帶能量回饋功能抽油機智能控制柜的相關設計

陳津剛（大港油田公司采油工藝研究院，天津 300280）

帶能量回饋功能抽油機智能控制柜的相關設計

陳津剛（大港油田公司采油工藝研究院，天津 300280）

目前油田在用變頻控制柜大都采用二極管作為整流橋，沒有辦法將電機回饋系統的能量送回電網，為此用能上不夠經濟，同時二極管整流橋對電網也易產生嚴重的諧波污染。本文提出一種將四象限變頻器應用于400V控制柜的智能化設計，并從技術原理、設計要求、系統設計、電氣設計、上位機監控軟件等5個方面介紹其設計內容。

四象限；智能調控；簡要機理；上位機

1 四象限變頻器技術原理介紹

普通的變頻器的整流部分大都采用二極管整流橋，只能工作在電動狀態，所以稱之為兩象限變頻器。由于兩象限變頻器無法實現能量的雙向流動，所以沒有辦法將電機回饋系統的能量送回電網［1］。而抽油機在一個沖次內，電流I及相位角φ總是變化的，相位角φ大于90°時電流I為負，這時電機為發電狀態。如仍采用兩象限變頻器，需要將電動機回饋的能量消耗掉，而四象限變頻器整流部分也像逆變部分一樣采用了IGBT功率模塊，IGBT功率模塊可以實現能量的雙向流動，一方面通過調整輸入的功率因數，消除了對電網的諧波污染，另一方面將電動機回饋產生的能量反送到電網，達到了徹底的節能效果［2］。同時，電動機也具有了四象限運行（電動、反接制動、反向電動、反轉制動）特性［3］。其電路圖見圖1。

圖1 四象限變頻器的電路原理圖

2 設計要求

數字化控制柜是本項設計的重點，它涉及到電氣設計、自動化模塊設計、柜體結構設計。電氣設計主要通過對現場應用環境的研究，制定先進的傳動調速設備的技術標準，匹配可靠的電氣控制策略，使抽油機穩定調速運行。自動化模塊設計主要是以電參量計算示工圖技術為核心，集RTU數據采集、DTU數據遠傳、控制模塊遠程控制，形成采集-傳輸-控制的數字化控制方案。

1.具備回饋制動方式：采用四象限變頻調速技術，能夠將負載的慣性能量反饋給電網，降低無功功率，提高功率因數，功率效率接近于1，具有顯著的節能降耗效果。

2.可選用直接轉矩控制方式：豐富的外圍接口，滿足各種應用場合。通訊接口為RS485接口，通訊協議為Modbus-Rtu，滿足多機通訊，實現多機協調控制。

3.各種保護及瞬停不停機功能：可提供完備的故障保護功能（包括過壓保護、欠壓保護、過流保護、模塊保護、散熱器、過熱保護、電機過載保護、外部故障保護等），防護等級達IP54。

3 系統設計

所謂智能，是指該控制柜既可實現本地、遠程控制，還可根據油井工況，對抽油機運行狀態進行自動優化，實現油井優化閉環控制。為此，設計上在抽油機本地和遠程調控中，要能通過變頻器實現抽油機的本地控制；在閉環控制環節，要能通過數據采集模塊（RTU）采集井下壓力溫度、套管壓力溫度、電機運行電參數、光桿載荷等主要油井井況數據，通過數據遠傳模塊（DTU）打包發送給服務器，服務器通過解析計算實現油井數據監控并做好數據查詢與備份，應用相關調控策略對抽油機運行參數進行合理的調控，調控參數通過GPRS發送給DTU，然后DTU發送給控制模塊，控制模塊調控變頻器或者交流伺服電機，最終得到合理的調控。

4 電氣設計

（1）設計原則

（2）功能介紹

（3）手動/自啟切換設計

（4）指示報警功能設計

5 上位機監控軟件設計

為達到最好的調控效果，需應用上位機開發技術，建立“油井數據監控系統”。現場設備應能與上位機建立通訊，實現數據傳輸。開發安全、大容量的數據庫，將數據存儲、備份，并通過Web技術將數據展現給技術人員。

此次上位機監控軟件系統要能夠實現數據實時監控，歷史數據查詢，歷史數據曲線分析，并能進行文本（Word、Excel等）格式輸出、打印，對數據進行人工分析，從而實現對抽油機合理的開環調控；亦可根據該系統的抽油機節能增效物理模型、數據分析模型，利用推薦的調控策略實現對抽油機合理的閉環調控。

6 小結及前景分析

四象限智能變頻控制柜集數據采-傳-控與電氣傳動為一體的整合式數字化控制柜，使油井采控方案更加集約化，能夠實現資源的高效整合和有效利用，為數字化油田建設高效、穩健推進提供解決方案。

四象限智能變頻控制柜在油田的應用表明，通過動液面為被控參數自動調控電機，在保證油井產量基本不變的前提下，降低電機轉速，降低電機輸入功率調節抽油機沖次，可使供液量與排液量保持恒定，抽油機通過智能調控較之前抽油機恒定沖次下運行效率有了明顯的提高，具有良好的應用前景。

［1］張樹國，李棟，胡競.變頻調速技術的原理及應用［J］.節能技術ISTIC，2009，27（1）.

［2］初升.四象限變頻器技術介紹［J］.變頻器世界，2006，（10）：78-79.

［3］牛斌.合康變頻HID520系列四象限變頻器在勝利油田的應用［J］.自動化應用，2013，（3）.