图1  永磁同步电机直驱螺杆泵外观（左）及结构

地面直驱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。英威腾GOODRIVE300开环矢量型变频器不仅控制性能可靠，而且能为地面直驱螺杆泵提供很好的节能改造方案。

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，能有效克服气锁和砂卡等现象，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，取消了皮带传动和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地释放，整个系统简洁而又紧凑，操作简单，运行高效平稳。

地面直驱螺杆泵

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、减速箱减速装置和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，其外观及结构如图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，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漏液体排出，防止造成机油乳化降低润滑效果。

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。

图2  典型井场数字化方案

GOODRIVE300驱动的直驱螺杆泵驱动控制系统

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可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，即能在整个功率范围内都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。

图3  系统控制电路

2．GOODRIVE300永磁同步电动机系统

地面直驱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、以太网和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、速度精度和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和Profibus等通讯功能，可以为构建油田自动化和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，最大限度地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，在不同井况下有不同的最佳运行工况，在保证单井最大采液量的情况下，控制螺杆泵的转速至最低可最大限度地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。

图4  变频控制柜布局

基于GOODRIVE300的地面直驱螺杆泵电气控制方案

1．在数字化油田中采用停机程序防反转的控制方案

为响应国家规划发展战略，提供企业核心竞争力，完成节能减排的目标，国内石油公司正大力加快技术装备的更新改造，数字化也成为油田建设的发展趋势，典型井场数字化方案如图2所示。

在直驱螺杆泵数字化方案中可以用通讯控制变频器，若变频器的启停和频率给定完全用通讯控制，则在控制器中可以编入停机程序，以便当采用自动控制（通讯控制）时缓慢释放反扭矩。当发出停机命令时，GOODRIVE300将变频器控制方式变为扭矩模式再由控制器发出制动力矩信号，经过一定的延时后再停止变频器。

在油田的实际运行中，为了提高抽油机控制的可靠性，一般会备用一路端子硬接的控制方式，从而在整个直驱螺杆泵的控制中形成手动/自动控制，手动为端子控制变频器，自动为通讯控制变频器。变频器直接接入主电路，控制方式切换采用端子切换。

采用变频器缓慢释放反扭矩的方案，变频器需配置制动单元和制动电阻，抽油杆储存的弹性形变能量可由制动电阻消耗掉。其系统控制电路如图3所示。

2．能耗制动防反转方案

若油田数字化水平比较落后，可采用本地手动控制+能耗制动防反转方式，以胜利油田东营某井场为例来说明这种控制方案。要求在变频器拖动满负荷情况下电机运行转速达到200r/min，启动转矩达到1600N·m。

地面直驱螺杆泵永磁同步电机功率为31kW，额定电流为64A。充分考虑其高启动扭矩的负载特点，选用GOODRIVE300-037G/045P-4变频器驱动。由于在螺杆泵停机时，存在弹性反扭矩，抽油杆柱将高速反转，若不加以限制，势必会造成抽油杆脱扣。因此，可以采取电气能耗制动的方法防止反转，利用泄放电阻进行能耗制动，将抽油杆储存的弹性变形能带动电机轴旋转发出的电能释放。电路中采用常开/常闭触点的交流接触器组：正常工作时，交流接触器主触点闭合，驱动器与力矩电机绕组连接，电机正常运行。断电时，交流接触器主触点断开，电机绕组与驱动器断开，同时交流接触器辅助触点闭合，电机绕组与3个能耗电阻短接。如果螺杆泵反转，则电机变成了发电机，发出的电在电阻上消耗，即把传动杆变形产生的机械能转化成电阻上的热能消耗，此时电机转子会缓慢地反转直至停止，达到保护目的。地面直驱螺杆泵抽油机在变频柜门板上进行操作，变频控制柜门板上有启动、停止、故障复位按钮，相应的变频器控制方案是端子控制方式。若以后井场实行数字化，GOODRIVE300所标准配置的Modbus通讯协议将为其提供井场底层数字化解决方案，变频控制柜布局如图4所示。

GOODRIVE300变频器通过自身提供的接线端子，辅以电气控制回路，对螺杆泵实现本地控制。整个系统安装在变频柜中，变频柜的合理设计是保证其在恶劣条件下（如多沙尘地区）长期稳定工作的关键。

按照电气控制方案接线图将系统连线接好，经过现场试验，启动转矩达到1800N·m以上，在不超过420V的情况下，变频器拖动满负荷电机运行转速可达到230r/min，电流始终维持在64.5A左右，输出电流波形也非常好，超出用户的要求。

通过在油田长时间的运行观察和一线员工的反馈，由GOODRIVE300驱动的地面直驱螺杆泵抽油机系统运行良好，与传统的异步机带减速装置驱动螺杆泵的方式相比，节电率高达30%以上。目前，经过将近1年的实践运行，INVT的GOODRIVE300在胜利油田和大庆油田都受到了油田工作人员的好评。实践证明，GOODRIVE300在驱动直驱螺杆泵永磁电动机上有着可靠的性能，变频器本身亦有诸多的技术特色，作为具有专门针对同步电动机功能的通用型变频器，GOODRIVE300将为油田的节能改造和数字建设提供底层解决方案。