1 引言
目前，在油田抽油设备中，以游梁式磕头抽油机应用最为普遍，数量也最多。但是，传统的磕头机普遍存在着起动冲击大，运行耗电多，大马拉小车、效率低下等诸多问题，加之油井情况复杂，稠油、结蜡、沙卡现象较多，断杆、烧电机等现象经常发生，对电动机没有可靠的保护功能，设备维修量大，为此，急需对现有的抽油机设备进行改造。
变频调速器具有低速软启动，转速可以平滑地大范围调节，对电动机保护功能齐全，如短路、过载、过压、欠压及失速等，可有效地保护电机及机械设备，具有运行平稳、可靠，提高功效等诸多优点，是抽油设备改造的理想方案。我们对辽河油田、胜利油田近40口井进行了变频改造，其应用效果十分明显。
2 变频器的基本原理
由电机理论可知，其转速公式为
n=60f（1-s）/p
其中 P—电动机的极对数
s—转差率
f—供电电源的频率
n—电动机的转速
由上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz之间任意调节，因此电机转速即可以在较宽的范围内调节。
当然，转速提高后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般最高频率设在50Hz或65Hz。
现在我们应用的变频器都是交-直-交电压源型变频器，其电路如图1示:
功率器件为西门子的IGBT，控制器的核心是87C196MC单片机。
3 抽油机变频器的难点
作为抽油设备，其运动为反复地上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自于电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块举升时，类似于杠杆的作用，将抽油机杆送入井中，滑块下降时，抽油杆提出带油至井口，由于电机转速一定，在滑块下降过程中，负荷减轻，电机拖动产生的能量无地方施放，势必进入再生发电状态，造成主回路母线电压升高，频繁的高压冲击会损坏变频器的主器件，包括电解电容及功率模块，因此增加制动回路，让再生电压能及时地释放掉，以保证设备在安全的电压下工作。
再生制动电路即通常所说的刹车电路，如图1中的虚线框内所示，包括比较电路、刹车模块及刹车电阻等，其控制框图如图2所示。
我们从主回路通过取样放大，与基准电压相比较，通过调整电位器，使刹车单元在1.1Ue（Ue为额定母线电压值）时导通，在1.05 Ue时断开，即可控制主回路的电压，保证其工作在允许的范围内。
由于刹车模块是以单纯控制主回路的电压，其可靠地工作是很关键的，这里吸收电路要作好，由于刹车电阻引线都比较长，其引线电感、尖峰电压相应加大，为此采用了R、C、D吸收电路，图2中R3、C4用以吸收引线电感而产生的尖峰电压，所加的快恢复二极管用以在刹车单元截止时在刹车电阻两端产生的逆反电压提供通路。在刹车单元频繁地工作中，势必会产生干扰电压，造成模块不应有的导通而损坏，在信号的输入端加一抗干扰电容是必要的，以吸收由于干扰信号造成的模块误导通，一般选0.01uF左右的无感电容较适宜。
制动单元由于刹车电阻的限流一般不大，选100A左右即足够，刹车电阻由于在每个冲程内都工作一次，其功率要足够，以保证长期可靠地使用，一般选用10kW/80的电炉丝。
4 现场应用
我们分别选前期井、中后期井进行了变频改造。
在前期井中，由于刚开采，储油量大，供液足，为提高功效，我们采用提高转速的方式，让变频器运行至65Hz，频率提高了1/3倍，相应地电机转速提高了30%，其采油量也相应提高，其综合采油率可比工频情况下多采油20%，工效提高了1.2倍，很受油田采油工的欢迎。
在中、后期井中，由于井储量减少，供液不足，电机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要的损耗，因而我们采用降低转速的方式，减少冲程，一般将变频器的频率运行至35～40Hz之间，这样电机转速下降了30%，加之采油设备一般负荷较轻，其节电率可达25%左右，而且提高了功率因数，减少了无功损耗。
变频器同时具有软启/软停功能，在电机启动时，减少了对抽油杆的机械冲击，对稠油、结蜡、沙卡、等都能有效地进行保护停机，以保护电机及机械设备，减少维修量，防止断杆，变频器对过压、欠压、过载、短路及电机失速都能可靠地保护，对延长电机的寿命，减少机械设备的磨损等，都具有很好的作用。
总之，抽油机应用变频调速器，即可以提高工效，增加采油量，又可以节约电能，保护电机及设备，其应用前景是十分广泛的。我们国家的抽油机设备相当多，相信变频调速器在这方面是可以大有作为的。
参考文献
[1] 矿山提升机变频调速系统
[2] 风光变频调速器使用手册
作者简介
周佳胜 男 工程师 1990年毕业于山东工业大学应用电子学专业，毕业后一直在山东风光电子有限公司，致力于变频器的开发和制造。
