Goodrive300变频器

经典案例：英威腾Goodrive300系列变频器在地面直驱螺杆泵抽油机上的应用

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。
关键词：变频器   地面直驱螺杆泵  英威腾

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：
?  永磁同步电机开环矢量控制启动扭矩为2Hz/200%；
?  过载能力：150%额定电流60s；180%额定电流10s；
?  开环控制精度可达0.2%最高转速；
?  可支持2组同步电机切换控制；
?  支持Modbus、Profibus、以太网、CAN总线通讯协议；
?  具有转速追踪功能，轻松实现任何时候电机无冲击启动；
?  0s加速时间，可直接启动而不过流；
?  标配数字电位器，并支持多种灵活频率调节模式；
?  可支持参数拷贝和下载；
?  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；
?  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。
        由于螺杆泵抽油机系统停机过程比较复杂，反转时存在安全隐患，若反转扭矩过大导致转速失控将造成抽油杆折断等严重后果。Goodrive300变频器具有转速追踪功能，当螺杆泵转速失控时，可以平滑无冲击启动变频器（电机），让其反扭矩在受控的情况下缓慢释放。
        Goodrive300支持Modbus、Profibus等通讯功能，可以为构建油田自动化、数字化提供标准通讯接口。另外，螺杆泵抽油机防反转一直是这种抽油方式最大的控制问题，若采用其他控制器（如PLC）来控制变频器，则可以编入防反转程序，最大限度的保证停机的安全可靠。
        采用Goodrive300变频驱动永磁同步电机在不同频率和不同负载下其整体效率（变频器+电机）高，可达93%（在江汉石油某机械厂试验测试平均数据）。螺杆泵抽油机为恒转矩负载，它在不同的井况下有不同的最佳运行工况，在保证单井最大的采液量的情况下，控制螺杆泵的转速至最低可最大限度的降低电机的运行功率，加之整套系统本身的高效率，单井抽油系统将实现最佳运行，从宏观上看，也可节约整个采油厂成本，对经济发展亦有积极作用。