幅（tLiG），设置为“0”。

3.2 “液击”现象

ENA功能虽然能够理想地躲开发电状态，但用在抽油机的变频器改造时，必须注意“液击”现象。

当抽油机采油的活塞在做往复运动时，假如地下的油位正好处于上止点和下止点之间，那么下行时，活塞就会和油层发生撞击。最坏的情况下，撞击产生的冲力会将油杆撞弯，造成事故。对于配重过轻的油井，ENA功能加速下降时，会加重这种现象。所以需要特别注意，确认油位完全淹没上止点、加大配重都可以有效地避开这种现象。如图5所示。

图5 抽油机采油的活塞做往复运动示意图

3.3　调试过程

在没有激活ENA功能时，变频器的电流及功率曲线如图6所示。

图6 没有激活ENA功能时，变频器的电流及功率曲线

可以看到，一个循环周期为18秒，发电状态占了7秒。发电状态占比较大，且峰值发电功率占电机额定功率的30%。

经过上述调整后，变频器的电流及功率曲线如图7所示。

图7 激活ENA功能时，变频器的电流及功率曲线

可以看到，电机功率不再出现负值，即不再发电。但是设置50Hz时，电机频率最高达到94Hz。由于速度的提升，循环周期从18秒变成了14秒，提升了采油效率。

由于没有了发电状态，制动电阻彻底不再发热，客户对测试结果非常满意。从电流上看，也没有出现液击现象。

4　结语

对于抽油机的变频器改造，不少油田还处于观望状态，甚至存在否定态度。这是因为普通的变频器改造，是用制动电阻加制动单元的方案实现的，发电状态发出的电能会被制动电阻转化成热量浪费掉。而原先没有变频器时，一旦电动机处于发电状态，发出来的电会回馈电网，被其它抽油机应用。所以这种改造反而造成了能源的浪费。

变频器激活ENA功能后，不再需要制动电阻，电能也不会被转化成热量，不存在能量浪费的现象，这个问题就得到了很好的解决。

此外，对于电机直接工频驱动的油井，不仅存在启动冲击的现象，而且整个电机的功率因数非常低，存在大量的无功功率，用户往往因此收到供电局的大笔罚款。利用变频器改造后，能够从根本上解决这一现象。综上所述，采用施耐德电气带有ENA功能的变频器后，游梁式抽油机不仅能够提高生产效率，而且能够真正实现节能，具有广阔的应用前景。

摘自《自动化博览》2021年6月刊