专利名称：油田抽油机节能成套电气设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种节能成套电气设备，尤其是一种电动机节能成套电 气设备。
背景技术：
由于油田抽油机本身的工作特性，在抽油机的电动机负载发生变化时， 油田抽油机的电动机，依然按照原来功率输出，造成了电能浪费。为了解决上述问题，专利ZL99243607.9公开了一种电动机节电器，该技术是以电机的 负载电流作为取样源，用以控制电机的恒流软启动和过载保护控制信号，使 用时检测三相电流对电压的相位差(因电机负载发生变化时，其电流与电压 之间的相位差也发生变化)，并通过射极跟随器和反馈电路自动跟踪调节电机 的输入功率，达到自动节电的目的。但是，上述电动机节电器在实际应用中遇到了一些困难，发现了一些不 足之处，主要表现为当电路送电启动电动机时，电动机发生剧烈的抖动， 无法正常启动，影响设备运行。另外，该电路对电源波动要求比较高，当电 源波动超过10%时，电机将造成闷车，即会经常出现因电源波动而自动停车 现象，影响设备正常运行。发明内容本实用新型旨在提供一种油田抽油机节能成套电气设备，其能够顺利启 动电动机，并在电源电压在20%范围内波动时能够正常工作，并能降低油田 抽油机的电动机的功率。为了实现上述目的，本实用新型根据抽油机的工作性质，采用S11型节 能变压器、大扭矩自动减速启动电动机以及由专利(ZL99243607.9)改进后 的电机节能无节点控制柜(即电动机节电器)组成的抽油机节能成套电气设 备，使用该成套电气设备后，抽油机只需要根据正常运杵时负载量配备电动 机和变压器即可，不再需要考虑启动力矩。所述油田抽油机节能成套电气设备，包括电动机节电器；所述电动机节 电器包括电源、晶闸管、电动机、电流取样单元、比较器单元、门电路单元、 放大触发单元、跟踪反馈单元、电平调节器单元和过载保护单元，所述电动
机节电器的放大触发单元由放大单元和触发单元组成，所述放大单元和触发 单元之间还包括一个延时单元；所述门电路单元与所述放大器单元、延时单 元、触发单元和晶闸管依次电连接。本实用性型进一步的优选方案为所述 电动机节电器还包括，比较单元；所述比较单元分别与所述电平调节器单元、 过载保护单元和电流取样单元电连接。本实用性型再进一步的优选方案为 所述电动机节电器还包括，无功自动补偿单元；所述无功自动补偿单元分别与所述晶闸管、电流取样单元和电动机电连接。采用本实用新型，可根据抽油机的负载变化同步跟踪调节电动机的输入功率，使之与负载相当，从而最大限度地降低电机的损耗；同时还实现了电 动机的无功自动补偿，使电动机的功率因数提高到0.96以上；另外该控制柜 还具有过载、过流、欠压、缺相和短路等保护功能，对电动机进行了全方位 的保护，让电动机在绝对安全的状态下运行。同时，由于本实用新型采用了 大扭矩自动减速启动电动机，当电动机启动时，通过其半轴端面齿盘与电动 机主轴齿轮齿合，从而达到电动机的低转速大扭矩启动。在电动机启动起来 以后，自动减速启动装置半轴和电动机主轴同轴连动同步运行，电动机恢复 正常运转。因此，本实用新型解决了电动机启动时功率远大于正常运行时的 问题，从而降低了能耗。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是本实用新型中的自动减速启动装置的结构示意图。图2是自动减速启动装置的左视图。图3为图2所示自动减速启动装置的左视图中，沿图2中的A-A线的剖 视图，是伺服电机传动原理图。 图4是同步棘轮结构图。图5为实用新型专利ZL99243607. 9的技术原理方框图； 图6为本实用新型的原理方框图。 图7为本实用新型的配线图。图8为本实用新型油田抽油机节能成套电气设备的配置示意图。 图9为本实用新型的延时单元连接关系示意图。 图10为本实用新型的比较单元电路图。图中1.自动减速启动装置外壳，2.自动减速启动装置端面法兰，3.自动减速启动装置半轴，4.电动机主轴，5.同步棘轮，6.同步棘轮，7.电动机主 轴齿轮，8.凸轮顶杆，9.端面凸轮，10.凸轮固定板，ll.复位弹簧，12.弹簧 螺杆，13.花键套压盖，14.内花键套，15.内齿固定套，16.半轴端面齿盘， 17.凸轮顶杆推动盘，18.卡簧，19.减速内齿，20.减速齿轮组外壳，21.减速 齿轮，22.连接螺杆，23.凸轮顶杆钢球，24.减速系统铜套，25.电动机端盖 法兰，26.自动分离系统齿轮轴，27.自动分离系统拨叉连板，28.自动分离系 统拨叉，29.自动分离系统齿轮轴座，30.伺服电机传动减速齿轮，31.伺服电 机传动减速齿轮，32.变压器，33.电机节能无节点控制柜，34.触发单元，35. 延时单元，36.放大器单元；服为电源开关，RD为保险，FJ为热保护元件，Kl为电路切换接触器， K2为补偿电容器投入接触器，K3、 K4为伺服电机正反转控制接触器，TA为 停止按钮，QA为启动按钮，XK为转换开关，KJ1、 KJ2、 KJ3为电路控制继电 器，SJ1、 SJ2为延时触发时间继电器，SJ3、 SJ4、 SJ5、 SJ6为伺服电机控制 时间继电器，Ml为主电机，M2为伺服电机，C为无功补偿电容，XI、 X2为插 件，Nl、 N2、 N3是电压比较器集成电路，Dl、 D2为二极管，Rwl、 Rw2为可 调电位器。
具体实施方式
如图8所示，本实用新型油田抽油机节能成套电气设备由Sll型节能变 压器，电机节能无节点控制柜(即电动机节电器)和大扭矩自动减速启动电 动机相互电连接组成。1) Sll型节能变压器属于公知技术，其容量是按照该成套设备中的电动 机的功率配备的，容量在30-50KVA，这就大大降低了变压器的损耗，也减轻 了电网负担。该变压器直接从6600V的高压线路接入，经过变压输出相应工 作电压给电机节能无节点控制柜(即电动机节电器)，经过电动机节电器输出 电压给大扭矩自动减速启动电动机。所述工作电压为380伏或1140伏。2 )大扭矩自动减速启动电动机，利用其内在的齿轮减速启动所输出的大 扭矩，可让抽油机配备的电动机功率降低50%以上，同时也使变压器的容量 降低50%。所述大扭矩自动减速启动电动机设有电动机和自动减速启动装置， 如图1所示，所述自动减速启动装置设有齿轮减速装置、伺服电机M2、伺服 电机齿轮减速传动装置和伺服电机电气自动控制装置；自动减速启动装置端 面法兰2与电动机端盖法兰25采用螺栓连接，将自动减速启动装置和电动机连接固定成为一体，与伺服电机M2—起构成大扭矩自动减速启动电动机。所 述伺服电机M2与自动减速启动装置连接，齿轮减速装置设于自动减速启动装 置内，并与伺服电机齿轮减速传动装置连接，伺服电机电气自动控制装置与 伺服电机M2电连接，伺服电机齿轮减速传动装置与伺服电机M2连接。所述 齿轮减速装置，设有自动减速启动装置半轴3、电动机主轴4、电动机主轴齿 轮7、半轴端面齿盘16、减速齿轮21、减速内齿19、连接螺杆22、内齿固 定套15、内花键套14和花键套压盖13;其中电动机主轴齿轮7与电动机主 轴4连接并固定在电动机主轴4上；自动减速启动装置半轴3与半轴端面齿 盘16连接；半轴端面齿盘16与内花键套14连接；花键套压盖13、内花键 套14用连接螺杆22与内齿固定套15连接；减速内齿19与内齿固定套15 连接固定，并与减速齿轮21齿合；电动机启动时，自动减速启动装置半轴3与电动机主轴4分离，电动机 启动完成后，自动减速启动装置半轴3与电动机主轴4利用电动机主轴齿轮 7和半轴端面齿盘16连接为同轴直接传动。如图2和图3所示的所述伺服电机齿轮减速传动装置中，设有凸轮顶杆 8、凸轮顶杆推动盘17、凸轮顶杆钢球23、自动分离系统齿轮轴26、自动分 离系统拨叉连板27、自动分离系统拨叉28、自动分离系统齿轮轴座29、伺 服电机传动减速齿轮30、伺服电机传动减速齿轮31和伺服电机M2;其中，伺服电机M2固定在自动减速启动装置外壳1上；参见图3，伺服 电机传动减速齿轮31与伺服电机M2和伺服电机传动减速齿轮30连接，伺服 电机M2的转轴与伺服电机传动减速齿轮31结合在一起，图3所示的伺服电 机传动减速齿轮31中的转轴即伺服电机M2的转轴，也即伺服电机M2。伺服 电机传动减速齿轮30与伺服电机传动减速齿轮31连接；伺服电机传动减速 齿轮30与自动分离系统齿轮轴26连接；自动分离系统齿轮轴26，连接自动 分离系统拨叉连板27和伺服电机传动减速齿轮30;自动分离系统齿轮轴座 29支撑固定自动分离系统齿轮轴26，与自动减速启动装置端面法兰2连接; 自动分离系统拨叉连板27固定在自动减速启动装置端面法兰2上，连接固定 自动分离系统拨叉28;自动分离系统拨叉28与自动分离系统拨叉连板27连 接固定，同时自动分离系统拨叉28固定在凸轮顶杆推动盘17上；凸轮顶杆 8固定在凸轮顶杆推动盘17上；凸轮顶杆钢球23与凸轮顶杆8固定连接。如图4所示的所述伺服电机齿轮减速传动装置还包含有同步棘轮辅助齿 合装置，该装置设有同步棘轮5、同步棘轮6、凸轮顶杆推动盘17、减速齿
轮组外壳20和复位弹簧ll;其中，同步棘轮5固定在凸轮顶杆推动盘17上；同步棘轮6固定在减速齿轮组外壳20上。采用上述大扭矩自动减速启动电动机时，当电动机启动时，通过半轴端面齿盘16与电动机主轴齿轮7齿合，从而达到电动机的低转速大扭矩启动。 在电动机启动起来以后，自动减速启动装置半轴3和电动机主轴4同轴连动 同步运行，电动机恢复正常运转。本实用新型的应用将会使大部分用电动机 拖动的机械设备所配用的电机功率下降50%以上，从而达到节能效果。例如， 例如油田的抽油机，原来配备45-55KW的电动机，现在只需要配备本实用新 型的22KW大扭矩节能电动机即可正常运行，同时变压器容量也由原来的 IOOKVA下降到50KVA。3)另夕卜，在电机节能无节点控制柜(即电动机节电器)方面，本实用新 型油田抽油机节能成套电气设备针对专利ZL99243607.9的技术在实际应用 上存在的缺点进行了改进，如图5和图6所示。如图5所示的专利ZL99243607. 9的技术原理图，该技术是以电机的负载 电流作为取样源，用以控制电机的恒流软启动和过载保护控制信号，使用时 检测三相电流对电压的相位差(因电机负载发生变化时，其电流与电压之间 的相位差也发生变化)，并通过射极跟随器和反馈电路自动跟踪调节电机的输 入功率，达到自动节电的目的。其造成电动机启动时抖动的主要原因为当电路通电时，图5电路中的电容器有一个短时的充放电过程，此时各电路处于短时的不稳态工作，如果即 时触发晶闸管启动电动机，将会造成晶闸管因触发信号不稳定而输出的三相 电压的相位发生改变，这就造成电动机启动时的剧烈抖动。鉴于此，本实用 新型将放大触发电路分开成为两个单元即放大器单元和触发单元，同时在放 大电路和触发电路之间增加了延时单元，当电源接通后，先让前置部分和放 大电路通电，等延时5秒钟后再让触发电路接通，触发晶闸管导通，接通电 机电源，使电动机能顺利平稳启动，解决了原技术启动时电机跳动不稳的问 题。因此，所述的本实用新型的油田抽油机节能成套电气设备，包括电动机 节电器；所述电动机节电器包括电源、晶闸管、电动机、电流取样单元、比 较器单元、门电路单元、放大触发单元、跟踪反馈单元、电平调节器单元和 过载保护单元，所述电动机节电器的放大触发单元由放大单元和触发单元组 成，所述放大单元和触发单元之间还包括一个延时单元；所述门电路单元与
所述放大器单元、延时单元、触发单元和晶闸管依次电连接。结合附图9和 附图7，所述延时单元的工作原理为电路控制继电器KJ2的线圈在延时触发时间继电器SJ1的控制下，进行延时导通，将触发单元与放大器单元连接。 同时，原电路对电源波动要求比较苛刻，当电源波动超过10%时，电机将造成闷车，即会经常出现因电源波动而自动停车的现象，影响设备正常运 行。本实用新型在电流取样单元、过载保护单元和电平调节器单元之间加入 了电流信号取样反馈比较电路(即比较单元)，由于电源电压波动可直接引起 电机的电流变化，这样就通过电流信号取样反馈电路将电流变化信号输送给电平调节器，从而自动控制过载保护和负载电流，使电源电压在20%范围内波动时不会影响设备正常运行。因此，所述的本实用新型的电动机节电器还包括，比较单元；所述比较单元分别与所述电平调节器单元、过载保护单元 和电流^l样单元电连接。参见图10，所述比较单元，在N点设有一基准电压， 与从电流取样单元获得的M点电流转换的电压进行比较，将输出E信号输出 给电平调节器单元。图中的N1、 N2、 N3是能够完成比较功能的常规电压比较 器集成电路如LM339。由于油田的抽油机基本上为每台抽油机单独配备一台变压器，由于负载 性质决定电动机的工作效率很低且为变载，这就造成变压器的无功损耗很大， 单独加一块固定电容器进行补偿，无法解决负载变化时的无功损耗，为了更 好的解决上述问题，本实用新型在主电路中加进了无功自动补偿调节控制单 元，无功自动补偿调节控制单元能够自动跟踪负载变化，调节控制无功补偿 电容的投入量，使无功补偿实现动态调整，达到自动补偿的目的，使电动机 和变压器的无功损耗降到最低。因此，所述的本实用新型的电动机节电器还 包括，无功自动补偿单元；所述无功自动补偿单元分别与所述晶闸管、电流 取样单元和电动机电连接。所述无功自动补偿单元采甩公知技术设计，在此 不再详述。图7为油田抽油机节能成套电气设备的配线图，其工作原理如下在图7中，主电机M1和伺服电机M2构成大扭矩自动减速启动电动机。 当合上电源开关HK时，主电路送电。此时转换开关XK处在节能位置(即当前 位)，按下启动按钮QA，继电器KJ1、 SJ1、 SJ2的线圈同时获电工作，电路 控制继电器KJ1接通主控板电源，给主控板送电，主控板即图2所示的框图 所在的控制线路板。同时延时触发时间继电器SJ1也通电工作，延时触发时 间继电器SJ1延时6秒接通电路控制继电器KJ2,电路控制继电器KJ2使主
控板的放大器单元和触发板的触发器单元接通，使晶闸管导通接通主电机Ml电源，使主电机M1平稳低速减速启动，同时延时触发时间继电器SJ2延时 20秒接通电路控制继电器KJ3线圈电源，电路控制继电器KJ3接通了伺服 电机控制时间继电器SJ3电源，伺服电机控制时间继电器SJ3延时10秒通过 伺服电机控制时间继电器SJ4常闭点接通伺服电机正反转控制接触器K3线 圈，伺服电机正反转控制接触器K3吸合，使伺服电机M2通电正转，通过机 械传动装置，使主电机M1由减速启动转为高速同步运转。同时伺服电机正反 转控制接触器K3也接通了伺服电机控制时间继电器SJ4的线圈，伺服电机控 制时间继电器SJ4常闭点延时2秒断开，这样就保证伺服电机M2只是作2 秒的瞬间正向转动。此时，如图3所示，伺服电机M2通过伺服电机传动减速 齿轮30，伺服电机传动减速齿轮31，传动自动分离系统齿轮轴26，再通过 自动分离系统拨叉连板27连动自动分离系统拨叉28，由于自动分离系统拨 叉28固定在凸轮顶杆推动盘17上，这样伺服电机M2做瞬间转动时，就通过 伺服电机传动减速齿轮31、伺服电机传动减速齿轮30、自动分离系统齿轮轴 26、自动分离系统拨叉连板27、自动分离系统拨叉28，使凸轮顶杆推动盘 17转动一定角度。凸轮顶杆推动盘17使凸轮顶杆8由高位滑向低位。此时 在复位弹簧ll (四个)的作用下，推动凸轮固定板IO，因凸轮固定板10通 过弹簧螺杆12和端面凸轮9连在一起，端面凸轮9又与内齿固定套15、内 花键套14、花键套压盖13、半轴端面齿盘16连接在一起，这样就推动内花 键套14做轴向运动，使半轴端面齿盘16与电动机主轴齿轮7齿合，同时由 于同步棘轮5也固定在凸轮顶杆推动盘17上，因此当凸轮顶杆推动盘17转 动时，利用同步棘轮5沿纵向孔滑动，带动同步棘轮6转动一定角度，而同 步棘轮6是固定在减速齿轮组外壳20上，这样就通过减速机构带动电动机主 轴齿轮7转动一定角度，使半轴端面齿盘16在复位弹簧11的作用下，与电 动机主轴齿轮7顺利齿合，以减少齿合时的振动和冲击力。24为减速系统铜 套，采用过赢配合方式，固定在减速齿轮组外壳20内，对减速齿轮组外壳 20和电动机主轴齿轮7起支撑传动作用；18为卡簧，起锁定减速系统铜套 24的作用；电动机主轴齿轮7通过齿合关系带动半轴端面齿盘16，从而使自 动减速启动装置半轴3与电动机主轴4作同轴同步传动。自动减速启动装置 半轴3与半轴端面齿盘16是采用过赢配合加螺杆连接，电动机主轴齿轮7 与电动机主轴4采用键连接方式固定在电动机主轴4上。这时电动机主轴4 和自动减速启动装置半轴3同轴连动同步运行，电动机恢复正常运转。
另外当电路控制继电器KJ3吸合时，电路控制继电器KJ3的常闭点断开， 确保反向电路不能工作。当按下停止按钮TA时，电路控制继电器KJ3线圈断 电，电路控制继电器KJ3常闭点复位，伺服电机控制时间继电器SJ5线圈获 电，伺服电机控制时间继电器SJ5延时22秒断开，同时通过伺服电机控制时 间继电器SJ5常闭点，伺服电机控制时间继电器SJ6线圈也获电，伺服电机 控制时间继电器SJ6常开点延时20秒接通伺服电机正反转控制接触器K4线 圈电源，伺服电机正反转控制接触器K4吸合，使伺服电机M2反向转动，通 过机械传动装置使主电机M1复位到低速启动位置，以备再次启动。同时由于 伺服电机控制时间继电器SJ5延时22秒断开其常闭点，而伺服电机控制时间 继电器SJ6延时20秒接通伺服电机M2，这样确保伺服电机M2只作2秒钟的 瞬间反向运转。此时，如图3和图l所示，伺服电机M2利用伺服电机传动减 速齿轮31、伺服电机传动减速齿轮30通过自动分离系统齿轮轴26和自动分 离系统拨叉连板27、自动分离系统拨叉28和凸轮顶杆推动盘17，使凸轮顶 杆推动盘17转动一定角度，让端面凸轮9恢复最高点，电动机主轴齿轮7 和半轴端面齿盘16回到分离位置，以备再次启动。当端面凸轮9由低到高位 时，由于端面凸轮9和内齿固定套15是利用销钉连接在一起的，而凸轮固定 板10是通过弹簧螺杆12连接到端面凸轮9上的，所以在复位弹簧11的作用 下推动凸轮固定板IO，经端面凸轮9、内齿固定套15而推动内花键套14。 由于半轴端面齿盘16与内花键套14采用螺杆连接；因此推动半轴端面齿盘 16运动，而与电动机主轴齿轮7分离。另外若电路因故障或因其它原因需要电动机直接工作时，只需将转换开 关XK置于常态位置，接下启动按钮QA，电路切换接触器K1线圈获电，电路 切换接触器K1吸合，主电机M1即可在常态下运行。XI为插件接主控板即图 6所示的控制电路板、X2为插件连接图6所示的触发单元。虽然在本实施例中，示出了延时单元和比较单元的构成实例，但是本实 用新型的保护范围不限于上述构成实例，本实用新型的保护范围应当被给予 最宽泛的理解，只要能够实现上述功能(延时和比较)而且能够适用于本实 用新型中的电路，都属于本实用新型的保护范围。本实用新型可以广泛应用于各种机械设备使用的三相交流异步电动机或 三相交流同步电动机，尤其是油田采油设备，可以降低电力负荷，节约能源， 取得较高的经济效益。
权利要求1、一种油田抽油机节能成套电气设备，包括电动机节电器；所述电动机节电器包括电源、晶闸管、电动机、电流取样单元、比较器单元、门电路单元、放大触发单元、跟踪反馈单元、电平调节器单元和过载保护单元，其特征在于所述电动机节电器的放大触发单元由放大单元和触发单元组成，所述放大单元和触发单元之间还包括一个延时单元；所述门电路单元与所述放大器单元、延时单元、触发单元和晶闸管依次电连接。
2、 根据权利要求1所述的油田抽油机节能成套电气设备，其特征在于: 所述电动机节电器还包括，比较单元；所述比较单元分别与所述电平调节器 单元、过载保护单元和电流取样单元电连接。
3、 根据权利要求1所述的油田抽油机节能成套电气设备，其特征在于: 所述电动机节电器还包括，无功自动补偿单元；所述无功自动补偿单元分别 与所述晶闸管、电流取样单元和电动机电连接。
专利摘要本实用新型公开了一种油田抽油机节能成套电气设备，包括电动机节电器；所述电动机节电器包括电源、晶闸管、电动机、电流取样单元、比较器单元、门电路单元、放大触发单元、跟踪反馈单元、电平调节器单元和过载保护单元，所述电动机节电器的放大触发单元由放大单元和触发单元组成，所述放大单元和触发单元之间还包括一个延时单元；所述门电路单元与所述放大器单元、延时单元、触发单元和晶闸管依次电连接。本实用新型可以广泛应用于油田采油设备中，可以稳定可靠地工作，同时降低电力负荷，节约能源，取得较高的经济效益。
文档编号H02M1/00GK201210665SQ200820117790
公开日2009年3月18日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者李君延 申请人:李君延