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1、LOGO 变频调速系统培训材料 长庆油田分公司机械制造总厂 抽油机专用变频调速系统 CQ系列油气混输泵变频控制 智能橇装注水站 2009.3.23 抽油机专用变频调速系统 前言 1 电动机 2 抽油机 3 通用变频器 4 抽油机专用变频控制柜 5 6 通信系统简介 7 抽油机变频柜现场应用 一、前言 v1、抽油机传统调速方式 油田普遍采用有杆抽油方式，而所用的抽 油机普遍存在机采效率低、能耗大等情况。 在实际生产过程中，采油井的供液能力随时 都有变化，需要对抽油系统运行参数进行及 时而合理的调整，其中抽油机冲次的调节尤 为重要。一般通过更换电机皮带轮调节冲次 ，抽油机冲次只有三档，分别为，5、
2、3.5、 2.5min-1。现有冲次无法满足长庆低渗透率 油田使用低于2.5min-1冲次采油的需要；不 能任意调节抽油机的冲次，难于使采油系统 处于最佳工作状态，造成泵效普遍降低。 一、前言 2、抽油机专用变频调速系统的结构 一、前言 系统主要由抽油机、变频控制柜、电动机、传感器 、通讯和监控中心六部分组成。 传感器采集抽油系统地面功图和电动机输入参数， 为变频调速提供依据； 变频控制柜提供调速需要的变频电源； 电动机接入变频电源驱动抽油机按需要的冲次运转 ； 通讯模块将采集到的数据上传至监控中心，监控中 心远程控制启停机和调速。 二、电 动 机 1、电动机的结构 油田使用的变频器驱动的电机
3、有三种类型：三相异步 电动机、变频电动机和永磁同步电动机。目前，长庆油 田使用的最多的为三相异步电动机。 三相异步电动机的分解图 二、电 动 机 1）定子 （1）定子铁心: 作为电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。 （2）定子绕组:电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。 二、电 动 机 2）转子 转子包括转子铁心、转子 绕组和转轴等部件。（1）转 子铁心 作用:电机磁路的一部 分，并放置转子绕组。一般用 0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压 而成，硅钢片外圆冲有均匀分 布的孔，用来安置转子绕组。 （2）转子绕组 作用是切割定 子旋转磁场产生感应电动势及 电流，并形成电磁转矩而使电 动机
4、旋转。根据构造的不同分 为鼠笼式转子和绕线式转子。 3）转轴 传递转矩及支撑转子的重量，由中碳钢或合金钢制成。 电 动 机 2、三相异步电动机的工作原理 异步电机定子绕组所产生的旋 转磁场，以转差速度切割转子导体， 在转子导体中感应电势，产生电流， 转子导体中的电流与定子旋转磁场 相互作用而产生电磁转矩，使转子旋 转。当转子的转速与定子旋转磁场的 转速相等时，定、转子之间没有相对 切割，转子中就没有电流，也就不能 产生转矩。因此转子的转速一定要异 于磁场的转速，故称异步电机。由于 异步而产生的转矩称为异步转矩。当 时，为电动机运行；时为发电机运行 ；当即转子逆着磁场方向旋转时，它是制动 运行。
5、异步电机绝大多数都是作为电动机运行。 电 动 机 v 3、永磁同步电动机的工作原理 同步电动机定子排列有 三相对称绕组，它们在空间 互差120度，结构与异步电机 相同。转子为永磁体，提供 一个恒定磁场。当定子通入 对称电压时,在空间产生逆时 针的旋转磁场，与转子磁场 相互作用,产生电磁转矩,从 而将电能转换为机械能输出。 该电机启动转矩大，效率高。 机械特性很硬，电流冲击大， 易产生去磁、发热现象，影 响电机使用寿命。 电 动 机 4、变频器驱动三相异步电动机存在的问题。 （1）变频器输出电压和电流中，均含有高次谐波。 （2）低速运转时电机的散热。 自带风扇的普通异步电动机在转速降低时，冷却风
6、量将与转速的3次 方比例减少。 （3）电动机的效率和温升问题。 高次谐波会引起定子铜耗、转子铝耗、铁耗及附加损耗的增加，这 些 损耗都会使电机额外发热，效率降低。 （4）谐波电磁噪声与震动。 变频器电源中含有的各次谐波与电机电磁部分的固有谐波相互干扰 ， 形成各种电磁激震力，当电磁力波的频率和结构件的固有震动频率一致 或接近时，将产生共振现象，加大噪声 。 （5）电动机绝缘结构承受冲击电压。 中小容量变频器，其载波频率使电动机线圈需要承受很高的电压上 升 率，使电机匝间绝缘承受考验。 电 动 机 5、变频电动机 变频电动机的特点主要表现在：电磁设计和结构设计。 1、电磁设计 1）尽可能的减小定
7、子和转子电阻，弥补高次谐波引起的铜耗增加。 2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。 3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态。 2、结构设计 1）绝缘等级，一般为F级或更高。 2）要充分考虑电动机构件及整体的刚性，减小电机振动、噪声。 3）散热风扇采用独立的电机驱动，强迫通风冷却。 变频器+变频电机是最佳选择 二、电 动 机 6、电动机参数的计算模型 vU = E + IR （I：电流，R：电子电阻 ，E：感应电势） vE = kfX （k：常数，f： 频率，X： 磁通） vT=KIX （K：常数, I：电流，X： 磁通） vP=wT （w：角速度，T：转矩） v 1、长庆油田
8、抽油机类型 长庆油田再用的抽油机主要有三大类：纯曲柄平衡抽油机，纯 游梁平衡抽油机，复合平衡抽油机（曲柄复合平衡抽油机和弯梁变 矩复合平衡抽油机。 v 2、抽油机的平衡原理 （1）抽油机不平衡的原因：悬点承受的是不对称的脉动载荷 ， 上冲 程电动机做功很大，下冲程电机做负功。 （2）抽油机不平衡的危害：抽油机运转不平衡，影响电机的工作 效率，使电机的功率因数降低，加大电机的功率损耗。 v 3、抽油机平衡方式：游梁式抽油机的平衡方式有三种：纯曲柄平衡 ，纯游梁平衡、游梁曲柄复合平衡。 v 4、抽油机达到平衡的原则是： （1）电动机在上下冲程中做功相等； （2）电动机在一个冲程中作功最小。 （3）
9、上、下冲程中电机输入功率峰值相等。 三、抽油机 三、抽油机 v5、抽油机负功的产生 现场试验表明,驱动抽油机的三相异步电 动机在运行转速大于同步转速时处于发电 状态,并产生负功,电动机转差率绝对值超大 ,产生的负功越大。处于发电状态的电动机 发出的电能频率、电压、相序相位与电网 一致时,负功能回馈电网被利用。此外,负功 值大,抽油机系统效率下降,在计量和计算抽 油机电动机输入有功功率时应减去负功值 。 四、通用变频器 1、变频器的调速原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式： n60 f(1s)/p n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式可知，转
10、速n与频率f成正比，只要改变 频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0 50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常 宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速 度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速 手段。（w：角速度，T：转矩） 四、通用变频器 2、变频器的结构 通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可 变的交流电的装置称作“变频器”。 变频器主要由整流器、中间电路 、逆变器，制动单元、驱动单元、微处理单元等组成。 v 1）、整流器，与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。 v 2）、中间电路，有以下三种作用： a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。 b
11、.通过开关电源为各个控制线路供电。 c.可以配置滤波和制动单元以提高变频器性能。 v 3）、逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电 压。 v 4）、控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同 时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动单 元、操作控制电路。主要功能是： a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。 b.提供操作变频器的各种控制信号。 c.监视变频器的工作状态，提供保护功能。 四、通用变频器 3、变频器的工作原理： 变频器通过二极管整流桥（整流单元），将输入的工频交流电转 变为直流电，再通过可控硅桥式电路，将直流电转变为电压、频率 可以任意调节的交
12、流电。 四、通用变频器 工作电路 四、变频器的工作模式和操作方法 4、变频器的功能 v（1）、软启动功能 v（2）、变频调速功能 A、调速方式: 恒转矩调速和恒功率调速 B、调速原理 v（ 3）功率因数补偿功能 v（4）继电保护功能 v（5）模拟量输入和通讯功能 四、变频器的工作模式和操作方法 恒转矩调速和恒功率调速 v 交流电机是通过内部的旋转磁场来传递能量的，为保 证交流电机能量传递的效率，必须保持气隙磁通量为恒 定值，磁通太小，出力不足，磁通太大，励磁电流过大 ，保持气隙磁通量恒定不变，是变频变压的基本原则。 v 在基频以下，U1/f1=常值，基频以上调速时，频率可 以从基频往上增高，但
13、电压去不能超过额定电压，最多 只能等于额定电压，这将迫使磁通与频率成反比地降低 ，相当于直流电机弱磁升速的情况。 v 如果电机在不同转速下都达到额定电流，则转矩基本上 随磁通变化，按照电气传动原理在基频以下，磁通恒定 时转矩也恒定属于恒转矩调速，在基频以上，转速升高 时转矩也降低，基本属于恒功率调速。 四、变频器的工作模式和操作方法 5、变频器的故障判断 v1）上电跳闸或变频器主电源接线端子部分出现 火花。 v2）上电无显示 v3） 开机运行无输出（电动机不启动） v4）运行时“过电压”保护，变频器停止输出 v5）运行时“过电流”保护，变频器停止输出 v6）运行时“过热”保护，变频器停止输出
14、v7） 运行时“接地”保护 v8）制动问题（过电压保护） v9）变频器内部发出腐臭般的异味 v10）如判断出变频器部件损坏 五、抽油机专用变频控制柜 1、控制柜结构 变频控制及制动主电路 工频控制主电路 系统保护电路 电源及操作面板 传感器信号电路 抽油机抽油机 控制柜控制柜 结构结构 五、抽油机专用变频控制柜 短路熔断器和浪涌保护器 Unidrive SP2404变频器 Unidrive SP2404制动单元 变频主回路接触器 工频主回路接触器 加热器 五、抽油机专用变频控制柜 2、Unidrive SP变频器 五、抽油机专用变频控制柜 3、抽油机控制柜电路 主电路 Q101 为变频器供电断
15、路器 Q102 为工频供电断路器 KM1 为变频器输出接触器 KM2 为工频输出接触器 KA2 为变频器启动/停止继电器 KA3 为远程启动/停止继电器 五、抽油机专用变频控制柜 v 主控制电路图 SA2 为本地/远程切换旋钮 （两位自锁） SA1 为工频/变频切换旋钮 （两位自锁） ON 为抽油机启动按钮 （绿色自复位） OFF 为抽油机停止按钮 （红色自复位） KA1 为自锁用继电器 五、抽油机专用变频控制柜 4、操作与维护 五、抽油机专用变频控制柜 五、抽油机专用变频控制柜 五、抽油机专用变频控制柜 v 系统维护： 1. 对于现场的工作环境，变频器工作时风机为变频器提供冷风，降低 IGB
16、T运行时的温度，过多尘土进入会导致变频器风机转速降低，风 量降低，甚至损坏风机。因此注意柜子内部的除尘。 2.设备正常运行时柜门尽量不要打开。 3.如果变频器故障，系统自动切到工频，此时如果手动复位，系统会 自动切换到变频继续运行，因此在维护时要注意这一点。 4. 系统检修时，将供电电源切断，请将本地/远程旋钮旋到本地，按下 停止按钮，将柜内Q101,Q102断路器断开，然后进行检修，检修时 注意安全。 5. 变频器断路器Q101断开后，约10分钟直流母线电压才放电完毕， 因此在10分钟内严禁打开变频器。 五、抽油机专用变频控制柜 5、变频控制柜的通讯 v 1.支持各类流行总线模块，如 Profibus-DP,DeviceNet,CANopen,Modbus RTU, Interbus, CTNET等，不用网关，即可 实现多种总线间的数据交换 v 2.具有
