具有能量反饋功能的抽油機控制系統的製作方法

2023-09-11 16:09:45

專利名稱：具有能量反饋功能的抽油機控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有能量反饋功能的抽油機控制系統，更具體的說，尤其涉及一種將抽油機下行時的勢能轉化為電能並反饋到供電網中的抽油機控制系統。
背景技術：
隨著中國最為嚴峻的缺電局面的降臨，國家提出了如何提高能源效率，降低能源系統成本，並制定了「開發與節約並重，近期把節約放在優先地位」的能源方針。資料顯示，中國電力消耗量僅次於美國，位居世界第二位，節能節電意識的淡薄造成了很大的資源浪費和財產損失，而中國噸油成本是國外噸油成本的好幾倍儘可能的節能增效，同國際水平接軌，這是中國石油工業的必然趨勢。在噸油成本中，電費支出的佔生產成本的三分之一，而且隨著油田的進一步開採，再穩產的基礎上，節能、增效、增產、降耗，顯得更為重要。抽油機作為油田最基本的設備，其節能降耗顯得更有意義。 遊梁式抽油機是我國油田目前最主要的機械採油裝備。由於常規遊梁式抽油機載荷波動較大，其周期載荷波動係數為I. 7 2. 1，同時由於選擇電動機的額定功率有一定的安全儲備，即使抽油機能在其額定設計工況點下工作，電動機的負載率一般也達不到50%，況且由於抽油機實際工作參數達不到額定設計參數，導致電動機的負載率較低，造成電能的極大浪費。據統計，目前遊梁式抽油機電動機的負載率僅為30%左右.在這一負載率下電動機的運行效率僅為65 70%，而電動機的額定效率為90%左右。顯然，由於電動機負載率低，致使抽油機耗電量增加了 30 40%。因此拖動抽油機電動機節能技術的研究已引起人們的普遍重視。為了解決上述問題。近年來各大油田在抽油機採用了變頻控制技術進行節能改造，以便有效地節約能源。
發明內容本實用新型為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種具有能量反饋功能的抽油機控制系統。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，包括起運算和控制作用的微控制單元以及對抽油電機進行變頻調節的變頻控制電路，變頻控制電路包括整流電路和第一逆變模塊，第一逆變模塊的控制端、輸出端分別與微控制單元和抽油電機相連接；微控制單元連接有用於對抽油電機運行狀態控制的外圍控制電路；其特別之處在於還包括將抽油電機發出的電能輸入到交流電網的能量反饋電路，該能量反饋電路包括與抽油電機發電迴路相連接的整流電路以及與微控制單元相連接的第二逆變模塊，第二逆變模塊的輸出與交流電網相連接；所述微控制單元的信號採集端還連接有上衝程檢測電路和下衝程檢測電路。微控制單元由微處理器構成，用於信號採集、數據處理和控制信號的輸出；變頻控制電路實現對抽油機的變頻調節，使得抽油機的轉速工作在設定的合理狀態，以便對抽油機的上行和下行速率進行控制。在變頻控制的過程中，先通過整流電路將交流電整流為直流電，在通過第一逆變模塊逆變為使抽油電機運行的交流電，從而達到對抽油電機的變頻控制。外圍控制電路有相應的開關按鈕和繼電器連接組成，以便對抽油電機的工作狀態進行控制。在遊梁式抽油機下行的過程中，配重塊、驢頭和抽油杆在自身重力的作用下，將會驅使抽油電機進行轉動，能量反饋電路就是將這部分能量轉化、整流、逆變後輸入到交流電網中，以達到節約能源的目的；能量反饋電路中的整流電路將抽油電機發出來的電整流為直流電，第二逆變模塊再將其逆變為與電網中相位、頻率相等的交流電，反饋到電網中，有效地實現了能源的節約。上衝程檢測電路和下衝程檢測電路分別用於檢測遊梁式抽杆上行和下行的狀態，以便對抽油電機的工作狀態進行調節。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，外圍控制電路包括繼電器MX、繼電器MCI、繼電器MC2、繼電器MC3以及切換開關；繼電器MX的線圈與停止、運行按鈕串聯後接於電源的兩端，運行按鈕與繼電器MX的常開點相併聯；繼電器MCl的線圈與繼電器MC2的常閉點、切換開關、繼電器MX的常開點相串聯後接於電源的兩端；繼電器MC2的線圈與繼電器MCl的常閉點、切換開關、繼電器MX的常開點相串聯後接於電源的兩端；繼電 器MC3的線圈經控制開關後接於電源的兩端；所述切換開關和控制開關均與微控制器相連接。採用多個繼電器與開關按鈕相配合的形式，既有利於實現對抽油電機工作狀態的控制，也便於實現不同狀態下的互鎖；使得控制更加精準，並可避免發生錯誤的邏輯控制。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，所述微控制器還連接有頻率調節電路以及用於數據顯示和控制數據輸入的數字控制面板。頻率調節電路用於對抽油電機的工作頻率進行手動調節，可使用電位器來構成；數字控制面板，既可對抽油電機的工作狀態參數進行顯示，也可輸入控制抽油電機運行參數的控制量，如下行、上行時抽油電機的工作頻率。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，所述交流電網與整流電路之間設置有濾波電路；第二逆變模塊與交流電網之間設置有濾波電路。濾波電路可以濾除雜波，實現對電路的保護。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，所述上衝程檢測電路和下衝程檢測電路均為限位開關。採用限位開關，既便於安裝，也有利於信號的採集。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，所述微控制單元採用的微處理晶片為32位軍工級DSP晶片。採用32位軍工級DSP晶片，有利於保證高速的數據處理功能，也有利於長期穩定運行。本實用新型的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，所述第一逆變模塊和第二逆變模塊均為PWM控制的逆變模塊。本實用新型的有益效果是本實用新型通設置控制電源、變頻控制電路和能量反饋電路，在保證了對抽油電機變頻控制的同時，也有效地將遊梁式抽油機下行時配重塊、驢頭和抽油杆的重力做功轉化為了電能，並反饋到交流電網中；可以實現油井節電、增效和增產，提高整個油杆抽油系統的機採效率。同時，由於採用了電動機的軟啟動和無級速度調節，啟動時對電網和抽油設備無衝擊，電動機功率因數可由0. 25、. 50，提高到0. 90以上，從而減輕了電網及變壓器的負擔、降低了線損。經過試驗，節電效果已達到159^20%左右。
圖I為本實用新型的抽油機控制系統的電路原理圖；圖2為本實用新型的抽油機控制系統工作在上、下衝程頻率不相等狀態時的電路原理圖；圖3為本實用新型的抽油機控制系統工作在上、下衝程頻率相等狀態時的電路原理圖；圖4為微控制單元I組成的變頻器與能量反饋電路3構成的回饋裝置的電路連線圖。圖中I微控制單元，2變頻控制電路，3能量反饋電路，4濾波電路，5整流電路，6第一逆變模塊，7抽油電機，8外圍控制電路，9頻率調節電路，10上衝程檢測電路，11下衝程 檢測電路，12數字控制面板，13濾波電路，14整流電路，15第二逆變模塊，16交流電網，17抽油電機發電迴路。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。如圖I所述，給出了本實用新型的抽油機控制系統的電路原理圖，其包括微控制單元I、變頻控制電路2、能量反饋電路3、外圍控制電路8、頻率調節電路9、上衝程檢測電路10、下衝程檢測電路11、數字控制面板12。其中，變頻控制電路2用於實現對抽油電機7的變頻調速控制，其包括濾波電路4、整流電路5、第一逆變模塊6 ;能量反饋電路3用於對抽油電機7發出來的電能進行整流、逆變並反饋輸入到交流電網16中，以達到節約能源的目的。微控制單元I由微處理晶片構成，實現信號採集、數據處理和輸出控制信號的作用；外圍控制電路8由多個繼電器和開關按鈕組成，以便對抽油電機7的運行狀態進行控制，同時還可實現工頻與變頻下的互鎖作用。頻率調節電路9與微控制單元I相連接，可實現手動形式的頻率調節。上衝程檢測電路10對抽油杆是否處於上行狀態進行檢測，下衝程檢測電路11用於對抽油機的抽油杆是否處於下行狀態進行檢測。數字控制面板12與微控制單元相連接，用於抽油電機7運行狀態的顯示以及電機控制參數的輸入，如下行、上行時抽油電機的工作頻率。在變頻控制電路2中，第一逆變模塊6的控制端與微控制單元I的輸出埠相連接，以便通過微控制單元I對第一逆變模塊6的工作狀態進行控制。交流電網16的三相輸出端與整流電路5的輸入端相連接，整流電路5將交流電整流為直流電，第一逆變模塊6將整流電路5輸出的直流逆變為交流電，並輸入到抽油電機7的輸入端。通過微控制單元I對第一逆變模塊6的控制，可對輸入到抽油電機7側的電流頻率進行調節，以實現對抽油電機7轉速的控制,使抽油機利用合理的速度進行抽油作業。在能量反饋電路3中，抽油電機發電迴路17與整流電路14的輸入端相連接，通過整流電路14的整流後再輸入到第二逆變模塊15的輸入端，由第二逆變模塊15輸出的交流電經濾波電路13的濾波後，最終輸入到交流電網16中，第二逆變模塊15的控制端與微控制單元I的輸出埠相連接。濾波電路13用於濾除抽油電機7所發出交流電中的雜波，整流電路14將交流電整流為直流電；第二逆變模塊15再將直流電逆變為與工頻電源頻率相等、相位相同的交流電源信號，並將其輸入到交流電網16中。這樣,通過能量反饋電路3的處理，就將梁式抽油機下行時配重塊、驢頭和抽油杆的重力做功轉化為了電能，達到了節約能源的目的。其中，上衝程檢測電路10和下衝程檢測電路11均可採用限位開關來進行信號檢測；微控制單元I採用的微處理晶片為32位軍工級DSP晶片，並適應-40°C +90°C的氣溫條件，可使其可靠性能較商用變頻器大大提高。第一逆變模塊6和第二逆變模塊均為PWM控制的逆變模塊，以便進行精確的頻率控制。如圖2所示，給出了抽油機控制系統工作在上、下衝程頻率不相等狀態時的電路原理圖，所示的上衝程檢測電路10和下衝程檢測電路11由使用者自行設置在抽油機上，分別用於檢測抽油機的上行和下行運行狀態。所示的繼電器MX的線圈與停止、運行按鈕串聯後接於電源的兩端，運行按鈕與繼電器MX的常開點相併聯；繼電器MCl的線圈與繼電器MC2的常閉點、切換開關、繼電器MX的常開點相串聯後接於電源的兩端；繼電器MC2的線 圈與繼電器MCl的常閉點、切換開關、繼電器MX的常開點相串聯後接於電源的兩端；繼電 器MC3的線圈經控制開關後接於電源的兩端；所述切換開關和控制開關均與微控制器相連接。三相交流電源一路經過繼電器MCl的常開點後接於抽油電機7的輸入端子上，另一路經繼電器MC3的常開點後接於微控制單元I的電源輸入端，微控制單元I的電源輸出端經過繼電器MC2的常開點後接於抽油電機7的輸入端子上。微控制單元I通過對切換開關的控制，可將其控制到工頻或變頻狀態；並且繼電器MCl和MC2具有互鎖作用，使抽油電機7同一時刻只可能在一種狀態下運行。通過數字控制面板12，用戶或調試人員可對抽油電機7上行和下行時的工作頻率分別進行設定。如圖3所示，給出了抽油機控制系統工作在上、下衝程頻率相等狀態時的電路原理圖，此時，無需設置上衝程檢測電路10和下衝程檢測電路11 ;只有在電機啟動的過程中，可能進行變頻軟啟動；工作的過程中抽油電機7始終工作在工頻狀態下，且外圍控制電路8的較簡單，如圖3所示。如圖4所示，給出了微控制單元I組成的變頻器與能量反饋電路3構成的回饋裝置的電路連線圖，需將回饋裝置的直流輸入端子「P1、NI」正確連接到變頻器的直流母線的正負端子，將回饋裝置的交流回饋輸出端子「A」、「B」、「C」連接到與變頻器輸入端相同的電源上即可。回饋裝置會自動檢測電網的相位並自動與電網同步工作，因此回饋裝置的交流回饋輸出端子「A」、「B」、「C」與電網的連接是無極性要求。回饋裝置採用外接電抗器結構，使用時需外接電抗器。接線時電抗器的端子必須與回饋裝置上的接線端子一一對應，如果順序接錯可能會導致回饋裝置損壞甚至有引起火災的危險，接線時，應注意回饋裝置直流輸入端子「P1」、「N1的極性，如果極性接反，可能會導致設備損壞甚至有引起火災的危險。為了防止漏電對人體的傷害，應該將回饋裝置的接地端子可靠接地。由於增加了能量反饋電路，用來將磕頭機下衝程時平衡塊勢能轉化成為再生電能回饋到電網。且採用了電動機的軟啟動和無級速度調節，啟動時對電網和抽油設備無衝擊，電動機功率因數可由0. 25、. 50，提高到0. 90以上，從而減輕了電網及變壓器的負擔、降低了線損。操作方便不需停產即可根據油井的實際供液能力、動態調整抽取速度。利用最新研製的四象限矢量控制變頻調速器，配以過程控制、位置傳感技術改造現有的抽油機，可以實現油井節電、增效和增產，從而提高整個油杆抽油系統的機採效率。為了實現抽油機最大程度與不同油井的供液能力和原油物性相配合，節能控制櫃一般需要提供上下衝次獨立調節功能。上下衝程的獨立調節，需要在抽油機上加裝感應開關，並將感應開關與控制櫃通過變頻器的多段速功能來實現。合理設定、上下衝程兩個感應開關相對應的兩段速速度。根據油井的供液量情況和粘稠度的不同，對應不同的油井，可以分別採用慢提快放、快提慢放、慢提慢放、快提快放等不同的控制策略，以最大程度適應不同井況，提高泵的充滿程度，減少泵的漏失，在不同的井況下取得最佳的節能效果。通過在 勝利油田的孤島採油廠、河口採油廠兩口井的運行試驗結果進行分析，得出節電效果已達到15% 20%左右。
權利要求1.一種具有能量反饋功能的抽油機控制系統，包括起運算和控制作用的微控制單元(I)以及對抽油電機(7)進行變頻調節的變頻控制電路(2)，變頻控制電路包括整流電路(5)和第一逆變模塊(6),第一逆變模塊的控制端、輸出端分別與微控制單兀和抽油電機相連接；微控制單元連接有用於對抽油電機運行狀態控制的外圍控制電路(8);其特徵在於還包括將抽油電機發出的電能輸入到交流電網的能量反饋電路(3)，該能量反饋電路包括與抽油電機發電迴路(17)相連接的整流電路(14)以及與微控制單元相連接的第二逆變模塊(15)，第二逆變模塊的輸出與交流電網相連接；所述微控制單元的信號採集端還連接有上衝程檢測電路(10 )和下衝程檢測電路(11)。
2.根據權利要求I所述的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，其特徵在於外圍控制電路(8)包括繼電器MX、繼電器MCI、繼電器MC2、繼電器MC3以及切換開關；繼電器MX的線圈與停止、運行按鈕串聯後接於電源的兩端，運行按鈕與繼電器MX的常開點相併聯；繼電器MCl的線圈與繼電器MC2的常閉點、切換開關、繼電器MX的常開點相串聯後接於電源的兩端；繼電器MC2的線圈與繼電器MCl的常閉點、切換開關、繼電器MX的常開點相串聯後接於電源的兩端；繼電器MC3的線圈經控制開關後接於電源的兩端；所述切換開關和控制開關均與微控制器相連接。
3.根據權利要求I或2所述的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，其特徵在於所述微控制器(I)還連接有頻率調節電路(9)以及用於數據顯示和控制數據輸入的數字控制面板(12)。
4.根據權利要求I或2所述的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，其特徵在於所述交流電網(16)與整流電路(5)之間設置有濾波電路(4);第二逆變模塊(15)與交流電網(16 )之間設置有濾波電路(13 )。
5.根據權利要求I或2所述的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，其特徵在於所述上衝程檢測電路(10)和下衝程檢測電路(11)均為限位開關。
6.根據權利要求I或2所述的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，其特徵在於所述微控制單元(I)採用的微處理晶片為32位軍工級DSP晶片。
7.根據權利要求I或2所述的具有能量反饋功能的抽油機控制系統，其特徵在於所述第一逆變模塊(6)和第二逆變模塊均為PWM控制的逆變模塊。
專利摘要本實用新型具有能量反饋功能的抽油機控制系統，包括微控制單元和變頻控制電路，變頻控制電路包括整流電路和第一逆變模塊；微控制單元連接有外圍控制電路；特徵在於還包括將抽油電機發出的電能輸入到交流電網的能量反饋電路，該能量反饋電路包括與抽油電機發電迴路相連接的整流電路以及與微控制單元相連接的第二逆變模塊，第二逆變模塊的輸出與交流電網相連接。本實用新型在保證了對抽油電機變頻控制的同時，也有效地將遊梁式抽油機下行時配重塊、驢頭和抽油杆的重力做功轉化為了電能，並反饋到交流電網中；實現了油井節電、增效和增產，提高整個油杆抽油系統的機採效率節電效果已達到15%~20%左右，便於推廣應用。
文檔編號H02J3/38GK202513592SQ201220170008
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者劉亞非 申請人:濟南精工達電器有限公司