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英威腾Goodrive300变频器在直线电机抽油机上的应用
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摘 要:直线电机抽油机取消了其他类型抽油机的减速装置,传动装置,运动形式的转换装置,通过直线运动的电机动子直接驱动抽油杆往复运动,节能效果可达50%,大大减小了油田开采的成本,且降低了抽油机的制造成本,具有较好的企业效益和社会经济效益。并且直线电机具有占地小,噪音低,方便调节和维护等优势。下面以英威腾GD300变频器在绍兴某抽油机设备制造厂的应用为例,阐述变频器驱动直线电机的技术。

关键词:GD300 直线电机驱动    抽油机

一、引言

目前,我国油田使用的抽油机80%以上是采用旋转电机为动力源的游梁式抽油机,工作时将旋转运动转换为上限往复运动,实现举升采油。由于系统结构复杂,中间传动部件多,机械损耗大,使得系统整体效率很低,一般不超过30%。近年来研究人员提出了许多新的抽油机系统设计方案,但都效果不是很理想。直线电机抽油机技术的应用正逐渐成为新的研究热点。

二、直线电机抽油机系统简介

1.直线电机抽油机的特点

(1)结构简单:由于直线电机可以直接产生直线运动,抽油机不再需要减速箱,传动皮带,连杆机构等中间环节,使整个系统结构简单,易于维护,体积减小,本体重量减轻。同时,直线电机通过电磁推力驱动,运行时无机械摩擦,系统噪音很小。

(2)启动性能耗:直线电机的启动特性优与旋转电机,故可用功率较小的直线电机,避免出现传统抽油机"大马拉小车"现象。

(3)系统效率高:近年来直线电机的效率略低于旋转式电机。但由于地面损耗小,从系统的角度看其总体效率远高于游梁式抽油机。

(4)冲程和冲次易于调节 通过调整机架的高度或改变直线电机初级的长度就可以方便的调节抽油机的冲程。由于直线电机良好的调速特性,可以通过控制直线电机的运行速度来调节抽油机的冲次。

(5)运行平稳:传统抽油机的运行速度有极大值,而直线电机驱动的抽油机在每个冲程的90%都是匀速运动在平均运行速度相等的情况下,直线电机驱动的抽油机的运动速度最大值要小得多。加速度也小得多,运行更加平稳,同时可以延长设备的使用寿命。

2.直线电机抽油机的结构

直线电机抽油机结构紧凑、重量轻、体积小。动子(相当旋转电机的转子)是直线往复运动,通过柔性连接件、钢丝绳导向轮直接与抽油杆连接。动子的运动与抽油泵柱塞上下运动完全一致,其生产成本低、运行效率高、维护费用小是不难理解的。 它的冲程长度、上冲行程时间、下冲行程时间、分别连续可调,能很方便地实现:上快下慢、上慢下快、上下行程同速的三种作业方式。

图1 直线电机抽油机系统结构图

三、直线电机抽油机控制要求

频率范围:0.2~10Hz,连续可调。

动子运动时频繁换向,要求换向平稳、无撞击现象。

动子频繁切换于上升(重载)和下降(轻载)状态,尽量保证负载变化时运行电流保持较小值,保证系统效率。

往复运动行程可调,即调整冲程,根据出油量选择行程。

上行下行时间可调,上极限下极限停留时间可调,从而调整冲次。

三相输出电压,额定值为660V,考虑长距离传输时的压降。

上行到上极限后保压时间要长,保证较多的出油量。

 
图2 现场图片

四、英威腾GD300变频器介绍

Goodrive300变频器是深圳市英威腾电气股份有限公司新开发的一款高性能开环矢量变频器,具有V/F和无PG矢量两种控制模式,其中在突加减载荷的情况下,速度波动非常轻微;可支持永磁同步电机、变频器电机、直驱电机等,可以为用户减少库存,不再需要为不同的电机备用不同变频器的库存;具有准确的电机参数自学习功能,支持旋转自学习与静态自学习,其中静态自学习可以在电机无法脱开负载的场合准确的学习电机的参数;具有先进的全程三相调制方式,使电机运行更平稳,噪音更小;其他的特性参数、功能如下表所示:

调速比

异步机1:200(SVC),同步机1:20(SVC)

速度控制精度

±0.2%(无PG矢量控制)

速度波动

± 0.3%(无PG矢量控制)

转矩响应

<20ms(无PG矢量控制)

转矩控制精度

≤10%(无PG矢量控制)

起动转矩

异步机:0.25Hz/150%(无PG矢量控制)
同步机:2.5 Hz/150%(无PG矢量控制)

过载能力

150%额定电流1分钟,180%额定电流10秒,200%额定电流1秒

频率设定方式

数字设定、模拟量设定、脉冲频率设定、多段速运行设定、简易PLC设定、PID设定、MODBUS通讯设定、PROFIBUS通讯设定等。
实现设定的组合和设定通道的切换。

自动电压调整功能

当电网电压变化时,能自动保持输出电压恒定

故障保护功能

提供三十多种故障保护功能:过流、过压、欠压、过温、缺相、过载等保护功能

转速追踪再起动功能

实现对旋转中的电机的无冲击平滑起动

五、系统接线及调试

整个系统是通过触摸屏以通过通讯的方式选择不同工艺,给定频率或者是上下行程等参数,通过端子控制变频器启停. Goodrive300系列变频器在控制上性能优异,经过自学习能达到对驱动电机的精确控制。

5.1 系统调试

调试主要要解决几个问题:

一变频器运行电流,分别是上行电流和下行电流尽量的小。

二抽油时,上极限位保持时间尽量长。

三上下行程走位准确,避免误差积累造成上下端的碰撞。

该系统接线主要用到S1启动端子,485通讯线,上下行程往返切换通过程序自动完成。

通过设定抽油机使能功能,实现抽油机的特有工艺。

通过优化软件,使上下行运行电流都比较理想。

通过优化软件,使上限位保持时间较长,现场测试出油量满足客户要求。

调节比例环和电流环相关参数,使运行更加稳定。启停过程保证出力。

通过调整电机组参数,实现更精准的驱动。 5.2 变频器参数设置

变频器部分关键参数见表1。

表1: GD300参数设置情况表

功能玛

功能说明

参数值

功能玛

功能说明

参数值

P0.00

速度控制模式

0




P2.00

电机类型

1




P2.16

同步电机额定频率

10




P2.17

同步电机极对数

83

P23.00

冲程抽油功能使能

1

P2.18

同步电机额定电压

600

P23.01

冲程自学习使能

0

P2.19

同步电机额定电流

50

P23.02

冲程距离

1280

P2.20

同步电机定子电阻

2.278

P23.03

换向点1与下限位点偏置

0

P2.23

同步电机反电动势

520

P23.04

换向点2与上限位点偏置

1000

P3.00

速度环比例增益1

10

  P23.05

抽油往复运行频率

5

P3.02

切换低点频率

4

P23.06

抽油往复加速时间

3

P3.03

速度环比例增益2

10

P23.07

抽油往复减速时间

3

P3.09

电流环比例系数

400

P23.08

抽油点动运行频率

3

P3.10

电流环积分系数

300

P23.09

点动加减速时间

10

P3.20

电动转矩上限键盘设定

200

P23.10

换向点保持时间

2

P3.21

制动转矩

200

P23.11

驱动轮直径

2392

P3.25

预励磁时间

0

P23.12

减速器减速比

1

P13.01

初级励磁检测方式

0

P23.14

冲程位置校正使能

1

P13.02

拉入电流1

20

P23.15

上行下行速度比率

100

P13.03

拉入电流2

10

P23.16

启动点光电选择

0

本系统变频器具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能,能有效保证系统安全高效的运行。

六、结束语

变频器控制功能的日益完善,使得此类高性能变频器将会在越来越多的工业场合中得到应用。变频器在性能优异的基础上价格上也有一定的优势,对于设备制造和使用者既可以降低成本还可以提高原有变频传动的性能。由于直线类电机的应用前景相当好,所以目前这方面的研究十分活跃,在性能上、功率上都有了很大进展。

参考文献

[1] 《Goodrive 300变频器产品说明书》深圳市英威腾股份有限公司

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