进入21世纪，变频调速技术得益于其优异的节能特性和调速特性，在我*油田中得到广泛应用，中*产值能耗是*上*高的**之*。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施。油田作为*个特殊行业，有其*特的背景，目前，抽油机是应用*普遍的石油开采机械之*，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低，据调查*般在30％左右。油田抽油机负载是*具特点的时变负载：有动、静负载特性之分。起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3－4倍，甚至更大，起动力矩是抽油机选配电机的第*要素。当起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳，运行负载功率都远小于电机的额定功率，即所谓“大马拉小车”现象。过剩的抽油能力令抽油机的*功抽取时间增加，造成油井开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重。可见抽油机的节能潜力非常可观。本文主要介绍变频器在游梁式抽油机上的应用。
2CHV100变频器在石化行业中的应用
2.1游梁式抽油机工作原理
游梁式抽油机结构简图如图1所示
图1：游梁式抽油机结构图
游梁式抽油机是*种变形的四连杆机构，其整机结构特点像*架天平：*端是抽油载荷，另*端是平衡配重载荷。对于支架来说，如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化*致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作。也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏。在平衡率为100％时电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力等，平衡率越低，则需要电动机提供的动力越大。因为，抽油载荷是每时每刻都在变化的，而平衡配重不可能和抽油载荷作**致的变化，才使得游梁式抽油机的节能技术变得十分复杂。因此，可以说游梁式抽油机的节能技术就是平衡技术。
工作时，驴头悬点上作用的载荷是变化的。上冲程时，驴头悬点提起与悬绳器相连的抽油杆柱和液柱，在抽油机未进行平衡的条件下，电动机就要付出很大的能量。在下冲程时，抽油机杆柱反转而对电动机做功，使电动机处于发电机的运行状态。抽油机未进行平衡时，上、下冲程的载荷*度不均匀，这样将严重地影响抽油机的四连杆机构、减速箱和电动机的效率和寿命，恶化抽油杆的工作条件，增加它的断裂次数。为了消除这些缺点，*般在抽油机的游梁尾部或曲柄上或两处都加上了平衡重，这样*来，在悬点下冲程时，平衡重从低处上升至高处，平衡重位能增加。平衡重所增加的位能由两部分构成：油杆柱下落所释放的位能与电动机产生的能量。在上冲程时，平衡重由高处下落，把下冲程时储存的位能释放出来，帮助电动机提升抽油杆和液柱，减少电动机在上冲程时所需给出的能量。目前使用较多的游梁式抽油机，都采用了加平衡配重的工作方式，因此在抽油机的*个工作循环中，有两个电动机运行状态和两个发电机运行状态。当平衡配重调节较好时，其发电运行状态的时间和产生的能量都较小。
2.2改造方案对比
（1）*变频改造。
此方案利用抽油机本身配置的平衡装置，实现电机的运行耗能*小化。由于原油的稠度等是时刻变化的，但是配置不能实时调节，所以势必造成大部分能量的浪费，及设备寿命的缩短。另外，上冲程时，电动机处于电动状态时，从电网吸收电能；下冲程时，电动机处于发电状态时，释放能量，电能直接回馈给电网，造成抽油机供电系统功率因数降低，对电网质量影响较大。
（2）变频改造，加装制动单元
如图2所示。在变频器主回路直流母线两端加制动电阻和制动单元。在加装变频器后，电动机进入再生发电状态时，其产生的电能没�*嫦蛄骰氐缤耐罚允票匾鹬鞅淦灯髦骰芈分绷髂赶叩缪股摺４耸北匦胗玫缱枥淳偷叵模饩褪俏颐窃诒淦灯魃媳匦胧褂弥贫ピ椭贫缱璧脑颍HV100（18.5KW以下机型内置制动单元）系列可以选配制动单元，*可以达到理想中的控制效果。
对于变频器加装制动单元的情况，发电产生的能量不能回馈至电网而是就地消耗，所以还是会造成能量的浪费。但加装变频装置后，网侧功率因数大大提高（由原来的0.25～0.5提高到0.9以上），大大减小了供电视在电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支。CHV100内置的AVR功能可根据负载特性，智能调节输出。*方面可达到节能目的，同时还可以增加原油产量。避免电网质量的下降，减小抽油机工作过程对电网的影响。此方式的缺点是必须解决制动电阻散热及寿命问题。
应用实例：
CHV100-055G-6在江汉油田游梁式抽油机上成功应用。
根据江汉油田采油工况，采用变频器加装制动单元对其部分油井抽油机进行变频节能改造。江汉油田原油稠度不大，负载率比较低。采用再生能量就地耗散方案方能达到预期效果。且制动电阻散热问题仅通过加装柜顶风扇便可顺利解决。
其接线图如图3所示：
图3:接线图(制动单元耗能方式)
配置表
电机参数 | 变频器型号 | 制动单元型号 | 制动电阻参数 |
55KW/690V | CHV100-055G-4 | DBU-B5-064 | 10Ώ/12000W |
功能码 | 数值 | 描述 |
P0.00 | 0 | 需正确设置P2组参数，进行电机自学习，以提高低频输出转矩 |
P0.01 | 1 | 端子运行指令，通过外部端子控制启停等 |
P0.03 | 1 | 通过外部电位器调节变频器输出频率 |
P0.07～P0.09 | ―― | 根据实际需要设置 |
P0.11～P0.12 | ―― | 根据实际需要设置 |
P1.00 | 1 | * |
P2.00～P2.05 | ―― | 根据电机铭牌设置 |
P4.10 | 1 | 智能节能 |
P4.11 | 1 | 自动节能运行 |
P5.02 | 1 | 正转运行 |
P6.04 | 1 | 正转运行中 |
P6.05 | 3 | 故障输出 |
P6.07 | 3 | 运行电流显示 |
P8.32 | 缺省 | 出厂内置，*需更改。 |
该套系统经过调试，运行正常，经*测，网侧功率因素有大幅提高。跟踪后期使用情况，与*变频时比较，节能约30%左右。符合预期。
（3）变频改造，加装能量回馈单元。
制动电阻的散热寿命问题及节能效果不理想成为方案（2）实际应用中的技术瓶颈。针对上述情况，为实现节能优化，提高效率，可以采用变频器加装能量回馈装置方案，将再生能量回馈给电网。
所谓能量回馈装置，其实就是*台有源逆变器。按采用的功率开关器件的不同又可以分为晶闸管（SCR）有源逆变器及绝缘栅双*型晶体管（IGBT）逆变器两种，它们的共同特点是可以将变频器直流回路的电压反馈到电网，如下图3所示。
图3：变频器加能量回馈单元
加装能量回馈单元的变频器适用于交流50HZ，额定电压380V或660V的异步电动机和永磁同步电动机，实现软起动，软停车及过程调速控制功能。其具备起动电流小、速度平稳、性能可靠、对电网冲击小等优点，避免对电动机、变速箱、抽油机造成机械冲击，大大延长设备的使用寿命，减少停产时间，提高了生产效率，提高了电网质量。
应用案例
CHV100-075G-4在胜利油田游梁式抽油机上成功应用。
胜利油田的工况与江汉油田有所不同，其原油稠度大，电机的负载率大。为实现节能*大化，此方案采用变频器加装能量回馈单元的方式。基本接线图如图4所示。其工/变频转换电路与图3中类似，不再画出。回馈单元型号为：RBU-075G-4.
图4：标准接线图[再生能量回馈方式]
主要参数表【变频器部分】
功能码 | 数值 | 描述 |
P0.00 | 0 | 需正确设置P2组参数，进行电机自学习，以提高低频输出转矩 |
P0.01 | 1 | 端子运行指令，通过外部端子控制启停等 |
P0.03 | 1 | 通过外部电位器调节变频器输出频率 |
P0.07～P0.09 | ―― | 根据实际需要设置 |
P0.11～P0.12 | ―― | 根据实际需要设置 |
P1.00 | 1 | * |
P2.00～P2.05 | ―― | 根据电机铭牌设置 |
P4.10 | 1 | 智能节能 |
P4.11 | 1 | 自动节能运行 |
P5.02 | 1 | 正转运行 |
P6.04 | 1 | 正转运行中 |
P6.05 | 3 | 故障输出 |
P6.07 | 3 | 运行电流显示 |
功能码 | 数值 | 描述 |
P0.00 | 1 | 1：端子控制： 端子S1有效：自动模式 ；端子S2有效：手动模式 |
P0.01 | 0 | 键盘控制，手动模式 |
P0.04 | 650 | 设置回馈开始电压阀值 |
P0.05 | 12 | 回馈电压滞环（容差） |
P0.06 | 2 | * |
P2.00～P2.05 | ―― | 根据电机铭牌设置 |
P0.11 | 0 | AO输出直流母线电压 |
P0.16 | 0 | 启动即运行 |
P0.19 | 350 | 欠压保护值 |
P0.18 | 2 | 回馈运行中 |
自动模式
自动运行时，回馈单元*测母线电压，自动执行运行停止。
当母线电压大于P0.04开始回馈电压时，回馈开始。
当母线电压小于P0.04－P0.05电压值时，回馈停止。
手动模式
当运行指令给定时，回馈单元*直回馈。
由于变频器安装在野外，胜利油田当地的气候因素，昼夜温差大，易结露。为解决此问题，需在柜体内安装加热与抽湿装置。
经过较长时间的应用比较，多套设备均运行稳定，且节能效果十分明显，节能率达到了40%～50%。电网质量显著提高。
（4）共直流母线方式
对于同*井场上有多口油井的场所，可以采用共用直流母线系统方案,即若干台抽油机的变频器将其直流母线联结在*起，利用各变频器的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某*台变频器的回馈能量作为其它变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。此方式可以搭配方式（2）或（3）使用，效果更佳。
应用案例
CHV100-055G-4在中原油田应用成功
此方案参数设置方面与（2）、（3）区别不大。仅在接线图上有所区别，现将有差异部分做简图绘出，如图6。其他控制接线部分基本与上述两方案雷同。
由于油井分布地理位置限制，此方案中大多为3台～4台变频器共*组直流母线。
图6：接线简图【共直流母线方式】
此方案应用情况良好，节能效果明显，约为40%左右，且前期投入较适中。其必需条件是油井分布需在限制距离以内。
2.3节能原理与数据分析
根据电机学原理：
其中：
n=电机转速
s=转差率
p=电机*对数
以上可以看出，通过改变运行频率，可以改变电机的运行转速。根据负载特性，电机运行转速下降，则电机轴功率下降。另通过变频改造，能量回馈单元将下冲程时产生的能量回馈给电网。另外，电网功率因数的提高所产成的节能效果也是十分可观的。通过INVT多个系列变频器在我*多个大型油田的实际使用数据测算可得，在油田游梁式抽油机的应用中，变频节能比可达30～50%，同时，产油量可增加20～30%。
结束语
总之，变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用已经渗透到石油行业的各个技术部门。在游梁式抽油机控制应用还处于开始阶段，在应用中也出现了许多问题，这些都待于进步解决。只有充分考虑油田油井的实际情况，才能促进变频技术在采油设备中的应用。