抽油機變頻節能控制裝置的製作方法
2023-05-30 16:58:21
專利名稱：抽油機變頻節能控制裝置的製作方法
技術領域：
抽油機變頻節能控制裝置技術領域：
本實用新型涉及一種油田專用變頻節能技術，特別是涉及一種將變頻節能 控制技術用在油田抽油機中的變頻節能控制裝置。背景技術：
變頻器自20世紀80年代在中國推出以來，在國民經濟和日常生活中發揮 著曰益重要的作用，已經被廣泛用於企業的工業生產以^A們的日常生活中。 變頻器的廣泛運用，主要得益於其優良的節能特性和調速特性。中國產值能耗 是世界上最高的國家之一。要解決產品能耗問題，除其它相關的技術問題需要 改進外，變頻調速已成為節能及提高產品質量的有效措施。油田作為一個特殊 行業，有其獨特的背景，以風機、泵類負載為主。而我國的油田絕大部分為低 能、低產油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油要靠注水來壓油 入井，靠抽油機(矽頭機)把油從地層中提升上來，以水換油、以電換油是目 前油田的現實，耗電費用在我國的石油開採成本中佔了相當大的比例。節省電 耗就是直接降低；油的開採成本。目前，抽油機在採油設備中應用最為普遍，其工作原理是反覆地上下提升 運動，上升衝程是抽油過程，下降衝程負荷減輕，電機由於位能或慣性，其轉 速會超過同步速度，電機處於發電狀態，電機拖動產生的能量無法被負載吸收，
普通變頻器的輸入是二極體整流，能量不可能反方向流動，沒有流回電網的通 道，必需用電阻來就地消耗，而往復過程中勢能將以再生反電勢的形式衝擊電 網，構成內耗，汙染電網，不利於電網的使用，也白白的浪費，以多耗電能為 代價。這種普通變頻器不但節電率低，通過調節抽油機的衝程節省的電能可能 不能抵消變頻器制動單元消耗的電能，與節能的目標背道而馳，而且諧波含量 高，汙染電網質量，降低供電系統的功率因數，達不到有效的節電效果。
實用新型內容本實用新型針對現有技術的上述缺陷，提供了一種有效處理抽油機下沖程 時電機發電狀態產生的電能，將其反饋到交流電網中，並利用高、低通濾波器 有效抑制電力電子裝置和其它諧波源的諧波汙染問題，提高交流電網質量和系 統效率，增加油產量，達到節能和提高交流電網功率因數的抽油機變頻節能控制裝置。為了解決上述技術問題，本實用新型包括逆變器、電機、輸入電抗器及濾波器、整流電路、能量回饋裝置及平波電抗器和輸出電抗器及濾波器;輸入電抗 器及濾波器包括輸入電抗器和輸入濾波器，能量回饋裝置及平波電抗器包括能 量回饋裝置和平波電抗器，輸出電抗器及濾波器包括輸出電抗器和輸出濾波器； 輸入電抗器、輸入濾波器、整流電路、能量回饋裝置依次電連接在逆變器的輸 入端，能量閎鐨裝置與平波電抗器電連接，在逆變器的輸出端和電機間儂次電連 接有輸出電抗器和輸出濾波器；能量回饋裝置與交流電網電連接，將電機發電狀
態產生的電能反饋到交流電網中。上述輸入電抗器前還設有雷擊及漏電保護器。 上述逆變器的輸出端還接有線路濾波器。作為本實用新型的一種優選實施例，輸出濾波器和電機間還接有噪聲濾波本實用新型相對於現有技術的有益效果在於提供了一種有效處理抽油機 下衝程時電機發電狀態產生的電能，將其反饋到交流電網中，並利用高、低通 濾波器有效抑制電力電子裝置和其它諧波源的諧波汙染問題，提高交流電網質 量和系統效率，增加油產量，達到節能和提高交流電網功率因數的抽油機變頻 節能控制裝置。附困說明圖l是本實用新型的方框原理示意圖；圖2是本實用新型一種優選實施例的電路原理示意圖；圖3是本實用新型另一種優選實施例的電路原理示意圖；圖4是未使用本實用新型前的交流波形圖；圖5是本實用新型輸出的交流波形圖。
具體實施方式
下面結合酎國和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。如圖l所示，本實用新型包括逆變器5、電機8、輸入電抗器及濾波器l、整
流電路2、能量回饋裝置及平波電抗器3和輸出電抗器及濾波器6;輸入電抗器 及濾波器1包括輸入電抗器11和輸入濾波器12,能量回饋裝置及平波電抗器3 包括能量回饋裝置31和平波電抗器32,輸出電抗器及濾波器6包括輸出電抗器 61和輸出濾波器62;輸入電抗器11、輸入濾波器12、整流電路2、能量回饋裝 置31依次電連接在逆變器5的輸入端，能量回饋裝置31與平波電抗器32電連 接,在逆變器5的輸出端和電機8間依次電連接有輸出電抗器61和輸出濾波器 62;能量回饋裝置與交流電網電連接，將電機8發電狀態產生的電能反饋到交流 電網中。逆變器5就是變頻器，輸入電抗器2的輸入為交流電網。如
圖1所示，上述輸入電抗器11前還設有雷擊及漏電保護器9。雷擊及漏電 保護器9的輸入為交流電網。雷擊及漏電保護器9中的漏電保護器起漏電保護 的作用，減少系統的誤動作；雷擊及漏電保護器9中的雷電保護器用於減少雷電 衝擊保護系統正常運行。如圖1所示，上述逆變器5的輸出端還接有線路濾波器10。 作為本實用新型的一種優選實施例，如圖2所示，輸入電抗器及濾波器1包 括十二個電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 CIO、 Cll、 C12、三個電 阻R1、 R2、 R3、三個不帶4失芯的電感Ll、 L2、 L3和三個帶有4失芯的電感LA、 LB、 LC;三個電感LA、 LB、 LC的輸入分別為交流電網的三相輸出，其輸出為整流 電路2輸入；電感Ll與電容C2串聯後再和電容C1並聯，其一端接在交流電網的 一相輸出上，電感L2與電容C4串g再和電容C3並聯，其一端接在交流電網的
另 一相輸出上，電感L3與電容C6串:^再和電容C5並聯，其一端接在交流電網 的第三相輸出上，它們的另一端接在一起；電阻R1與電容C8串聯後再和電容C7 並聯，其一端接在電感LA的輸出上，電阻R2與電容C10串聯後再和電容C9並聯， 其一端接在電感LB的輸出上，電阻R3與電容C12串^再和電容C11並聯,其 一端接在電感LC的輸出上，它們的另一端與六個電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6 接在一起；如圖2所示，整流電路2採用六個二極體Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6構成整 流電路;其輸入分別為三個電感LA、 LB、 LC的輸出，其輸出為平波電抗器32的輸入；如圖2所示，平波電抗器32包括兩個帶有鐵芯的電感Lpl、 Lp2、兩個電容 C13、 C14和儲能電容Cp，電容C13並聯在兩個電感Lpl、 Lp2的輸入端，電容C14 並聯在兩個電感Lpl、 Lp2的輸出端，儲能電容Cp接在兩個電感Lpl、 Lp2的抽 頭端，兩個電感Lpl、 Lp2的輸入為整流電路2的輸出，其輸出為能量回々資裝置31 的輸入；能量回饋裝置31包括六個晶閘管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6 和變壓器T，六個所迷晶間管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6構成有源逆 變器電路，變壓器T為升壓電壓器，六個晶閘管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6的輸入為兩個電感Lpl、 Lp2的輸出，其輸出給變壓器T提供輸入，變壓器T 的輸出與交流電網電連接；如圖2所示，逆變器5包才金六個雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12，六個
雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12的輸入接儲能電容Cp的兩端，其輸出為 輸出電抗器及濾波器6的輸入；如圖2所示，輸出電抗器及濾波器6包括三個不帶鐵芯的電感L4、 L5、 L6、 六個電容C18、 C19、 C20、 C21、 C22、 C23和三個電阻R7、 R8、 R9;三個電感L4、 L5、 L6的輸入為逆變器5的輸出，其輸出給電機8提供輸入;三個電容C19、 C21、 C23—端接在一起，其另一端分別接在三個電感L4、 L5、 L6的輸出端；電阻R7與 電容C18串聯、電阻R8與電容C20串聯、電阻R9與電容C22串g電容C18、 C20、 C22的另一個腳分別接在三個電感L4、 L5、 L6的輸出端，三個電阻R7、 R8、 R9的另一個腳接在一起。如圖2所示，六個晶閘管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6構成有源 逆變器電路，由於兩個帶有^t芯的電感Lpl、 Lp2續流的作用，再生能量就通過 六個晶閘管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6經升壓電壓器T後流回到交 流電網；變壓器T為升壓電壓器，能^f吏波形和功率因數都可得到改善，還可以切斷上下橋臂產生的直流環流。作為本實用新型的一種優選實施例，如圖3所示，輸入電抗器及濾波器1 包括十二個電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 CIO、 Cll、 C12、三個 電阻R1、 R2、 R3、三個不帶4失芯的電感Ll、 L2、 L3和三個帶有4失芯的電感LA、 LB、 LC;三個電感LA、 LB、 LC的輸入分別為交流電網的三相輸出，其輸豳為整流 電路2輸入；電感Ll與電容C2串聯後再和電容C1並聯，其一端接在交流電網的
一相輸出上，電感L2與電容C4串聯後再和電容C3並聯，其一端接在交流電網的 另一相輸出上，電感L3與電容C6串聯後再和電容C5並聯,其一端接在交流電網 的第三相輸出上，它們的另一端接在一起；電阻R1與電容C8串絲再和電容C7 並聯，其一端接在電感LA的輸出上，電阻R2與電容C10串聯後再和電容C9並聯， 其一端接在電感LB的輸出上，電阻R3與電容C12串聯後再和電容Cll並聯,其 一端接在電感LC的輸出上，它們的另一端與六個電容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6 接在一起；如圖3所示，整流電路2採用六個雙電晶體Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6構成 整流電路;其輸入分別為三個電感LA、 LB、 LC的輸出，其輸出為能量回饋裝置及 平波電抗器3的輸入；如圖3所示，能量回饋裝置及平波電抗器3包括兩個帶有鐵芯的電感Lpl、 Lp2、五個電容C13、 C14、 C15、 C16、 C17和三個電阻R4、 R5、 R6,三個電"容C14、 C15、 C16為儲能電容；電容C13並聯在兩個電感Lpl、 Lp2的輸入端，電容C17並 聯在兩個電感Lpl、 Lp2的輸出端；電容C14與電阻R4並聯、電容C15與電阻R5 並聯、電容C16與電阻R6並聯後再串聯後接在兩個電感Lpl、 Lp2的抽頭端，兩 個電感Lpl、 Lp2的輸入為整流電路2的輸出，其輸出為逆變器5的輸入；如圖3所示，逆變器5包括六個雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12，六個 雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12的輸入接兩個電感Lpl、 Lp2的輸出端， 其輸出為輸出電抗器及濾波器6的輸入；
如圖3所示，輸出電抗器及濾波器6包括三個不帶鐵芯的電感L4、 L5、 L6、 六個電容C18、 C19、 C20、 C21、 C22、 C23和三個電阻R7、 R8、 R9;三個電感L4、 L5、 L6的輸入為逆變器5的輸出，其輸出給電機8提供輸入;三個電容C19、 C21、 C23—端接在一起，其另一端分別接在三個電感L4、 L5、 L6的輸出端；電阻R7與 電容C18串聯、電阻R8與電容C20串聯、電阻R9與電容C22串聯後電容C18、 C20、 C22的另一個腳分別接在三個電感L4、 L5、 L6的輸出端，三個電阻IT7、 R8、 R9的另一個腳接在一起。如圖3所示，電機8產生的再生能量通過逆變器5的六個雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12中的二極體回々貴到直流母線，當直流母線上儲能電容C14、 C15、 C16的電壓超過一定的值，整流電路2中六個雙電晶體Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6的控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將 能量回饋到交流電網，達到節能的效果。作為本實用新型的一種優選實施例，如圖1所示，輸出濾波器62和電機8間 還接有噪聲濾波器7，可以減少諧波汙染造成的幹擾。下面對本實用新型的工作原理做簡單的描述如圖1、圖2所示抽油機(未標出)工作在上沖程時，電機工作在電動狀態， 交流電源經輸入電抗器及濾波器1進入整流電路2輸入端R、 S、 T,整流輸出為 為直流，然後通過平波電抗器32流入到逆變器5,再次通過輸出電抗器及濾波 器6，驅動電機8運行做功。雷擊及漏電保護器9中的漏電保護器起漏電保護的
作用，減少系統的誤動作；雷擊及漏電保護器9中的雷電保護器用於減少雷電衝 擊保護系統正常運行。輸入電抗器及濾波器1包含輸入電抗器、輸入濾波器、 輻射濾波器，用於抑制輸入電流的高次諧波，抑制外界無線電幹擾，吸收較高具 有輻射能量的諧波成分，減少電源浪湧對逆變器5的衝擊，改善三相電源的不 平衡性，提高輸入電源的功率因數。整流電路2，將潔淨的交流電整流為直流電 壓。平波電抗器32也叫直流電抗器，用於減少直流的高次諧波成分，提高輸入 電源的功率因數。逆變器5用於將直流電壓逆變成電機8所需要的交沬電壓。 輸出電抗器及濾波器6包含輸出電抗器、輸出濾波器，用於抑制輸出電流的高次 諧波，抑制外界無線電千擾，吸收較高具有輻射能量的諧波成分，減少逆變器5 輸出的浪湧電壓，提高輸出電源的功率因數，減少電機8由高頻諧波電流引起 的附加轉矩；同時由於線路濾波器10串聯在逆變器5控制迴路側，由電感線圏 組成，具有良好的共模和差模幹擾抑制能力，通過增大電路的阻抗減小頻率較 高的諧波電流;在需務使用外控端子控制逆變器5時，如果控制迴路電纜較長， 外部環境的千擾有可能從控制迴路電纜侵入，造成逆變器5誤動作，此時將線 路濾波器10串聯在控制迴路電纜上，可以消除幹擾。抽油機工作在下衝程時， 電機8由於位能或慣性，電機8會出現處於再生制動工作狀態，即發電狀態， 再生能量通過與逆變器5的六個雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12中並聯 的續流二極體的整流作用，反鐨到直流母線上，反饋到直流母線的再生能量對 節電控制裝置的儲能電容Cp進行充電，通過在直流母線上增加特殊設計的儲能
電容Cp,將再生能量儲存起來，將儲存的能量通過能量回饋裝置31和變壓器T 變成與交流電網同頻率、電壓、相位的交流電回々齎到交流電網中。能量回饋裝 置31採用六個晶閘管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6構成有源逆變器 電路，由於兩個帶有鐵芯的電感Lpl、 Lp2續流的作用，再生能量就通過六個晶 閘管SCR1、 SCR2、 SCR3、 SCR4、 SCR5、 SCR6經升壓電壓器T後流回到交流電網。 變壓器T為升壓電壓器，能使波形和功率因數都可得到改善，還可以切斷上下 橋臂產生的直流環流。如圖1、圖3所示抽油機(未標出)工作在上衝程時，電機8工作在電動狀 態，整流電路2的六個雙電晶體Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6產生六路高頻的PWM 脈沖控制整流側的六個雙電晶體Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6的開通和關斷。六個 雙電晶體Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6的開通和關斷與輸入電抗器及濾波器1共同 作用產生了與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，此時能量從電網經由整流電 路2和逆變器5經輸出電抗器及濾波器6流向電機8，逆變器5工作在笫一、第 三象限。抽油機(未標出)工作在下衝程時，電機8由於位能或慣性，電機8會 出現處於再生制動工作狀態，即發電狀態，電機8產生的再生能量通過逆變器5 的六個雙電晶體Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12中的二極體回饋到直流母線，當 直流母線上儲能電容C14、 C15、 C16的電壓超過一定的值，整流電路2中六個 雙電晶體Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6的控制部分啟動，將直流逆變成交流，通過 控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到交流電網，達到節能的效果。此時能量 由電機8通過逆變側、整流側流向交流電網。逆變器5工作在二、四象限，輸入 電抗器及濾波器1的主要功能是電流濾波。如圖4、圖5所示圖4是未使用本實用新型前的交流波形圖，諧波成分很 大，不帶輸入電抗器及濾波器、輸出電抗器及濾波器、平波電抗器等的諧波電 流明顯高於帶輸入電抗器及濾波器1、輸出電抗器及濾波器6、平波電抗器32 等產生的諧波電流。圖5是本實用新型輸出的交流波形圖，減少了諧波成分，輸 入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負栽時都能使功率因數 為1,可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。逆變器5內置的輸入電抗器及濾波 器1、輸出電抗器及濾波器6、平波電抗器32等有很好的抑制諧波作用，同時 可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響；為了減少諧波汙染造成的幹擾， 在逆變器5的輸出迴路安裝了噪聲濾波器7。總之，採用本實用新型在油田抽油機中的應用，保證電機8的輸出功率與 負荷需求精確匹配，能滿足各種位勢負載的調速要求，可減少在提升中油的漏 失係數，有效地提高單位時間內的原油產量，同時通過動態調速也可大大節省 電能的消耗。提高運行設備的功率因數，降低電機8的啟動電流，減少沖擊電 流對電機8絕緣的破壞、降低電機8運行溫度、減少電機8的維護量、延長使 用壽命，安全有效的將電機8的再生能量轉化為電能送回交流電網，達到最大限 度的節能的目的，不僅如此，它還可減少電源的諧波汙染，有效i^高單位時 間內的原油產量和電機的效率，節電、節能，使變頻調速成為一種真正的"綠色"
變頻器(逆變器)。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，凡跟本實用新型權利要求範圍所做 的均等變化與修飾，均應屬於本實用新型權利要求的涵蓋範圍。
權利要求1.抽油機變頻節能控制裝置，包括逆變器(5)和電機(8)，其特徵在於還包括輸入電抗器及濾波器(1)、整流電路(2)、能量回饋裝置及平波電抗器(3)和輸出電抗器及濾波器(6)；所述輸入電抗器及濾波器(1)包括輸入電抗器(11)和輸入濾波器(12)，所述能量回饋裝置及平波電抗器(3)包括能量回饋裝置(31)和平波電抗器(32)，所述輸出電抗器及濾波器(6)包括輸出電抗器(61)和輸出濾波器(62)；所述輸入電抗器(11)、所述輸入濾波器(12)、所述整流電路(2)、所述能量回饋裝置(31)依次電連接在所述逆變器(5)的輸入端，所述能量回饋裝置(31)與所述平波電抗器(32)電連接，在所述逆變器(5)的輸出端和所述電機(8)之間依次電連接有所述輸出電抗器(61)和所述輸出濾波器(62)；所述能量回饋裝置與交流電網電連接，將所述電機(8)發電狀態產生的電能反饋到所述交流電網中。
6.根據權利要求1至5任一項所述的變頻節能控制器諧波抑制裝置，其特 徵在於所述輸出濾波器(62)和所述電機(8)間還接有噪聲濾波器(7)。
專利摘要本實用新型涉及一種抽油機變頻節能控制裝置，包括逆變器、電機、輸入電抗器、輸入濾波器、整流電路、能量回饋裝置、平波電抗器、輸出電抗器、輸出濾波器；輸入電抗器、輸入濾波器、整流電路、能量回饋裝置依次電連接在逆變器的輸入端，能量回饋裝置與平波電抗器電連接，在逆變器的輸出端和電機之間依次電連接有輸出電抗器、輸出濾波器；能量回饋裝置與交流電網電連接，將電機發電狀態產生的電能反饋到交流電網中。提供了一種有效處理抽油機下衝程時電機發電狀態產生的電能，將其反饋到交流電網中，並利用高、低通濾波器有效抑制電力電子裝置和其它諧波源的諧波汙染問題，提高交流電網質量和系統效率，增加油產量，達到節能和提高交流電網功率因數的抽油機變頻節能控制裝置。
文檔編號H02P3/18GK201018450SQ20072004914
公開日2008年2月6日 申請日期2007年3月9日 優先權日2007年3月9日
發明者元 張, 許光旭, 赫 金, 顏曉英, 饒臘根 申請人:東莞市友美電源設備有限公司