抽油機變頻器損耗測試技術

張衛華 崔曉霖（勝利油田東辛采油廠）

抽油機變頻器損耗測試技術

張衛華 崔曉霖（勝利油田東辛采油廠）

隨著工業控制技術的進步，變頻器作為一種節能設備被大量應用到抽油機系統中。抽油機在使用變頻后在電參數上表現出特殊性，這為正確評價抽油機變頻器的節能效果帶來了一定的困難。在考慮這一因素的前提下闡述了變頻器損耗測試的特點，給出了基于日置3390功率分析儀的變頻器損耗測試原理及方法，測試了不同工況下變頻器的自身損耗情況，并對相關測試結果進行了分析。

抽油機 變頻器 損耗 測試

為了優化抽汲參數、提高系統效率、保護機采設備，并且考慮到快捷調整和便于管理的需要，變頻 調 速 技 術 被 引 入 到 了 抽 油 機 拖 動 系 統 中[1-2]。 變頻器能夠根據電動機的實際需要，通過改變電源的頻率來實現電動機的調速，其運行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管進行整流和逆變，會在輸入輸出回路引起的高次諧波，使得抽油機在使用變頻后在電參數上表現出某些特殊性。同時，變頻器作為節能設備其本身并沒有什么節能的效果，相反，由于在抽油機拖動系統中增加了一個環節，變頻器自身具有一定的損耗，會增加抽油機系統的總損耗，因此，測試變頻器的自身損耗是客觀評價變頻器節能效果和適用性的必備條件。

1 抽油機用變頻器電參數的特點

變頻器的主電路一般“—直—交”組成（見圖1）， 外 部 輸 入 380V/50Hz的 工 頻 電 源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。在這種工作原理下變頻器的輸入端電壓高次諧波含有率不高，基本上為正弦波，而輸入電流的高次諧波含有率較高，波形為不規則的波形，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。

在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形。對于GTR大功率逆變元件，其基頻為控制器發出的受調制數據，而PWM的載波頻率為 2～3kHz。在這種工作原理下，變頻器的輸出端電壓呈現出復雜的諧振狀態，高次諧波含有率較高，而受電機阻容吸收效應的作用，輸出端電流高次諧波含有率不高，基本上為正弦波【3】。

圖1 “交-直-交”的主電路

由于抽油機具有周期性負荷的特點，為了準確測算變頻器的損耗需要測得在一個完整沖程周期內，抽油機變頻器入端和出端的平均有功功率，同時，考慮到上述變頻器電參數的特性，要求用于測算抽油機變頻器的損耗測試儀器滿足如下要求：

1）能夠同步測試變頻器輸入與輸出端的三相交流電參數；

2）能夠自動跟蹤電能信號的基波頻率；

3） 單通道采樣頻率不低于 20kbit/s；

4）能夠實現一個時間段內的電能參數有效值連續記錄或平均值計算。

2 基于日置3390的抽油機變頻器損耗測試方案

3390 功率分析儀是日置公司開發的一款高精度，寬量程的電能參數測量儀器，除可以進行常規電氣測量以外，還可以對變頻器進行全面的測試與分析。其主要性能特點如下：

1） 4通道電壓、電流輸入，可同時測量變頻器輸入和輸出；

2） 主 機 基 本 精 度 0.1 級 ， 測 量 頻 寬 0.5～150 Hz，單通道采樣頻率 400kbit/s；

3） 可以與多種日置電流傳感器組合使用，具有高精度、寬頻帶及寬量程；

4） 具有 USB 接口，能夠以每個有效值點 50ms的速度對電參數有效值進行記錄，能夠手動啟停記錄，也能夠設定記錄時長，并可將測量數據自動保存于CF卡中。

根據上一節中的論述，日置 3390 功率分析符合抽油機變頻器損耗測試對測試儀器的要求。

3390 功率分析儀有 4路電壓、電流測量通道，在同步測量變頻器入端與出端電能參數時采用的是兩 瓦 表法[4]， 其 接 線 方法如圖2。 以 出 端 為 例，兩路電流傳感器分別測量 A、C 線的電流，測得 iA和iC，兩路電壓傳感器的中線共同接到 B 線上，相線則 分 別 共 同 接 到 A、 C 線 上 ， 測 得 uAB和 uBC。 這時，兩路功率值 P3和 P4的代數和等于變頻器的總輸出功率，即有：

同理，測算得到變頻器入端的輸入功率 P12，進 而 得 到 抽 油 機 變 頻 器 的 損 耗 Ploss及 變 頻 器 的 效 率η，即：

圖2 兩瓦表法測量接線

3 抽油機變頻器測試數據分析

圖3、圖4 分別為 Y-15 和 Y1X234 兩口抽油機井在相同運行頻率下的變頻器入端和出端有功功率有效值波形，錄波時間均為兩個完整沖程。這兩口井在各運行頻率下的倒發電量、功率因數、平衡度及變頻器效率對比結果見表1。

表1 油井變頻器在不同平衡度和頻率下的效率對比

從中可以得出如下結論：

1）當變頻器出端功率曲線在負值區域時，抽油機處于倒發電階段。從圖3、圖4可以看出，由于平衡情況不同，Y17-5 井倒發電功率明顯大于Y1X234 井，大部分變頻器都沒有功率負反饋電路，因此在變頻器的入端測不出負向功率。

圖3 Y17-5 井變頻器入、出端有功功率有效值波形

2） 如 表1 所 示 ， Y17-5 井 嚴 重 過 平 衡 而Y1X234井平衡度較好，可以看出平衡度會影響抽油機電動機的負向功率，進而影響變頻器的效率，在大多數情況下，對于運行在相同頻率下的抽油機井變頻器，井平衡度越差則變頻器的效率越低。

3）兩臺抽油機井在不同頻率下的變頻器入出端的功率因數，可以看出變頻器有無功補償的作用，在變頻器輸入側測得的功率因數要遠高于輸出側。

圖4 Y1X234井變頻器入、出端有功功率有效值波形

5 結論

通過理論論證與現場實踐，采用日置 3390功率分析儀測試抽油機變頻器的電參數數據是可行的，同時，在分析抽油機變頻電參數的特點后也給出了選擇變頻器測試儀器的一些參數，通則。最后，對變頻器的測試數據進行了分析，認為變頻器是一項有價值的節能技術，但抽油機變頻器的選配以及經濟運行與抽油機的工況有關，要充分考慮多方面的因素才能將變頻器的優勢發揮出來。

[1]張斌,龐鵬,萬云峰,等.抽油機變頻調速裝置[J].油氣田 地 面 工 程,2006,25（7）:77.

[2]趙來軍,程發興,范櫻花.抽油機變頻控制器的應用與技術 發 展[J].石 油 機 械,2003,31（10）:65-67.

[3]孫東.抽油機變頻器電參數測試技術[J].油氣田地面工程,2011,30（1）:21-24.

[4]白蓉,周巧娣,劉敬彪.不同制式三相電機電參數的測量方 法[J].遙 測 遙 控 ,2002,23（5）:59-64.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.009.010

2013-03-21）

張衛華，工程師，1998年畢業于江漢石油學院 （機電一體化專業），從事采油工程管理及機采系統節能技術工作，E-mail： sd_zl@163.com， 地 址 ： 山 東 省 東 營 市 東 營 區 北 二 路 432 號 ，257061。