英威腾Goodrive300系列变频器在地面直驱螺杆泵抽油机上的应用(一)

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摘要：地面直驱式螺杆泵是在螺杆泵基础上发展而成的抽油机械，采用永磁同步电机带动光杆直接驱动井下螺杆泵，减少了机械减速器和皮带减速器，效率很高。本文介绍了英威腾Goodrive300开环矢量型变频器在地面直驱螺杆泵上的应用，其控制性能可靠，节能效率高。本文仅以37kW的Goodrive300变频器为例进行分析，并为地面直驱式螺杆泵的节能改造提供应用方案。

1引言

　　地面直驱螺杆泵是近年来迅速发展起来的一种采油机械，特别适合高黏稠、高含气、高含砂、高含水以及低产油井的原油开采，能有效地克服气锁、砂卡等现象，且占地面积小，效率高，其增产节能优越性正日益显现。地面直驱螺杆泵采用永磁同步电机驱动，取消了皮带传动、减速箱齿轮二级减速的驱动装置，配备INVT新一代的开环矢量变频器Goodrive300，采用电磁刹车的方式，使泵杆弹性变形缓慢的释放，整个系统简洁而又紧凑，操作简单，运行高效平稳。

2地面直驱螺杆泵介绍

　　永磁同步电机直驱螺杆泵由机械传动系统和电气控制系统组成，它取消了传统的皮带传动、减速箱减速装置、停机防反转机械装置等，低速永磁同步电机直接驱动光杆带动井下螺杆泵，其结构如图1所示。动力传输方式是：电机的扭矩由电机空心轴-密封连接套-方卡子-光杆。光杆通过电机的空心轴伸出，通过方卡子与电机空心轴联接，将电机扭矩传递到泵杆上。井口的轴向承载和机械密封装置设计在电机的下端面和空心轴内，从而实现轴向承载、机械密封及动力电机基于一体的设计。密封组合将动密封与静密封组合在一起，保证采出液不外漏，电机的下端与承重段联接，它承担全部泵组的重量，承重段的承重轴承应用润滑油润滑，方便维修和换油。另外，在承重装置壳体的上法兰增加了一个溢流通道，将机械密封正常工作时产生的微小泄露液体排出，防止造成机油乳化降低润滑效果。

图1永磁同步电机直驱螺杆泵外观图及结构图

　　直接驱动方式不需要配置减速箱，不但提高了系统的工作效率，也避免了传统螺杆泵采油系统经常出现的更换皮带轮、添加润滑油、改变生产参数和管理维护不便等问题。

3采用Goodrive300驱动的直驱式螺杆泵驱动控制系统技术特点

3.1采用永磁同步电动机驱动的优点

　　普通螺杆泵的机械传动效率只有80%左右，而通过电机直接驱动光杆，传动效率可以达到98%。直驱式螺杆泵的驱动电机为永磁同步电机，永磁同步电机虽然不可直接启动，但它具有以下特点：

（1）体积小，功率密度大，结构紧凑。

（2）运行效率高。转子转速与定子旋转磁场完全同步，与异步电机相比，无转子损耗；与普通电励磁同步电机相比，转子不需外加励磁电源，消除了励磁损耗。因此，永磁同步电机的额定效率可达到94％以上。永磁同步电机轻载时效率高，最高可达额定值的96％左右，而异步电机在轻载运行时的效率远低于其额定值。因此，在大部分运行时间处于轻载状态的工况下，永磁同步电机的节电效果更加理想。综合来看，永磁同步电机的效率比同规格感应电机提高6%~10%。

（3）功率因数高。由于转子为永磁体，永磁同步电机定子侧无需提供励磁电流，并且电感压降比较小，在轻载和重载范围内功率因数都比较高，即保证整个功率范围内保持较高的功率因数，由于异步驱动电机在轻负载运行时功率因数低，因此使用永磁同步电机后的无功节电效果相当显著。

（4）启动力矩大，过载能力强，且适合于做多对极，可不加传动箱直接驱动负载。

3.2 Goodrive300永磁同步电动机系统

　　地面直驱式螺杆泵抽油机启动扭矩大，要求配置高性能的驱动控制器，INVT新一代Goodrive300变频器选用TI公司最新推出的32位DSP芯片，具有专门针对永磁同步电动机的矢量控制，具有很高的电机控制性能及精度，其主要技术特点[1]如下：

l 永磁同步电机开环矢量控制启动扭矩为2Hz/200%；

l 过载能力：150%额定电流60s；180%额定电流10s；

l 开环控制精度可达0.2%最高转速；

l 可支持2组同步电机切换控制；

l 支持Modbus、Profibus、以太网、CAN总线通讯协议；

l 具有转速追踪功能，轻松实现任何时候电机无冲击启动；

l 0s加速时间，可直接启动而不过流；

l 标配数字电位器，并支持多种灵活频率调节模式；

l 可支持参数拷贝和下载；

l 故障代码多达36种，记录前6次故障代码以及前3次详细的故障信息；

l 可采用法兰式安装，节省客户安装空间；

　　Goodrive300采用注入电流的方式可在30ms内完成初始磁极位置的检测从而保证启动转矩大及控制电机不失步，控制系统简单，系统的启动性能、速度精度、稳定度等完全满足工况要求。