1 引言

電動機換向抽油機是機電一體化、高效節(jié)能產品。采用高質量的無速度反饋矢量控制型Vacon變頻器，Vacon變頻器具有可編程功能，可根據(jù)用戶工藝要求，通過編程可實現(xiàn)用戶的特殊時序要求。高質量的Vacon變頻器完全可以滿足工業(yè)環(huán)境下應用要求。電機采用具有較好低速性能的變頻電機。摩擦輪傳動作為工作機構，機械傳動路線短，效率高，電機實現(xiàn)了正反轉換向，啟動換向平穩(wěn)，沖擊小;沖程、沖次可獨立進行無級調節(jié)，光桿及上下行速度可實現(xiàn)分別控制，能夠適合各種油質（稀油和稠油）的采汲。

該機與同型號的常規(guī)游梁抽油機相比，機械效率提高了兩倍多，系統(tǒng)效率達50%，節(jié)約電力46%，并解決了現(xiàn)行設備不能直接抽汲稠油的難題。該抽油機操作方便、使用可靠、便于維修，是常規(guī)游梁抽油機理想的更新?lián)Q代產品。

圖1電動機換向抽油機實物圖

2 電動機換向抽油機工作原理

新型節(jié)能抽油機變頻控制系統(tǒng)硬件采用可編程VaconNXP系列變頻器，變頻交流電動機。配備抽油機控制專用軟件。變頻器在C槽中加裝NXOPTA5編碼器反饋擴展卡，D槽中加裝NXOPTB1I/O擴展卡，擴展卡NXOPTA1跳線X2設置為電壓輸入，變頻電動機：功率因數(shù)、機械效率可達高，結構簡單、工作可靠、適合于頻繁正反轉。當起動扭矩是額定扭矩的150%時，起動電流僅為額定電流的30%，工作過程無峰值電流。擺線針輪減速機：傳動比大、效率高、體積小、重量輕、故障少、壽命長、運轉可靠平穩(wěn)，拆裝方便、容易維修，還具有超過載能力強、耐沖擊、慣性力矩小，適用于起動頻率和正反轉的特點。摩擦傳動機構：采用摩擦傳動方式，鋼繩柔性好，壽命長，當發(fā)生卡泵時，提升鋼繩在輪上發(fā)生滑動，保護油桿及油泵。控制箱：操作簡單，設有恒溫裝置，保證電器元件工作在最佳溫度狀態(tài)，控制系統(tǒng)保護措施完善，電機永不燒毀，擁有故障自檢顯示功能，還設有無線集中監(jiān)控接口。

2.1Vacon變頻器控制端子接線

系統(tǒng)中變頻器采用矢量控制型VaconNXP變頻器。變頻器控制端子接線圖如圖1。K1、K2分別是正反轉啟動信號，K3為故障復位信號，K4、K5、K6為多段速信號。

圖2電動機換向抽油機實物圖

繼電器RO1設為變頻器故障信號，此信號送給PLC，繼電器RO1閉合時表示變頻器故障，系統(tǒng)停止工作。

繼電器RO2設為機械抱閘信號，RO2閉合送出機械抱閘開閘信號，RO2斷開送出機械抱閘合閘信號。

輸入端子功能為：

（1）P1：［AI1+，AI1-］上沖程參考速度給定電壓輸入。

（2）P2：［AI2+，AI2-］下沖程參考速度給定電壓輸入。

（3）K1：［DIN1］啟動上沖程。閉合脈沖起作用。

（4）K2：［DIN2］啟動下沖程。閉合脈沖起作用。

（5）K3：［DIN3］故障復位及停機端子：變頻器報警時，可進行故障復位。變頻器運行時，可進行停機。DIN3復位時，上下限位自動調整值也復位為上下限位調整值。

（6）K4：［DIN4］點動上沖程端子。

（7）K5：［DIN5］點動下沖程端子。

（8）K6：［DIN6］電機運行狀態(tài)與電機調整狀態(tài)轉換端子。

K6=1閉合：電機運行狀態(tài)，此時K1，K2信號有效。上下點動信號K4，K5有效，電機點動運行優(yōu)先運行信號;

K6=0斷開：電機調整狀態(tài)，此時K1，K2信號無效，上下點動信號K4，K5有效，電機點動運行;

K6=0到K6=1，K6：［DIB6］來兩個上升沿把上程脈沖限位值和下程脈沖限位值清零。

（9）K7：［DIO1］=1閉合：零制動。故障復位DIN3閉合時變頻器不停機，零頻給定送給電機給定頻率。運行時，上、下點動開關有效時則點動頻率送給電機給定頻率，否則把電位器給定送給電機給定頻率。

K7：［DIO1］=0斷開：無零制動。故障復位DIN3閉合時變頻器停機。運行時，上、下點動開關有效時則點動頻率送給電機給定頻率，否則把電位器給定送給電機給定頻率。

（10）K8：［DIO2］定位接近開關。

K8=1閉合：定位接近;

K8=0斷開：遠離定位。

（11）K9：［DIO3］上沖程限位端子。到達限位后變頻器輸出反轉。K3：［DIA3］故障復位。

（12）K10：［DIO4］下沖程限位端子。到達限位后變頻器輸出正轉。K3：［DIA3］故障復位。

（13）K11：［DIO5］低溫控制開關，25℃時閉合變頻器24號與25號端子的繼電器RO2。

2.2 抽油機控制專用參數(shù)組設置

參數(shù)組設置為G11。

參數(shù)說明：

P11.1K9：［DIO3］上沖程限位，工作次數(shù)，到達此工作次數(shù)后變頻器停機并發(fā)出57號上限位報警;

P11.2K10：［DIO4］下沖程限位，工作次數(shù)，到達此工作次數(shù)后變頻器停機并發(fā)出58號下限位報警;

P11.3變頻器沒有接受到位置信號延時時間，超過此時間變頻器停機并發(fā)出59號超時報警;

P11.4計算沖程系數(shù)分子（與電動機減速器傳動比有關）;

P11.5計算沖程系數(shù)分母（與電動機減速器傳動比有關）;

P11.6每個沖程時間系數(shù)分子;

P11.7每個沖程時間系數(shù)分母。

2.3抽油機設定調整過程

（1）進入調整狀態(tài)，閉合K6開關。上程脈沖限位值、下程脈沖限位值清零，重新設置。

（2）如果此時定位塊在定位接近開關［DIO2］下面時，則閉合上點動開關K4向上提抽油桿，使定位塊從下向上經(jīng)過定位接近開關［DIO2［后，在定位接近開關［DIO2］之上可用上下點動開關K4、K5把抽油桿提到最高的合適點，此時上程脈沖限位值保存起來。然后閉合下點動開關K5向下拉抽油桿使，定位塊從上向下經(jīng)過定位接近開關［DIO2］后，在定位接近開關［DIO2］之下可用上下點動開關K4、K5把抽油桿拉到最低的合適點，此時下程脈沖限位值保存起來。

如果此時定位塊在定位接近開關［DIO2］上面時，則閉合下點動開關K5向下拉抽油桿，使定位塊從上向下經(jīng)過定位接近開關［DIO2］后，在定位接近開關［DIO2］之下可用上下點動開關K4、K5把抽油桿拉到最低的合適點，此時下程脈沖限位值保存起來。然后閉合上點動開關K4向上提抽油桿，使定位塊從下向上經(jīng)過定位接近開關［DIO2］后，在定位接近開關［DIO2］之上可用上下點動開關K4、K5把抽油桿提到最高的合適點，此時上程脈沖限位值保存起來。

（3）進入運行狀態(tài)，斷開K6開關。斷電后上程脈沖限位值、下程脈沖限位值保持不變。

（4）重新調整上、下程脈沖限位值，閉合K6開關。K6=0到K6=1，K6：［DIB6］來兩個上升沿把上程脈沖限位值和下程脈沖限位值清零。

（5）進入運行狀態(tài)，斷開K6開關。

（6）如果此時定位塊在定位接近開關［DIO2］下面時，則閉合K1：［DIA1］啟動上沖程。

（7）如果此時定位塊在定位接近開關［DIO2］上面時，則閉合K2：［DIA2］啟動下沖程。

（8）如果停止運行，閉合K3：［DIA3］停機端子。

（9）定位接近開關K8：［DIO2］用K9：［DIO3］上沖程限位。K10：［DIO4］下沖程限位保護。到達限位后向相反方向轉。

（10）K9：［DIO3］上沖程限位，K10：［DIO4］下沖程限位。到達限位后向相反方向轉。限位工作次數(shù)到達P11.1P11.2工作次數(shù)后變頻器停機并發(fā)出57號上限位、58號下限位報警。K3：［DIA3］=1故障復位。

（11）P11.3變頻器沒有接受到位置信號延時時間，超過此時間變頻器停機并發(fā)出59號超時報警。K3：［DIA3］=1故障復位。

（12）智能補償由于慣性引起的上、下沖程限位變化。

2.4 Vacon變頻器抱閘控制邏輯

抽油機停機時需要抱閘控制，利用Vacon變頻器具有可編程功能，可根據(jù)系統(tǒng)要求編寫出特殊控制邏輯。Vacon變頻器的編程工具VaconNC1131-3Engineering是一個符合IEC61131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設計VaconNX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應用相關的特性。

制動器開閘信號至關重要，開閘時必須保證變頻器輸出足夠大轉矩后才開閘，合閘時要在變頻器接近零速，但還有一定轉矩時就合閘。為保證電機在低轉速時大轉矩輸出，變頻器采用閉環(huán)控制。通過Vacon變頻器編程設計出開閘、合閘邏輯。

開閘條件：變頻器有運行信號；變頻器輸出電流大于設定的開閘電流限制值；變頻器輸出轉矩大于設定的開閘轉矩限制值；變頻器輸出頻率大于設定的開閘頻率限制值；以上四個條件缺一不可。

合閘條件：變頻器輸出頻率小于設定的合閘頻率限制值，且有變頻器停機信號；變頻器停機；變頻器故障；以上三個條件任意一個存在，變頻器都送出合閘信號。

3 實驗應用結果分析

該機具有以下優(yōu)點：

（1）裝機容量低、機械效率高，可達80%以上;

（2）電動機功率因數(shù)COSФ＝1，可提高變電設備的利用率;

（3）電動機起動電流小，當負載為電機額定負載l50%時，起動電流僅為額定電流的30%，電氣系統(tǒng)保護措施完善，不會出現(xiàn)燒毀電機事故;

（4）平衡度高，平衡方式為對稱式平衡，可達精確平衡;

（5）抽油桿上、下行速度可分別獨立控制、沖程、沖次無級調節(jié)，能夠很好地適應油井狀況從而提高泵效;

（6）該機效率高、能耗低，正常情況下，系統(tǒng)效率可達40～50%;

（7）該機適用于較稠油采汲，恰當調整參數(shù)，可有效解決或減輕油桿及油管偏磨問題；

（8）工作系統(tǒng)采用摩擦傳動，卡泵時摩擦系統(tǒng)打滑，避免拉斷井桿，超載自動停機保護；

（9）整機重心在機架內，不會發(fā)生翻機事故，解決了翻機問題，配重在機架內，工作時不會發(fā)生配重砸傷人、畜等事故；

（10）維護簡單，整機傳動部分只有兩個油脂潤滑點，電氣系統(tǒng)具有故障自檢顯示功能；

（11）操作簡單、易行、調整沖程、沖次等參數(shù)特別方便，調整沖次幾秒鐘內即可完成，調整沖程幾分鐘亦可完成、且不需設備輔助；

（12）具有無線集中控制接口，可實現(xiàn)集中監(jiān)控。

4 結束語

現(xiàn)場運行穩(wěn)定，故障率低，減小了設備的維修量，提高了勞動效率，控制平穩(wěn)，控制效果達到要求，用戶滿意。此控制方案在抽油機行業(yè)具有很大的推廣價值。

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