直驱螺杆泵三相异步电动机与电脑控制箱的应用

张景侦（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

直驱螺杆泵三相异步电动机与电脑控制箱的应用

张景侦（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

螺杆泵采油是近十多年迅速发展起来的一种新型采油装置，特别适合高黏稠、高含气、高含砂、高含水以及低产液井的原油开采，能有效地克服气锁、砂卡等现象。采油试验表明 ， 螺 杆 泵 的 平 均 总 效 率 达 到 63.4%， 比 游 梁 式 抽 油 机 高 13%， 比 电 潜 泵 高 50%， 地 面 螺 杆 泵 比抽油机提高产油率 23.5%。直驱螺杆泵具有节能高效、体积小、质量轻、安装方便、井口占地面积小、一次性投资及运行费用低和便于管理等优点，而新型的三相异步电动机、电脑控制箱的应用在一定程度上节省了螺杆泵维修、调参的时间。

直驱螺杆泵 三相异步电动机 电脑控制箱 节能

我国传统的螺杆泵直驱系统一般采用永磁同步电动机。永磁同步电动机不能长期在振动、冲击、高低温、湿热等较为恶劣的环境下运行，存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小和起动困难等缺点，并且永磁同步电动机结构较异步电动机复杂，成本较高。正常工作时处于低负荷状态，而启动时又需要高转矩，降低了其使用寿命。

螺杆泵三相异步交流电动机直拖系统，改变了常规螺杆泵驱动头使用减速器和皮带的传动方式，新设计为三相异步交流电动机直接驱动，电动机驱动控制装置通过输入指令进行设置，实现了电动机速度预设置、实时速度调节、驱动转矩调节、软启动、软停机等功能，从而实现对螺杆泵负载的直接驱动。

1 螺杆泵三相异步交流电动机直拖系统的特点

螺杆泵三相异步交流电动机直拖系统，是根据地面驱动螺杆泵的工作原理，结合油田的开采条件以及地下流体的特性运用先进的现代生产工艺，结合目前先进的三相异步交流电动机的伺服驱动技术而开发出的具有国际领先水平的直驱螺杆泵节能控制装置。

其功能特点为：

1）该技术采用三相异步电动机驱动螺杆泵，具有使用寿命长、节能效果显著、设备运转平稳性增强、操作简单、价格低廉、维护费用降低及可有效避免永磁电动机夏季温升过高等技术优势。

2）伺服控 制 系统配 用触摸 屏 对控制 器 进行 参数调整。在触摸屏参数设置里可直接调整参数，操作简单方便。全频域范围内的精确速度控制，速度控制精度可达±0.1%，最低运行速度 0.3r/min。

3）系统根 据 检测的 扭矩变 化 及时改 变 电动 机转速，使螺杆泵采油量与油井供油量始终处于最佳匹配状态，防止抽空或欠抽，延长螺杆泵使用寿命，增加采油量。系统在整个工作范围内都处于高效 区 ， 可 提 高 系 统 效 率 30%～60%， 降 低 了 采 油成本。

4）防反转 功 能，该 伺服控 制 系统具 有 低速 大扭矩输出功能、零速锁轴功能和母线电压实时检测功能，实现直驱螺杆泵减速停机。

5）伺服控 制 系统无 需加装 补 偿电容 ， 可将 电网的 功 率 因 数 提高到 0.9 以 上，节省 输 配 电 投 资。

6）伺服驱动器具有过电压、过电流、短路、缺相、超载、反转、系统温升过高等保护功能，可实现各种参量显示（转速、电流、转矩等），方便操作人员了解油井工作情况，确保油井的安全运行，实现采油管理的智能化。

7）可实现 软 启动、 软停车 、 反转制 动 、间 歇工作、变速工作，有利于减少螺杆泵部件的磨损，防止螺杆倒转脱口，减少螺杆泵的磨损和振动，减少盘根漏油，延长螺杆泵的使用寿命，提高了设备的使用率。

8）系 统 采用国 际 领先的 空 间矢 量 算法， 抑 制了谐波的产生。系统配置直流电抗器和大容量电容器，组成LC吸收电路，可有效阻止谐波回馈到电网。

在 相 同 转 速 （70r/min）下 永 磁 电 动 机 与 三 相异步电动机的参数对比见表1。

表1 某区某井试验数据对比

从试验数据上看，螺杆泵三相异步交流伺服电动机直拖系统产品在有功功率、无功功率、功率因数方面都较永磁电动机直驱拖动装置产品有很大的提高。功率因数提高3倍多，无功功率下降了7.66kvar，而 有 功 功率下降 了 0.659kW。

三 相 异 步 电 动 机 90r/min 与 永 磁电动 机 70r/min参数对比见表2。

表2 某区某井试验数据对比

在 转 速 提 高 20r/min 的 情 况 下 ， 螺 杆 泵 三 相 异步交流伺服电动机直拖系统产品在有功功率、无功功率、功率因数方面较永磁电动机直驱拖动装置产品依然有很大的改善。功率因数提高3倍多，有功功 率 下 降 了 0.479kW， 无 功 功 率 下 降 了 7.545kvar，从而更节能。

螺杆泵三相异步电动机的技术特点是：

1）结 构 紧 凑 ， 直 接 将 输 出 转 矩 传 递 给 螺 杆泵，省去了现有螺杆泵抽油机复杂的皮带减速传动装置、齿轮箱减速传动装置和防反转制动机构，缩小了体积，免去了齿轮减速箱漏油的不足。

2）全 频 域范围 内 的精确 速 度控 制 和低速 大 扭矩输出，更适合重载启动。解决了变频器低速力矩不足重载启动困难的缺点，使重载启动更平稳，对电动机和抽油杆冲击更小，减小设备维护量。

3）精 确 的励磁 电 流扭矩 控 制， 使 电动机 空 载电 流 由 原 来 的 30%～50%降 低 到 10%以 下 ， 更 节能，更高效。

4）双 DSP+FPGA 设 计 实 现 了 高 速 的 运 算 能力。能够进行大规模数学模型运算，实现了对电流与转矩的实时监控与分析，可完成精确的动态调整。

5） USB、 RS232、 RS485、 Ethernet/ip、CANOPEN等通信接口可方便地实现数据备份、打印、传输，并可轻松实现集中远程监控。

2 螺杆泵异步交流伺服电动机直拖系统构成与工作原理

螺杆泵三相异步交流电动机直拖系统是由螺杆泵伺服控制装置和螺杆泵地面驱动装置构成，伺服控制装置采用交流伺服控制器，而地面驱动装置和井下螺杆泵组成采油装置。二者由加强级抽油杆作为绕轴，把井口驱动装置的动力通过抽油杆的旋转运 动 传 递 到 井 下 ， 从 而 驱 动 螺 杆 泵 的 转 子 工 作[1]。

地面驱动装置是由驱动部分（空心轴直驱伺服电动机）、传动部分（主要由传动轴、方卡子、光杆组成）、承重部分（主要包括承重壳体、载荷传递轴及承重轴承构成）和封井器组成。采用直驱方式，省去了皮带和齿轮传动部分，通过传动轴将转矩直接加载到驱动杆上，大大地增加了系统的工作效率。

螺杆泵三相异步交流电动机直拖系统是总结了以往螺杆泵各种电气控制系统的经验，结合现代先进的伺服控制技术研制的新型直驱螺杆泵控制系统，该系统具有自动化程度高、操作简单、节能高效等特点。

螺杆泵异步交流伺服电动机直拖系统主要由异步交流伺服电动机和伺服控制器构成。

系统各部分功能见图1。

图1 螺杆泵三相异步交流电动机直拖系统构成

系统电动机采用空心轴设计，通过直连将扭矩传递给传动轴，传动轴通过位于其上的方卡子带动光杆旋转，从而实现光杆与电动机空心轴的同步旋转。加上精确的力矩和速度控制，避免了断杆、反转脱扣等问题，使螺杆泵采油量与油井供油量始终处于最佳匹配状态。制动方面，加强了电磁牵制控制强度、配有制动单元及制动电阻完成正常的防反转控制；当防反转控制失效或系统掉电时自动进入能耗制动方式，使防反转控制更加可靠。

伺服控制系统通过检测电动机的输出转矩并经伺服内部高速DSP的综合分析，将调节值转换成电动机的输出转速，驱动电动机运转。通过检测抽油杆所受到的扭矩变化，实时调节转速，实现速度的灵活方便调整，使螺杆泵始终工作在最佳状态，使能源利用率达到最高。

3 认识

通过对螺杆泵三相异步电动机的现场应用和对比，对三相异步电动机及电脑控制柜有以下几点认识：

1）螺 杆 泵三相 异 步电动 机 具有 价 格低、 承 受过载能力强、耐高温、卸载平稳、安全性能高、维修方便等特点。

2）电脑控 制 柜功能 更为强 大 ，触屏 式 操控 能直观地显示电流、电压、扭矩等多项数据，并可根据油田生产需要快速更改及添加其地面监控数据。

3）电动机 附 带的玻 璃管油 液 位采用 透 明玻 璃管附带温度显示更为直观、准确，从而不会导致轴承因缺油而磨损电动机。

4）电脑触 屏 控制柜 内的多 项 数据综 合 分析 可不憋泵准确判断杆断及泵运行情况。

5）三相电 动 机护罩 外形尺 寸 更为合 理 ，其 材质更精良，外壁更厚，钢性更强，因此安全性能更高。

[1]魏忠印.螺杆泵故障原因分析及对策[J].中外企业家, 2012(8):138.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.010

2013-06-25）

张景侦，2005年毕业于大庆职业大学（采油工程专业），从 事 采 油 工 作 ，E-mail：zhjingzhen@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龙 江省大庆油田有限责任公司第五采油厂第一油矿，163511。