抽油機(jī)變頻器損耗測試技術(shù)

張衛(wèi)華 崔曉霖（勝利油田東辛采油廠）

抽油機(jī)變頻器損耗測試技術(shù)

張衛(wèi)華 崔曉霖（勝利油田東辛采油廠）

隨著工業(yè)控制技術(shù)的進(jìn)步，變頻器作為一種節(jié)能設(shè)備被大量應(yīng)用到抽油機(jī)系統(tǒng)中。抽油機(jī)在使用變頻后在電參數(shù)上表現(xiàn)出特殊性，這為正確評(píng)價(jià)抽油機(jī)變頻器的節(jié)能效果帶來了一定的困難。在考慮這一因素的前提下闡述了變頻器損耗測試的特點(diǎn)，給出了基于日置3390功率分析儀的變頻器損耗測試原理及方法，測試了不同工況下變頻器的自身損耗情況，并對(duì)相關(guān)測試結(jié)果進(jìn)行了分析。

抽油機(jī) 變頻器 損耗 測試

為了優(yōu)化抽汲參數(shù)、提高系統(tǒng)效率、保護(hù)機(jī)采設(shè)備，并且考慮到快捷調(diào)整和便于管理的需要，變頻 調(diào) 速 技 術(shù) 被 引 入 到 了 抽 油 機(jī) 拖 動(dòng) 系 統(tǒng) 中[1-2]。 變頻器能夠根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際需要，通過改變電源的頻率來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，其運(yùn)行過程中，需要對(duì)輸入電源用大功率二極管進(jìn)行整流和逆變，會(huì)在輸入輸出回路引起的高次諧波，使得抽油機(jī)在使用變頻后在電參數(shù)上表現(xiàn)出某些特殊性。同時(shí)，變頻器作為節(jié)能設(shè)備其本身并沒有什么節(jié)能的效果，相反，由于在抽油機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中增加了一個(gè)環(huán)節(jié)，變頻器自身具有一定的損耗，會(huì)增加抽油機(jī)系統(tǒng)的總損耗，因此，測試變頻器的自身損耗是客觀評(píng)價(jià)變頻器節(jié)能效果和適用性的必備條件。

1 抽油機(jī)用變頻器電參數(shù)的特點(diǎn)

變頻器的主電路一般“—直—交”組成（見圖1）， 外 部 輸 入 380V/50Hz的 工 頻 電 源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在這種工作原理下變頻器的輸入端電壓高次諧波含有率不高，基本上為正弦波，而輸入電流的高次諧波含有率較高，波形為不規(guī)則的波形，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，諧波次數(shù)通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形。對(duì)于GTR大功率逆變元件，其基頻為控制器發(fā)出的受調(diào)制數(shù)據(jù)，而PWM的載波頻率為 2～3kHz。在這種工作原理下，變頻器的輸出端電壓呈現(xiàn)出復(fù)雜的諧振狀態(tài)，高次諧波含有率較高，而受電機(jī)阻容吸收效應(yīng)的作用，輸出端電流高次諧波含有率不高，基本上為正弦波【3】。

圖1 “交-直-交”的主電路

由于抽油機(jī)具有周期性負(fù)荷的特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確測算變頻器的損耗需要測得在一個(gè)完整沖程周期內(nèi)，抽油機(jī)變頻器入端和出端的平均有功功率，同時(shí)，考慮到上述變頻器電參數(shù)的特性，要求用于測算抽油機(jī)變頻器的損耗測試儀器滿足如下要求：

1）能夠同步測試變頻器輸入與輸出端的三相交流電參數(shù)；

2）能夠自動(dòng)跟蹤電能信號(hào)的基波頻率；

3） 單通道采樣頻率不低于 20kbit/s；

4）能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的電能參數(shù)有效值連續(xù)記錄或平均值計(jì)算。

2 基于日置3390的抽油機(jī)變頻器損耗測試方案

3390 功率分析儀是日置公司開發(fā)的一款高精度，寬量程的電能參數(shù)測量儀器，除可以進(jìn)行常規(guī)電氣測量以外，還可以對(duì)變頻器進(jìn)行全面的測試與分析。其主要性能特點(diǎn)如下：

1） 4通道電壓、電流輸入，可同時(shí)測量變頻器輸入和輸出；

2） 主 機(jī) 基 本 精 度 0.1 級(jí) ， 測 量 頻 寬 0.5～150 Hz，單通道采樣頻率 400kbit/s；

3） 可以與多種日置電流傳感器組合使用，具有高精度、寬頻帶及寬量程；

4） 具有 USB 接口，能夠以每個(gè)有效值點(diǎn) 50ms的速度對(duì)電參數(shù)有效值進(jìn)行記錄，能夠手動(dòng)啟停記錄，也能夠設(shè)定記錄時(shí)長，并可將測量數(shù)據(jù)自動(dòng)保存于CF卡中。

根據(jù)上一節(jié)中的論述，日置 3390 功率分析符合抽油機(jī)變頻器損耗測試對(duì)測試儀器的要求。

3390 功率分析儀有 4路電壓、電流測量通道，在同步測量變頻器入端與出端電能參數(shù)時(shí)采用的是兩 瓦 表法[4]， 其 接 線 方法如圖2。 以 出 端 為 例，兩路電流傳感器分別測量 A、C 線的電流，測得 iA和iC，兩路電壓傳感器的中線共同接到 B 線上，相線則 分 別 共 同 接 到 A、 C 線 上 ， 測 得 uAB和 uBC。 這時(shí)，兩路功率值 P3和 P4的代數(shù)和等于變頻器的總輸出功率，即有：

同理，測算得到變頻器入端的輸入功率 P12，進(jìn) 而 得 到 抽 油 機(jī) 變 頻 器 的 損 耗 Ploss及 變 頻 器 的 效 率η，即：

圖2 兩瓦表法測量接線

3 抽油機(jī)變頻器測試數(shù)據(jù)分析

圖3、圖4 分別為 Y-15 和 Y1X234 兩口抽油機(jī)井在相同運(yùn)行頻率下的變頻器入端和出端有功功率有效值波形，錄波時(shí)間均為兩個(gè)完整沖程。這兩口井在各運(yùn)行頻率下的倒發(fā)電量、功率因數(shù)、平衡度及變頻器效率對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 油井變頻器在不同平衡度和頻率下的效率對(duì)比

從中可以得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)變頻器出端功率曲線在負(fù)值區(qū)域時(shí)，抽油機(jī)處于倒發(fā)電階段。從圖3、圖4可以看出，由于平衡情況不同，Y17-5 井倒發(fā)電功率明顯大于Y1X234 井，大部分變頻器都沒有功率負(fù)反饋電路，因此在變頻器的入端測不出負(fù)向功率。

圖3 Y17-5 井變頻器入、出端有功功率有效值波形

2） 如 表1 所 示 ， Y17-5 井 嚴(yán) 重 過 平 衡 而Y1X234井平衡度較好，可以看出平衡度會(huì)影響抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)向功率，進(jìn)而影響變頻器的效率，在大多數(shù)情況下，對(duì)于運(yùn)行在相同頻率下的抽油機(jī)井變頻器，井平衡度越差則變頻器的效率越低。

3）兩臺(tái)抽油機(jī)井在不同頻率下的變頻器入出端的功率因數(shù)，可以看出變頻器有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，在變頻器輸入側(cè)測得的功率因數(shù)要遠(yuǎn)高于輸出側(cè)。

圖4 Y1X234井變頻器入、出端有功功率有效值波形

5 結(jié)論

通過理論論證與現(xiàn)場實(shí)踐，采用日置 3390功率分析儀測試抽油機(jī)變頻器的電參數(shù)數(shù)據(jù)是可行的，同時(shí)，在分析抽油機(jī)變頻電參數(shù)的特點(diǎn)后也給出了選擇變頻器測試儀器的一些參數(shù)，通則。最后，對(duì)變頻器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為變頻器是一項(xiàng)有價(jià)值的節(jié)能技術(shù)，但抽油機(jī)變頻器的選配以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與抽油機(jī)的工況有關(guān)，要充分考慮多方面的因素才能將變頻器的優(yōu)勢發(fā)揮出來。

[1]張斌,龐鵬,萬云峰,等.抽油機(jī)變頻調(diào)速裝置[J].油氣田 地 面 工 程,2006,25（7）:77.

[2]趙來軍,程發(fā)興,范櫻花.抽油機(jī)變頻控制器的應(yīng)用與技術(shù) 發(fā) 展[J].石 油 機(jī) 械,2003,31（10）:65-67.

[3]孫東.抽油機(jī)變頻器電參數(shù)測試技術(shù)[J].油氣田地面工程,2011,30（1）:21-24.

[4]白蓉,周巧娣,劉敬彪.不同制式三相電機(jī)電參數(shù)的測量方 法[J].遙 測 遙 控 ,2002,23（5）:59-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.009.010

2013-03-21）

張衛(wèi)華，工程師，1998年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院 （機(jī)電一體化專業(yè)），從事采油工程管理及機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)工作，E-mail： sd_zl@163.com， 地 址 ： 山 東 省 東 營 市 東 營 區(qū) 北 二 路 432 號(hào) ，257061。