C2000变频器在地面直驱螺杆泵上的应用分析

1 前言

目前国内最常用的抽油机种类有游梁式抽油机、塔架式抽油机和螺杆泵式抽油机三种，其中螺杆泵式抽油机近些年发展迅猛，是一种适用于高粘度、高含砂、高气油比原油开采的机械采油设备，螺杆泵抽油机作为一种简单、高效、经济节能的人工举升方式，在稠油与含砂含水原油的开采中得到了广泛的应用。

螺杆泵采油系统又分为地面驱动型和井下驱动型，其中地面直驱螺杆泵在井下采用普通螺杆泵，在井口驱动，结构简单，技术成熟，目前国内各油田的螺杆泵多采用此种驱动方式。地面直驱螺杆泵采用永磁同步电机驱动，配备台达C2000高阶磁束向量通用型变频器，停机时采用变频器与外接电阻两级制动，整个系统简单紧凑，运行可靠，达到了很好的节能效果。

2 直驱螺杆泵系统组成与工作原理

地面直驱螺杆泵系统作为一种优秀的人工举升方式，在稠油井、携砂采油井上显示出比其它采油方式更加明显的优越性。

2.1系统组成

地面直驱螺杆泵系统由井底螺杆泵、抽油杆柱、抽油杆扶正器及地面驱动系统等组成。工作时，由地面动力带动油杆柱旋转，连接于抽油杆底端的螺杆泵转子随之一起转动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并从油管流出井口，再通过地面管线输送至计量站。

2.2工作原理

螺杆泵是靠空腔排油，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升到井口。

图1 螺杆泵结构图

3 直驱螺杆泵反转特性

螺杆泵在失去外力驱动或停机时存在反转问题，造成螺杆泵反转一般有两个原因：一个是在螺杆泵工作时，传动电机的力矩通过近千米的抽油杆传递到泵体上，抽油杆必然产生弹性变形和一个扭转角，进而储存弹性能量，当驱动电机没有驱动力矩时，抽油杆就会带动机械系统反方向扭转;另一个是驱动系统停机时，由于油套管内存在液位差，近千米的油液受到重力作用会从油管内回落，液面的压力也会使螺杆泵转子产生反转。

螺杆泵反转可能会造成杆柱脱扣、光杆甩弯，地面驱动装置零部件损坏，还可能会危害操作人员的安全，因此合理解决直驱螺杆泵的反转问题尤为重要。

4 系统设计

台达C2000变频器开环控制永磁同步电机，通过抽油杆直接驱动井下螺杆泵运转，在系统停机时，变频器通过自带PLC可编程功能先行控制螺杆泵反转，让螺杆泵的反向转矩在受控的情况下得到缓慢释放，同时根据永磁电机的发电机特性，在电机转子的各相绕组加上适当的能耗电阻，使螺杆泵系统运行更加可靠。

4.1 C2000变频器特点

台达C2000高阶磁束向量通用型变频器集驱动(IM/PM)、控制(PLC)、显示(文本)、以及多种协议现场总线技术于一体，内建CANOpen可做主站。具有高性能、易维护、多语言操作等特点。具体来讲，异步及同步电机控制一体化，具有多种控制模式，对电机可实现开闭环控制;启动转矩在0.5HZ时可达150%以上，并支持重载模式;过载能力最大200%转矩电流;内置PLC功能，程序容量10K步;强大的面板编辑功能，相当于文本使用，并且面板参数设定有文字提示，使用简便;模块化设计，控制端子及风扇可拆卸，并支持穿墙式安装;丰富的网络扩展功能，内建CANOpen，可扩展Profibus、DeviceNet、MODBUS TCP、EtherNet-IP现场总线及以太网络卡;50℃运转环境温度，全球安规兼容于CE/UL/CUL。

4.2 永磁同步电机开环调试方法

C2000变频器在速度模式下开环带动永磁同步电机运转，变频器在初次与电机使用时，需要学习电机参数，并做功能设置，相关设定步骤如下：将00-02设为9，回归出厂值;依次按照05-33=1 PM马达、05-35电机功率、05-37电机极数、01-00最大频率、01-02额定电压、05-34电机电流、05-36电机转速、05-38电机惯量、01-01额定频率设置参数;将05-00设为13，然后按数字面板的RUN键，此时电机开始自动侦侧，数十秒后，侦测完成，侦测正确后向下继续进行，侦测失败后，请检查第二步内的参数设置是否正确，重新侦测;将00-10=0(速度控制)，00-11=6(控制方式)，按要求设定01-12，01-13加减速时间;设定10-39(IM与PM马达控制切换点)，一般为最大频率的0.2倍，但不要小于5;将11-00设为1(惯量估侧)，并设定11-01系统惯量值;