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一、引言
隨著我國石油工業發展和油田開發的需要，為了提高油田采油速度和最終采收率，應用機械采油方法，是整個油田開發過程中一個重要步驟。塔架式數控抽油機，是現代機械制造技術、控制技術、功率電子技術與機電一體化技術集成創新的結合它采取控制系統驅動電機運行，通過組合減速傳動使抽油機的動力源和終端負載作換向運動，拖動抽油桿上下反復運行。
塔架式數控抽油機屬于"長沖程、低沖次"機電一體化的抽油機，抽油桿和配重形成了天平式的平衡，相互不斷地交換儲存和釋放勢能的過程，實現了運行時的平衡，使機械效率達到90%以上，無功損耗接近于零，起到了四兩撥千斤的效果，與常規抽油機相比節能效果達到30--70%，解決了常規抽油機機械效率低、難以實現長沖程和高耗能的難題。
二、應用環境分析
1、塔式抽油機系統組成
塔式抽油機，也叫做往復式抽油機。塔式抽油機由動力傳動系統、控制系統、機架及移動裝置、平衡箱，平衡箱安全剎車系統，適用于普通油井的采油作業，尤其適用于長沖程、低沖次的采油工況使用。
2、塔式抽油機負載分析
塔式抽油機所帶為恒轉矩性質負載，啟動時需要超過額定轉矩值的轉矩。工作狀態與電梯工作比較接近，分上升和下降兩個過程，支持懸停，對變頻器轉矩控制特性要求較高，由于永磁同步電機特性決定，在塔式抽油機配重不平衡時會出現能量回饋，因此需要通過反饋裝置反送給電網或者消耗在制動電阻上，以防止母線電壓過沖。
塔式抽油機核心在于永磁同步電動機。永磁同步電機具有低速啟動力矩大、寬調速、高效率和穩態轉速誤差小等特點。可以通過匹配KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器實現平滑調速，在額定電壓下，轉速在0-500r/min之間可調。電動機的勵磁來源于永磁體，使功率因素達0.98以上。
3、塔架式數控抽油機的主要特點
1、采用牢固耐用的組合減速傳動系統，結合工業電腦數字化控制的永磁同步制動電機技術，實現了柔性啟動、加速、減速、超低速運行，避免了抽油機在換向啟動時的機械沖擊，做到了抽油機只保養無大修，延長了抽油機的使用壽命。
2、采用簡練機身，較大限度的利用空間位置，突破了常規抽油機最大沖程和最低沖次的局限，最大沖程可達8米、最低沖次0.5次。擴大了抽油機的使用范圍，擴展了抽油機的使用范圍，特別適合中高含水期大排量、深井、稠油井的重載強抽;延長了抽油桿、抽油泵的使用壽命，適合了當今大排量、低滲透、稠油井、深井的不同開采的需要。
3、用變頻調速和程序自動控制技術，變傳統機械式抽油為現代智能化采油，運行效率高、能耗少、使用可靠，一舉將傳統的機械采油裝備帶入了電子時代。采用無線遙控操作，液晶屏數字顯示，清晰可見，調整參數(沖程、沖次)簡便易行，無級分別調整上下沖程的沖次。可根據井下工況隨時改變參數，達到最大泵效及工藝的要求。
4、獨特的配重設計，能輕松、迅速地完成調整平衡的作業。
5、可靠的安全保障，運行時運動件與人隔離;操作機器與高壓電隔離;調平衡時配重塊落地調整安全無憂，具有過載、失載、缺相等多種保護功能并有自動起機、停機、顯示故障原因、歷史故障記錄等保護功能。
6、 牢固耐用使用方便。抽油機裝卸載、調防沖距上提下掛、碰泵等不用輔助設備即可完成。
目前，永磁同步電機因其結構簡單，體積小，重量輕，功率慣量比大、效率高、精度 高和調速范圍寬等優點，近年來在各領域都得到廣泛的應用。
三、塔式抽油機控制方案
深圳市邁凱諾推出KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器 + 編碼器閉環矢量控制與永磁同步電機一起構成的塔式抽油機驅動系統。通過該系統，可以實現塔式抽油機運行速度更穩定，低速出力扭矩好，自動定位往復運動，上下行程控制更準確。
本文僅以大慶油田一個30kW塔式抽油機使用現場為例進行說明，具體要求有如下：
1、電氣控制原理圖
對于30kW的多級永磁同步電機，充分考慮其啟動及運行時的轉矩要求，可以為其放大兩檔選配變頻器，選配的型號為KE300F-24-045G-T4。塔式抽油機需滿足快速啟停，縮短制動過程，可選用內置的制動單元，制動電阻為16?/6KW。
2、具體使用效果
整個系統對信號的采集方面比較簡潔，因此接線十分方便。KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器是根據塔式抽油機的工作特性，專門開發出來的專用變頻器，在使用時，無需做過多的復雜控制設置， 只需簡單的自學習就能達到對永磁同步電機的精確控制，這樣整個調試過程也變得比較輕松。
采用編碼器做有PG矢量閉環控制，同時通過編碼器記錄上、下限位置之間脈沖數及圈數，再通過永磁同步變頻器程序自動控制沖程和沖次。
3、方案的應用優勢
? 變頻器集成塔式抽油機專用工藝控制邏輯，內置換向及保護邏輯。
? 運行自動搜索原點。
? 支持自動往復運動及間抽功能。
? 自動檢測皮帶打滑并修正累積偏差。
? 沖程及沖次靈活可調。
? 靈活手動修井操控模式，支持懸停。
? 簡化安全保護措施，具備斷繩、打滑、卡井等機械故障報警功能。
四、客戶評價
通過在長時間的運行觀察和一線員工的反饋，KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器+編碼器閉環矢量控制與永磁同步電機一起構成塔式抽油機驅動系統，很好的滿足了塔式抽油機的工作需求，無論在加減速時間、力矩、轉矩動態響應速度、運行電流、電機噪聲、穩速精度等方面均有出色表現。可很好的替代國外同類產品。該系統相對于使用交流異步電機作為驅動裝置，降低了抽油機系統的工作損耗，提升了抽油機的工作效率。
五、結束語
KE300F-24系列塔式永磁同步電機專用變頻器的成功應用，體現出其優異的驅動能力及矢量控制特性。以其高效、低噪聲、大啟動轉矩、高可靠性、良好的調速性能、免維護等優越性在油氣生產中有著良好的應用前景。對于我國提出的建設節約型社會，減少環境污染具有重大的經濟和社會意義。
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