节能电控设备的现状及发展趋势

节能电控设备的研究现状及发展趋势

间抽控制器的特点及应用

软起动及调压节能型电控装置的应用范围

无功补偿节能型电控系统特点及应用

超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用

变频调速电机的节能特点及应用范围

交流伺服系统电机的节能特点及应用

永磁同步电机系统节能的特点及应用范围

开关磁阻电机节能的特点及应用范围

抽油机的设计能力是按照油井最大抽取量考虑的,一般留有采油能力的设计余量。另外,随着油井由浅入深的抽取,井中液面逐渐下降,泵的充满度越来越不足,直到最后发生空抽的现象。如果不加以控制,会浪费大量的电能。

对于这种油井,最简单的方法是实行间抽,即:当油井出液量不足或发生空抽时,就关闭抽油机,等待井下液量蓄积;当液面超过一定深度时,再开启抽油机进行抽吸。这样提高了抽油机的工作效率且避免了大量电能的浪费。间抽控制的原始做法是派人定时到油井去开停抽油机,这种做法费工费时。间抽控制器已用于江苏、长庆、青海及大庆等油田一、间抽控制器的特点及应用1.1液面探测器如果能直接测出井中的液面,那么就可以用它来控制抽油机的运行。

1.2流量传感器在井口通过流量传感器检测油井的出液量,是实现抽油机控制最直接,也是最有效的力一法。

1.3电机电流传感器应当说,电机电流的检测是最方便、最可靠,也是最为廉价的方法。

1.4抽油杆载荷传感器普遍采用的方法是通过特制的载荷传感器,对抽油杆的载荷进行检测。一、间抽控制器的特点及应用

抽油机井智能间抽控制装置具有以下功能:

1)根据抽油机井的出液情况和压力变化合理确定启停时间;2)防盗开关可以提供信号判断是否有偷油事件发生;3)实时监控油井生产的冲次及油压、流量、电流和液面的变化,保存并自动绘制曲线,且予以保留和远程传输;4)通过中间继电器控制接触器通断,实现对电动机的工作状态控制,在启动电动机或电动机缺相运行时,以声光方式报警,同时提供电动机缺项自动保护功;5)可读取、显示、保存和加载历史启停机数据,数据格式为电子表格,可读取和显示当前停机和启机时间;6)可实现数据远输:应用多个设备与数据中心的PC机构成分布式数据采集系统,各种信息数据被现场的DTU设备上传到数据中心,数据中心的命令也通过现场的DTU送达采集点。一、间抽控制器的特点及应用

早期的控制是引入了定时钟,只需设定开、停机时间,便能自动地进行间抽控制。但仍然无法解决令抽油机的工作能力动态地响应油井负荷的变化,达到最佳节能控制的目的,同时还有可能影响油井的产量。为了解决上述问题,通过安装相关的传感器,精确感知油井负荷的动态变化,实现智能间抽控制(IPOC)。可采用各种不同的传感器达到节能控制的目的。小结：间抽控制器在低产油井上节能效果明显（超过50%）,同时因为其投资少、体积小,便于安装,因此对于“三低”油田推广应用的经济性很好。一、间抽控制器的特点及应用

由于抽油机的功率档次有限,而每一口油井的参数都不一样,在选配抽油机时,不可能做到量身定做,刚好和抽油机的功率档次相匹配,一般均留有一定的功率余量。各型抽油机在配用电动机时,为了保证抽油机在各种工况下正常运行,也留有一定的功率余量。随着油井由浅入深的抽取,油井的产液量越来越少,抽油机的负荷也相应减小。

由于上述原因,造成了抽油机的实际负载率普遍偏低,大部分抽油机的负载率在20～30%之间,最高也不会超过50%,形成了大马拉小车的现象。而当电动机处于轻载运行时,其效率和功率因数都较低,此时若适当调节电动机定子的端电压,使之与电动机的负载率合理匹配,这样就降低了电动机的励磁电流,从而降低电动机的铁耗和从电网吸收的无功功率,可以提高电动机的运行效率和功率因数,达到节能的目的。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围2.1电动机定子绕组星/三角转换降压节能

由于低压电动机在正常工作时,定子三相绕组是接成“”接法后接入380V电网的,这样每相绕组承受380V的线电压,电动机可额定的输出机械功率。电动机的转矩是与电压的平方成正比的,当电动机轻载时(负载率<33%,可以将电动机的绕组由“△

”接法改成“Y”接法),使每相绕组只承受220V的电压,即为额定电压的0.574，电动机的转矩也就仅为额定转矩的三分之一。当负载率>33%时,再将电动机绕组改为

接法运行,否则会因电流过大而烧毁电动机。电动机在进行星/三角转换时会产生冲击电流。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围

星形/三角形接法的实现一般采用交流接触器实现,也可以通过可控硅开关实现,两种方法在节能效果上并无多大差异,而转换控制电路转换时的负载率则会对节能效果产生较大的影响。当负载率β<33%时,不能及时进行

切换,会影响节能效果,而当负载率β>33%时,不能及时进行

切换,会使电流过大,铜耗增加,反而费电,同样影响节能效果。为了不使转换频繁进行,一般在转换点的负载率之间设置一定的回差,常采用负载率β<30%时进行

转换,而当β>35%,进行

转换。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围

通过降压对电动机实现软起动的目的,一是减少起动时过大的冲击电流,二是减小全压起动时过大的机械冲击。

那么在抽油机上使用降压软起动装置,其效果究意如何?由于电动机的转矩与所加电压的平方成正比,所加的电压降低了,电动机的转矩达不到负载的起动转矩时,电动机是转不起来的,而且电动机的堵转转矩一般小于额定转矩,降压对起动就更加不利了。当电压升到额定电压的70%时,电动机转矩只有额定转矩的50%,对于起动转矩超过50%额定转矩的负载,是转不起来的。只有当电压升高到电动机的转矩足以克服负载的静转矩时,电动机才能启动。

因此星/三角起动器只适合起动转矩小于三分之一额定转矩的负载,一般的软起动器也只适合起动转矩小于50%额定转矩的负载,对于重载起动的负载就降低起动电流来说,软起动器也是无能为力的。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围

上面的分析仅仅局限于对减小起动电流的讨论,对需重载起动的负载,虽然使用软起动器并不能达到减小起动电流的目的,当然更不能达到节省起动能量的作用;但是由于软起动器的电压是呈钭坡上升的,虽然在达到起动转矩前电动机并不旋转,但随着电动机轴上扭矩的不断增大,被拖动的负载是慢慢被加力的,所以用软起动器起动需重载起动的负载时,同样可以达到减小机械冲击的目的。因此,对于抽油机来讲,使用软起动器起动,不一定能达到减小冲击电流的目的,但可以达到减小起动时机械冲击的目的,还是有一定作用的。小结：对于负载率在30%以下的油井,采用星/三角转换控制的节能效果明显,且控制简单,投资少,具有一定的推广价值。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围2.2电动机可控硅软启动,调压节电

可控硅软启动,调压节电控制框图如下图所示。由单片机控制改变串联在电动机定子主回路中的可控硅的导通角β,可以改变加在定子绕组上的端电压大小,从而起到调压节电的目的。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围

其优点是可以动态跟踪电动机的功率因数或输入电功率,达到最佳节能效果。在负载突然增加时也可得到及时的响应,以免电动机堵转。可兼作电动机的软启动器,同时由于采用单片机控制,具有完善的保护功能。

其缺点是造价较高,且由于可控硅的移相作用,会产生大量的谐波,对电网、电机以及通讯控制系统造成不良的影响,今后这类产品将因达不到电磁兼容标准而被限制使用。小结：可控硅软起动、调压节能,节省的只是电动机自身损耗的一部分,节能效益与其投资不成比例,且因为其产生大量谐波,对电网及电机均有影响,因此不宜推广。二、软起动及调压节能型电控装置的应用范围

交流异步电动机的无功就地补偿就是将补偿电容器组直接与电动机并联运行,电动机启动和运行时所需的无功功率由电容器提供,有功功率则仍由电网提供,因而可以最大限度地减少拖动系统的无功功率需求,使整个供电线路的容量及能量损耗、导线截面、有色金属消耗量以及开关设备和变压器的容量都相应减小,提高供电质量。三、无功补偿节能型电控系统特点及应用

无功就地补偿只对长期空载或轻载运行的电动机有用,对于重载运行的电动机,因为其本身功率因数较高,没有补偿的必要。由于抽油机大部分处于轻载运行状况,且由于其具有分散性,低压输电线路较长,本身功率因数又偏低,无功就地补偿的效果较好。对于抽油机这样的负载,由于负载频繁变化,没有必要采用自动投切的电容器组补偿,因为这样会增加成本,降低可靠性,是得不偿失的。只要根据电机容量及平均负载率,选配一只适当容量的电容器进行固定补偿就行了,这样既经济又实用。三、无功补偿节能型电控系统特点及应用4.1作为节能措施的应用

作为节能措施的应用抽油机由于其特殊的运行要求,所匹配的拖动装置必须同时满足三个最大的要求,即最大冲程、最大冲次、最大允许挂重。另外还需具有足够的堵转转矩,以克服抽油机启动时严重的静态不平衡。因此往往抽油机在设计时确定的安装容量裕度较大,世纪80年代中期分别引进国外超高转差电动机(CJT)和超高转差多极电动机(CDJT)技术,对抽油机拖动装置进行了大量科学实验、测试和分析,证明抽油机匹配CDJT节能拖动装置具有显著的节能效果。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用

降低抽油机拖动装置的安装容量裕量就是一种节能的体现,功率匹配变化如下表所示,所匹配功率下降,其对应的额定电流相应下降。网络、电机绕组的铜耗与电流平方成正比,电流的下降自然会带来损耗的降低,从而达到节能的目的。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用4.1.1节能原理简介由超高转差率电机和节能控制箱组成的抽油机节能拖动装置,电机和控制箱可根据要求做成分体或连体式,专门设计制造用于游梁式抽油机。超高转差率电机具有软的机械特性,较低的启动电流,较高的启动转矩;节能控制箱具有过热、过载、缺相等保护功能及功率因数补偿。4.1.2超高转差率电机的优点a)超高转差率电机在抽油机一个冲次内的速度变化较大,充分利用系统的动能均衡作用可使减速箱最大净扭矩降低40%,最小扭矩有所增加,扭矩变化范围小,扭矩曲线趋于平坦,如图1。减轻了齿轮的疲劳破坏,减少了减速器齿轮的事故。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用b)超高转差率电机的软特性改变了光杆运行速度的规律,使光杆在重载荷期间基本上呈匀速运行状态,此时加速度趋于0,如图2。所以抽油杆r的最大应力和应力变化范围减小,减轻了疲劳和断脱。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用c)若油井液量增加,使用超高转差率电机,在相同工况下,抽油机最大载荷和载荷变化范围减小,抽油杆和油管的弹性变形减小,冲程终端的加速度使泵产生超位移效应,使泵的有效冲程增加,泵效得到提高,相同冲次下增加产液量5%~10%。d)超高转差率电机的启动扭矩大、启动电流小，降低装机功率，使电机的固定损耗(铁损、机械损)降低。e)由于抽油机的轻载荷运行时间远多于重载荷运行时间,超高转差率电机的高效区设计在轻载荷区。虽然超高转差率电机的额定效率低,但其平均效率较普通电机高得多,如图3。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用f)使用普通电机,抽油机在接近上下死点时,拖动电机超过同步转速运行而进入发电状态,变电能反馈给电网,增加了系统损耗。采用超高差率电机则可消除发电状态,如图4。g)由于超高转差率电机匹配合理,功率因数可提高50%~80%,无功功率降低60%以上。降低电网电流及线路损耗50%。h)在CJT节能拖动装置的基础上开发出的CDJT变极变速拖动装置,还具有多级变速的功能。可在几秒钟中内非常方便地按下按钮以实现调冲次目的(最低同步转速500r/min),特别适用于需经常调冲次的抽油机。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用

电机机械特性的软、硬就是指转速随转矩变化的大小。“硬”代表速度变化小,“软”代表速度变化大。普通电动机的机械特性较硬,在一定负载下,转速n(或角速度ω)较大。CJT电动机机械特性较软,在同一负载下,转速n(或角速度ω)较低,即转差率较大,具有降低扭矩峰值、减小抽油机悬点冲击载荷的作用,在某些工况下具有节能效果。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用

由图5可知:普通电动机的η、cosψ曲线陡峭;CJT电动机的η、cosψ曲线平坦;普通电动机在额定输出功率点η、cosψ较高,运行最经济;在轻负载时,普通电动机的η、cosψ较低,CJT电动机η、cosψ较高。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用

由上述可知,抽油机固有的设计及运行特点与现场实际运行工况相比,不可避免地出现了大马拉小车的不合理匹配。绝大部分负载在电动机额定功率(指输出功率)的20%～30%左右。对普通电动机而言,其效率和功率因数特低。

对CJT电动机来讲,由于曲线平坦,η、cosψ在负载变化情况下,其值变化不大,从而相对来讲其η、cosψ高于普通电动机,致使有功功率降低,功率因数提高。因此,就节能而言,抽油机匹配超高转差电动机是合理的。

软的机械特性造成了抽油机悬点最大负荷降低,抽油泵上行速度缓慢,抽油杆的弹性变形减小,从而使抽油泵的填充系数增加,吸液量增大,每冲次来油量增加,使单位液耗电能降低。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用4.2作为调参（调冲）措施的应用

油田在采油过程中,从工艺或某些特定条件的需要出发,要调整冲次。过去和现在均采用较笨重的办法,即由专业人员到现场拆换皮带轮的方法来实现。整个过程需停机进行,执行该任务费事、费时,劳动强度大。采用CDJT变极变速拖动装置,则可由采油工在几秒钟内非常方便地按下按钮就可实现调冲目的(最低同步转速500r/min),特别适用于需经常调冲次的抽油机。且不影响生产，十分方便。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用

小结：高转差率多极电动机拖动系统,节能效果明显,且能适应油井调参要求,软的机械特性对延长抽油机寿命有利。四、超高转差率多速节能电动机及拖动装置的应用当油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量时(绝大多数油井如此),为了提高抽吸效率,降低单位产量的能耗指标,最直接的办法是实行间抽。但是大多数的油井是不允许间歇性工作的,因为如果长时间停机的话,轻则会影响产油量,重则会使油井无法再开启。含蜡量高或含盐量高以及油的粘稠度高且地处高寒地区的油井,如果间歇工作,会造成井口结蜡、结盐或结油的后果,使油井无法再开启。对于注水油井,如果停止抽取,势必会影响产油量,这将是得不偿失的事,对于这类油井,就要采用其它的节能方法。变频调速电机已用于长庆、胜利及新疆等油田五、变频调速电机的节能特点及应用范围

为了使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应,可以采用改变抽油机电动机的转速来实现。

低压变频器已是十分成熟的电气产品。抽油机改用变频器拖动以后有以下几个好处:①可根据油井的实际供液能力,动态调整抽取速度,一方面达到节能目的,同时还可以增加原油产量;②由于实现了真正的软起动,对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击,大大延长了设备的使用寿命,减少了停产时间,提高了生产效率;③大大提高了功率因数(可由原来的0.25-0.5提高到0.9以上),从而大大减少了供电电流,减轻了电网及变压器的负担,降低了线损,挖掘出了大量的“扩容”潜力。

但是,将变频器用于抽油机拖动时,也有几个问题需要解决,主要是冲击电流问题和再生能量的处理问题。五、变频调速电机的节能特点及应用范围

1.闭环控制的采样问题抽油机利用变频器调速，使之动态适应油井负荷的变化，达到节电的目的，必须要加外部传感器，否则无法实现闭环智能控制，只能实现人工定值控制。所采用的传感器的类型，与间抽控制器大体相同，但是在要求上是有差别的。流量检测是最直观、最准确的方法，如果能实现小流量检测并解决防堵问题，应尽量采用流量传感器。光杆载荷传感器也能用来检测井下液量的多少，与间抽控制不同的是，闭环调速控制只要求载荷的变化趋势，不需要标定空抽设定值。光杆的平均载荷大，说明井下液量少，应减速运行，反之则可加速运行。电流控制不可取，因为这里除了配重的影响外，当电机调速时，电流也是随着变化的，因此不能将电流信号用作控制依据。五、变频调速电机的节能特点及应用范围2、再生能量的处理问题由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），电动机由于位能或惯性，其转速会超过同步速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。由于交-直-交变频器的直流母线采用普通二级管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，称作"泵升电压"。直流母线电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以，变频器都设置了直流母线电压高保护停机功能。五、变频调速电机的节能特点及应用范围3.冲击电流问题

如果抽油机不平衡,造成过大的冲击电流，冲击电流与工作电流之比最大可超过5倍，甚至超过额定电流的3倍！不仅浪费掉大量的电能，而且严重威胁到设备的安全。同时，也给采用变频器调速控制造成很大的困难，一般变频器的容量是按电动机的额定功率来选配的，过大的冲击电流会引起变频器的过载保护，不能正常工作。通过对抽油机曲柄配重块的调整，可以使冲击电流降到电机额定电流之内，冲击电流与正常工作电流之比在1.5倍以内。这样，选用与电机额定功率同容量的变频器，甚至略小于电机额定功率的变频器（要视抽油机电动机的负载率而定）都可以长期稳定运行。由于抽油机的起动扭矩往往很大，惯性也很大，所以要将变频器的加减速时间设置得足够长，一般为30～50s，才不致在起动时引起过载保护。五、变频调速电机的节能特点及应用范围4.电磁兼容性问题这里主要讲电磁干扰（EMI）问题，即变频器对微电脑控制器，传感（变送）器及通信设备的干扰问题。变频器是一个很强的电磁骚扰源，变频器中的开关器件，以及SPWM电压波形,会对控制及通信系造成很大的干扰。干扰的途径，除了感应、辐射之外，还包括传导干扰，即通过连接导线传导的干扰。在控制系统中，变频器只是一个执行机构，它的运行频率（速度）指令由控制器通过对油井液量等信号的控制运算后给予，变频器就通过控制信号线，给微电脑控制器造成了很大的干扰，以致使控制器无法正常工作。因为是传导性干扰，采用屏蔽线是不解决问题的，要从信号线上的共模及差模干扰入手，采用共模与差模滤波器，才能解决干扰问题。五、变频调速电机的节能特点及应用范围

小结：变频调速拖动系统,通过调速使抽油机动态适应油井负荷变化,也可方便地进行调参。配以流量、载荷等传感器,可实现最经济的控制。同时其软起动性能好,对延长抽油机寿命,减少维护费用有利。节能效果最好,能耗基本上与转速成正比,只要降速,肯定节能。是抽油机节能电控装置的发展方向。随着电力电子技术的发展,其价格将进一步降低,性能将进一步提高。五、变频调速电机的节能特点及应用范围伺服电机的类型很多,在功率较大的控制系统中主要是DC伺服电机和AC伺服电机二大类。其中AC伺服电机又可分为AC同步伺服电机和AC异步伺服电机。伺服系统是一个闭环控制系统，其可以实现位置控制和零速控制，从而能大幅度降低电机运行中的能耗，在交流伺服控制器驱动下，能量转换效率高于异步电机。2008年在大庆齐家北油田首次进行了伺服电机尝试，取得成功。到2012年达到438口井。

中原油田、胜利油田也有应用。6.1系统组成油田抽油机用的驱动系统主要是由一套交流伺服控制系统及一台三相交流异步感应电动机组成。通常电动机无须更换,仅须在现有的抽油机的电动机后部加装一只增量式光电编码器即可继续投入使用。六、交流伺服系统电机的节能特点及应用6.2系统特点(1)它是一种智能化的抽油机驱动装置,其特点是在交流电动机矢量控制系统中运用了智能化的逻辑控制程序,故可针对油井实际充液程度自动调整抽油机的速度和频率。(2)能够对电动机的转速、转矩和位置信息实行精确的记录、传输和运算,并可根据抽油机载荷的瞬时变化随时调节驱动转矩,即驱动系统仅在抽油机需要外部提供动力时工作。当抽油机由于自重而加速运转时,驱动系统即停止提供动力并放任电动机自由旋转,从而最大限度地利用抽油机自身的惯性或势能,实现了电能的零浪费。

（3)采用了智能化的高可靠性功率器件,具有过流、过压、短路、欠相、温升、