采用可編程VaconNXP系列變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能抽油機(jī)變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

電動(dòng)機(jī)換向抽油機(jī)是機(jī)電一體化、高效節(jié)能產(chǎn)品。采用高質(zhì)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(shí)現(xiàn)用戶的特殊時(shí)序要求。高質(zhì)量的Vacon變頻器完全可以滿足工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用要求。電機(jī)采用具有較好低速性能的變頻電機(jī)。摩擦輪傳動(dòng)作為工作機(jī)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)路線短，效率高，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了正反轉(zhuǎn)換向，啟動(dòng)換向平穩(wěn)，沖擊小;沖程、沖次可獨(dú)立進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，光桿及上下行速度可實(shí)現(xiàn)分別控制，能夠適合各種油質(zhì)（稀油和稠油）的采汲。

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

圖1電動(dòng)機(jī)換向抽油機(jī)實(shí)物圖

2 電動(dòng)機(jī)換向抽油機(jī)工作原理

新型節(jié)能抽油機(jī)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(dòng)機(jī)。配備抽油機(jī)控制專用軟件。變頻器在C槽中加裝NXOPTA5編碼器反饋擴(kuò)展卡，D槽中加裝NXOPTB1I/O擴(kuò)展卡，擴(kuò)展卡NXOPTA1跳線X2設(shè)置為電壓輸入，變頻電動(dòng)機(jī)：功率因數(shù)、機(jī)械效率可達(dá)高，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、適合于頻繁正反轉(zhuǎn)。當(dāng)起動(dòng)扭矩是額定扭矩的150%時(shí)，起動(dòng)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(jī)：傳動(dòng)比大、效率高、體積小、重量輕、故障少、壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠平穩(wěn)，拆裝方便、容易維修，還具有超過載能力強(qiáng)、耐沖擊、慣性力矩小，適用于起動(dòng)頻率和正反轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：采用摩擦傳動(dòng)方式，鋼繩柔性好，壽命長，當(dāng)發(fā)生卡泵時(shí)，提升鋼繩在輪上發(fā)生滑動(dòng)，保護(hù)油桿及油泵?？刂葡洌翰僮骱唵危O(shè)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(hù)措施完善，電機(jī)永不燒毀，擁有故障自檢顯示功能，還設(shè)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(zhuǎn)啟動(dòng)信號，K3為故障復(fù)位信號，K4、K5、K6為多段速信號。

圖2電動(dòng)機(jī)換向抽油機(jī)實(shí)物圖

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

繼電器RO2設(shè)為機(jī)械抱閘信號，RO2閉合送出機(jī)械抱閘開閘信號，RO2斷開送出機(jī)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(dòng)上沖程。閉合脈沖起作用。

（4）K2：［DIN2］啟動(dòng)下沖程。閉合脈沖起作用。

（5）K3：［DIN3］故障復(fù)位及停機(jī)端子：變頻器報(bào)警時(shí)，可進(jìn)行故障復(fù)位。變頻器運(yùn)行時(shí)，可進(jìn)行停機(jī)。DIN3復(fù)位時(shí)，上下限位自動(dòng)調(diào)整值也復(fù)位為上下限位調(diào)整值。

（6）K4：［DIN4］點(diǎn)動(dòng)上沖程端子。

（7）K5：［DIN5］點(diǎn)動(dòng)下沖程端子。

（8）K6：［DIN6］電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與電機(jī)調(diào)整狀態(tài)轉(zhuǎn)換端子。

K6=1閉合：電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)K1，K2信號有效。上下點(diǎn)動(dòng)信號K4，K5有效，電機(jī)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行優(yōu)先運(yùn)行信號;

K6=0斷開：電機(jī)調(diào)整狀態(tài)，此時(shí)K1，K2信號無效，上下點(diǎn)動(dòng)信號K4，K5有效，電機(jī)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行;

K6=0到K6=1，K6：［DIB6］來兩個(gè)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(dòng)。故障復(fù)位DIN3閉合時(shí)變頻器不停機(jī)，零頻給定送給電機(jī)給定頻率。運(yùn)行時(shí)，上、下點(diǎn)動(dòng)開關(guān)有效時(shí)則點(diǎn)動(dòng)頻率送給電機(jī)給定頻率，否則把電位器給定送給電機(jī)給定頻率。

K7：［DIO1］=0斷開：無零制動(dòng)。故障復(fù)位DIN3閉合時(shí)變頻器停機(jī)。運(yùn)行時(shí)，上、下點(diǎn)動(dòng)開關(guān)有效時(shí)則點(diǎn)動(dòng)頻率送給電機(jī)給定頻率，否則把電位器給定送給電機(jī)給定頻率。

（10）K8：［DIO2］定位接近開關(guān)。

K8=1閉合：定位接近;

K8=0斷開：遠(yuǎn)離定位。

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

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

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

2.2 抽油機(jī)控制專用參數(shù)組設(shè)置

參數(shù)組設(shè)置為G11。

參數(shù)說明：

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

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

P11.3變頻器沒有接受到位置信號延時(shí)時(shí)間，超過此時(shí)間變頻器停機(jī)并發(fā)出59號超時(shí)報(bào)警;

P11.4計(jì)算沖程系數(shù)分子（與電動(dòng)機(jī)減速器傳動(dòng)比有關(guān)）;

P11.5計(jì)算沖程系數(shù)分母（與電動(dòng)機(jī)減速器傳動(dòng)比有關(guān)）;

P11.6每個(gè)沖程時(shí)間系數(shù)分子;

P11.7每個(gè)沖程時(shí)間系數(shù)分母。

2.3抽油機(jī)設(shè)定調(diào)整過程

（1）進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)，閉合K6開關(guān)。上程脈沖限位值、下程脈沖限位值清零，重新設(shè)置。

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

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

（3）進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，斷開K6開關(guān)。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(diào)整上、下程脈沖限位值，閉合K6開關(guān)。K6=0到K6=1，K6：［DIB6］來兩個(gè)上升沿把上程脈沖限位值和下程脈沖限位值清零。

（5）進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，斷開K6開關(guān)。

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

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

（8）如果停止運(yùn)行，閉合K3：［DIA3］停機(jī)端子。

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

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

（11）P11.3變頻器沒有接受到位置信號延時(shí)時(shí)間，超過此時(shí)間變頻器停機(jī)并發(fā)出59號超時(shí)報(bào)警。K3：［DIA3］=1故障復(fù)位。

（12）智能補(bǔ)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(jī)停機(jī)時(shí)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(gè)符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計(jì)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(yīng)用相關(guān)的特性。

制動(dòng)器開閘信號至關(guān)重要，開閘時(shí)必須保證變頻器輸出足夠大轉(zhuǎn)矩后才開閘，合閘時(shí)要在變頻器接近零速，但還有一定轉(zhuǎn)矩時(shí)就合閘。為保證電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)大轉(zhuǎn)矩輸出，變頻器采用閉環(huán)控制。通過Vacon變頻器編程設(shè)計(jì)出開閘、合閘邏輯。

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

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

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果分析

該機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）裝機(jī)容量低、機(jī)械效率高，可達(dá)80%以上;

（2）電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)COSФ＝1，可提高變電設(shè)備的利用率;

（3）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流小，當(dāng)負(fù)載為電機(jī)額定負(fù)載l50%時(shí)，起動(dòng)電流僅為額定電流的30%，電氣系統(tǒng)保護(hù)措施完善，不會出現(xiàn)燒毀電機(jī)事故;

（4）平衡度高，平衡方式為對稱式平衡，可達(dá)精確平衡;

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

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

（7）該機(jī)適用于較稠油采汲，恰當(dāng)調(diào)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(dòng)，卡泵時(shí)摩擦系統(tǒng)打滑，避免拉斷井桿，超載自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；

（9）整機(jī)重心在機(jī)架內(nèi)，不會發(fā)生翻機(jī)事故，解決了翻機(jī)問題，配重在機(jī)架內(nèi)，工作時(shí)不會發(fā)生配重砸傷人、畜等事故；

（10）維護(hù)簡單，整機(jī)傳動(dòng)部分只有兩個(gè)油脂潤滑點(diǎn)，電氣系統(tǒng)具有故障自檢顯示功能；

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

（12）具有無線集中控制接口，可實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

4 結(jié)束語

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

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