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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型橇装注水站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56通信系统简介7抽油机变频柜现场应用一、前言1、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、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、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。异步电机绝大多数都是作为电动机运行。电动机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U=E+I×R（I：电流，R：电子电阻，E：感应电势）E=k×f×X（k：常数，f：频率，X：磁通）T=K×I×X（K：常数,I：电流，X：磁通）P=w×T（w：角速度，T：转矩）1、长庆油田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。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。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。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）上、下冲程中电机输入功率峰值相等。三、抽油机三、抽油机5、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：n＝60f(1－s)/pn———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。1）、整流器，与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。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.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。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。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（1）、软启动功能（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（3）功率因数补偿功能（4）继电保护功能（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软启动功能由于电机全电压启动时，启动电流(3-7)倍于额定电流，因此通常在带载电机启动时，会对电机和供电电网造成严重的冲击，导致对电网容量要求过高，而且启动时产生的大电流和震动对设备极为不利。采用变频控制装置的零启动功能(电动机电流从零上升到额定电流)。因此，启动电流远远低于额定电流，实现电机真正意义上的软启动，达到了节能的目的，不但减少了对电网的冲击，而且能延长抽油机使用寿命及维修周期，减少抽油机维修费用。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。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，在基频以下，U1/f1=常值，磁通恒定时转矩也恒定属于恒转矩调速。基频以上调速时，频率可以从基频往上增高，但电压却不能超过额定电压，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。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功率因数补偿功能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。四、变频器的工作模式和操作方法5、变频器的故障判断1）上电跳闸或变频器主电源接线端子部分出现火花。检测办法和判断：断开电源线，检查变频器输入端子是否短路，检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否短路。可能原因是整流器损坏或中间电路短路。2）上电无显示检测办法和判断：断开电源线，检查电源是否有缺相或断路情况，如果电源正常则再次上电后则检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否有电压，如果上述检查正常则判断变频器内部开关电源损坏。3）开机运行无输出（电动机不启动）检测办法和判断：断开输出电机线，再次开机后观察变频器面板显示的输入频率，同时测量交流输出端子。可能原因是变频器启动参数设置或运行端子接线错误、也可能是逆变部分损坏或电动机没有正确链接到变频器。4）运行时“过电压”保护，变频器停止输出检测办法和判断：检查电网电压是否过高，或者是电机负载惯性太大并且加减速时间太短导致的制动问题，请参考第8条。5）运行时“过电流”保护，变频器停止输出检测办法和判断：电机堵转或负载过大。可以检查负载情况或适当调整变频器参数。如无法奏效则说明逆变器部分出现老化或损坏。四、变频器的工作模式和操作方法5、变频器的故障判断6）运行时“过热”保护，变频器停止输出检测办法和判断：视各品牌型号的变频器配置不同，可能是环境温度过高超过了变频器允许限额，检查散热风机是否运转或是电动机过热导致保护关闭。7）运行时“接地”保护，变频器停止输出检测办法和判断：参考操作手册，检查变频器及电机是否可靠接地，或者测量电机的绝缘度是否正常。8）制动问题（过电压保护）检测办法和判断：如果电机负载确实过大并需要在短时间内停车，则需购买带有制动单元的变频器并配置相当功率的制动电阻。如果已经配置了制动功能，则可能是制动电阻损坏或制动单元检测失效。9）变频器内部发出腐臭般的异味检测办法和判断：切勿开机，很可能是变频器内部主滤波电容有破损漏液现象。10）如判断出变频器部件损坏，则联系供应商或送交专业维修中心处理。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控制柜结构五、抽油机专用变频控制柜短路熔断器和浪涌保护器UnidriveSP2404变频器UnidriveSP2404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、UnidriveSP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