抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法与系统与流程

本发明抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法与系统属于采油工程领域。

背景技术：

采油过程中，如果低产井供液不足，就需要降低单井理论排量。由于游梁式抽油机常规运行工作制度限定在曲柄连续整周运动，因此只能通过降低全过程运行冲次或采用间抽工作制度来降低单井理论排量。然而，降低全过程运行冲次会存在柱塞泵漏失率逐渐增大的问题，以及电机驱动效率随电机转速降低而下降的问题；采用间抽工作制度又会浪费大量人力物力和财力。

针对降低单井理论排量的技术需求，并且为了克服降低全过程运行冲次和间抽工作制度的技术问题，申请号为201510783876.2的发明专利《基于曲柄非整周运动的游梁式抽油机非抽汲运行方法》，以及申请号为201510838831.0的发明专利《基于曲柄非整周运动的游梁式抽油机动态变冲程运行方法》，均突破了游梁式抽油机仅存在曲柄连续整周运动一种运行方式的技术偏见，通过曲柄的非整周摇摆式运动，实现在不停机的情况下的无抽汲或有抽汲运行，将传统曲柄连续整周运动与这两项专利提出的曲柄非整周运动相结合，将能够合理降低单井理论排量，同时克服降低全过程运行冲次中柱塞泵漏失率增大、电机驱动效率下降的问题，以及间抽工作制度浪费大量人力物力和财力的问题。

在上述思想下，申请号为201610326037.2的发明专利《一种游梁式抽油机工作制度组合运行方法》将曲柄整周运行、曲柄非整周有抽汲运行、以及曲柄非整周无抽汲运行相结合，并给出了这三种工作制度的组合方案，即如何根据周期内的理论整抽数来分配三种工作制度的次数、持续时间等参数的方案。

突破游梁式抽油机仅存在曲柄连续整周运动一种运行方式的技术偏见，将曲柄整周运行、曲柄非整周有抽汲运行、以及曲柄非整周无抽汲运行相结合，需要改变用于驱动曲柄的电机的传统驱动方式作支持，然而，无论是申请号为201510783876.2的发明专利《基于曲柄非整周运动的游梁式抽油机非抽汲运行方法》，还是申请号为201510838831.0的发明专利《基于曲柄非整周运动的游梁式抽油机动态变冲程运行方法》，以及申请号为201610326037.2的发明专利《一种游梁式抽油机工作制度组合运行方法》的发明专利，都没有涉及如何实现曲柄整周运行、非整周有抽汲运行、以及非整周无抽汲运行相结合，这种非常规工作制度下的电机驱动手段。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明公开了一种抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法与系统，该电机驱动方法与系统不仅给出了如何实现曲柄整周运行、非整周有抽汲运行、以及非整周无抽汲运行相结合，这种非常规工作制度下的电机驱动手段，而且能够在实际生产冲次需求不等于工频冲次的情况下，减少变频驱动的实际工作时间、降低变频器的工作强度，有效改善变频器的散热条件，延长变频器的设备寿命。

本发明的目的是这样实现的：

抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法，在抽油机不停机状态下，完成曲柄整周运行、曲柄非整周有抽汲运行、和曲柄非整周无抽汲运行之间的切换；其中，曲柄整周运行采用工频驱动方式，曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行采用变频驱动方式。

上述抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法，

变频驱动向工频驱动切换的方法为：首先采用变频驱动方式驱动抽油机进行曲柄非整周运行，通过调整曲柄非整周运行过程中摆动幅度的途径调控抽油机机械系统所积累的机械能，从而使电机在双向运动中的峰值转速得到不断调整，当电机沿工频驱动顺向上的转速落入包括电机工频额定转速的邻域内时，将变频驱动切换为工频驱动；

工频驱动向变频驱动切换的方法为：首先断开工频驱动，使抽油机进入自由运行状态，当电机转速落入包括预定的电机转速的邻域内，转入变频驱动。

一种实现上述抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，

设置有共输入共输出的工频回路和变频回路，所述工频回路和变频回路的输入端连接工频供电线路，输出端连接抽油机的驱动电机；在变频回路上设置有变频器；在工频回路和变频回路外，还设置有运行控制单元；

所述工频回路用于使电机驱动曲柄整周运行；

所述变频回路用于使电机驱动曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行；

所述运行控制单元用于接收来自变频器通过分析运算给出的电机转速信号，并根据电机转速实施变频器对电机的驱动控制，或改变工频回路和变频回路的通断。

一种实现上述抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，

设置有共输入共输出的工频回路和变频回路，所述工频回路和变频回路的输入端连接工频供电线路，输出端连接抽油机的驱动电机；在变频回路上设置有变频器；在工频回路和变频回路外，还设置有运行控制单元；还包括安装在电机上的电机转速传感器；

所述工频回路用于使电机驱动曲柄整周运行；

所述变频回路用于使电机驱动曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行；

所述电机转速传感器用于监测电机转速，并将监测数据直接发送给运行控制单元或通过变频器发送给运行控制单元；所述运行控制单元用于接收电机转速信号，并根据电机转速实施变频器对电机的驱动控制，或改变工频回路和变频回路的通断。

以上抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，还包括与工频回路相并联的工频启动回路，所述工频启动回路上串接有防浪涌电抗器、分压电阻或自动调压器件；

变频驱动向工频驱动切换的流程为：断开变频回路、接通工频启动回路、接通工频回路、断开工频启动回路；

工频驱动向变频驱动切换的流程为：断开工频回路、接通变频回路。

以上抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，所述变频器的额定功率小于电机的额定功率。

有益效果：

第一、本发明提出曲柄整周运行采用工频驱动方式，曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行采用变频驱动方式，给出了如何实现曲柄整周运行、非整周有抽汲运行、以及非整周无抽汲运行相结合，这种非常规工作制度下的电机驱动手段。

第二、对于实际生产冲次需求不等于工频冲次的油井，虽然也有在抽油机上加装有变频驱动装置的设计，而且，这些变频驱动装置往往也设置有工频回路，但是在现有技术中，工频回路仅作为备用回路，只有在变频驱动出现故障或修井作业这两种极特殊情况下，才会临时使用工频驱动，而在其他情况下，则完全使用变频驱动；即工频驱动不作为正常工作状态；而本发明与这种带有工频回路的变频驱动装置相比，本质区别在于，在实际生产冲次需求不等于工频冲次的情况下，将工频驱动与变频驱动相结合，并且采用工频驱动方式驱动曲柄整周运行，可以减少变频驱动的实际工作时间、降低变频器的工作强度，有效改善变频器的散热条件，延长变频器的设备寿命。

附图说明

图1是本发明抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统的第一种结构示意图。

图2是本发明抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统的第二种结构示意图。

图3是本发明抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统的第三种结构示意图。

图4是启动回路的第一种电路结构示意图。

图5是启动回路的第二种电路结构示意图。

图6是启动回路的第三种电路结构示意图。

图7是启动回路的第四种电路结构示意图。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法，在抽油机不停机状态下，完成曲柄整周运行、曲柄非整周有抽汲运行、和曲柄非整周无抽汲运行之间的切换；其中，曲柄整周运行采用工频驱动方式，曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行采用变频驱动方式。

具体实施例二

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动方法，在具体实施例一的基础上，进一步限定：

变频驱动向工频驱动切换的方法为：首先采用变频驱动方式驱动抽油机进行曲柄非整周运行，通过调整曲柄非整周运行过程中摆动幅度的途径调控抽油机机械系统所积累的机械能，从而使电机在双向运动中的峰值转速得到不断调整，当电机沿工频驱动顺向上的转速落入包括电机工频额定转速的邻域内时，将变频驱动切换为工频驱动；

工频驱动向变频驱动切换的方法为：首先断开工频驱动，使抽油机进入自由运行状态，当电机转速落入包括预定的电机转速的邻域内，转入变频驱动。

对于具体实施例二，需要解释说明的是：

①在本实施例中，在变频驱动向工频驱动切换时，只有当电机沿工频驱动顺向上的转速落入包括电机工频额定转速的邻域内，才将变频驱动切换为工频驱动；而在工频驱动向变频驱动切换时，只有当电机转速落入包括预定的电机转速的邻域内，才转入变频驱动；这种软切换的方式，有利于防止电机转速的突然变化给电机自身以及减速箱带来的机械冲击，有利于提高抽油机的使用寿命。

②在变频驱动向工频驱动切换的过程中，若电机的转速较低，用不换向方式将电机加速到电机工频额定转速需要变频器驱动电机输出较高的驱动转矩，而变频器驱动电机带动抽油机做作的的曲柄非整周运行可以在多次往复换向运动中通过逐次加大曲柄摆动幅度的方式使抽油机机械系统中积累较多的机械势能，借助势能向动能的转化效应即可使电机在双向运行过程中的峰值转速不断提高，当电机沿工频驱动顺向上的转速落入包括电机工频额定转速的邻域内时，将变频驱动切换为工频驱动。

③采用多次换向式的变频驱动方式，通过不断积累抽油机机械系统的机械能，来不断提高电机的峰值转速，这种累加方式，不存在变频器驱动能力不足的问题，使得采用低功率变频器成为可能，有利于降低设备成本。

具体实施例三

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，如图1所示。该电机驱动系统设置有共输入共输出的工频回路和变频回路，所述工频回路和变频回路的输入端连接工频供电线路，输出端连接抽油机的驱动电机；在变频回路上设置有变频器；在工频回路和变频回路外，还设置有运行控制单元；

所述工频回路用于使电机驱动曲柄整周运行；

所述变频回路用于使电机驱动曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行；

所述运行控制单元用于接收来自变频器通过分析运算给出的电机转速信号，并根据电机转速实施变频器对电机的驱动控制，或改变工频回路和变频回路的通断。

具体实施例四

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，如图2所示。该电机驱动系统设置有共输入共输出的工频回路和变频回路，所述工频回路和变频回路的输入端连接工频供电线路，输出端连接抽油机的驱动电机；在变频回路上设置有变频器；在工频回路和变频回路外，还设置有运行控制单元；还包括安装在电机上的电机转速传感器；

所述工频回路用于使电机驱动曲柄整周运行；

所述变频回路用于使电机驱动曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行；

所述电机转速传感器用于监测电机转速，并将监测数据直接发送给运行控制单元；所述运行控制单元用于接收电机转速信号，并根据电机转速实施变频器对电机的驱动控制，或改变工频回路和变频回路的通断。

具体实施例五

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，如图3所示。该电机驱动系统设置有共输入共输出的工频回路和变频回路，所述工频回路和变频回路的输入端连接工频供电线路，输出端连接抽油机的驱动电机；在变频回路上设置有变频器；在工频回路和变频回路外，还设置有运行控制单元；还包括安装在电机上的电机转速传感器；

所述工频回路用于使电机驱动曲柄整周运行；

所述变频回路用于使电机驱动曲柄非整周有抽汲运行和曲柄非整周无抽汲运行；

所述电机转速传感器用于监测电机转速，并将监测数据通过变频器发送给运行控制单元；所述运行控制单元用于接收电机转速信号，并根据电机转速实施变频器对电机的驱动控制，或改变工频回路和变频回路的通断。

需要解释说明的是：

对于具体实施例三、具体实施例四、以及具体实施例五，需要解释说明的是：

①具体实施例三、具体实施例四、以及具体实施例五，这三套技术方案之间不存在矛盾，在设计抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统时，既可以选择这三套技术方案中的一种，又可以同时选择这三套技术方案中的两种或三种；当选择两套技术方案时，任何一套技术方案都有另外一套技术方案作为备用方案，当选择三套技术方案时，任何一套技术方案都有另外两套技术方案作为备用方案，这样可以提高系统的可靠性。

②对于具体实施例三，当所采用的变频器为开环无感矢量变频器时，尽管物理上不存在电机转速传感器实物，但这种变频器内具有电磁运算功能，能够通过分析运算给出电机转速结果，将电机转速结果发送给运行控制单元，能够分析计算得到电机与曲柄的旋转参数，因此可以免除电机转速传感器的投入，降低设备成本和设备的复杂性。

③对于具体实施例四以及具体实施例五，所述电机转速传感器除了具有传统意义上电机编码器的功能外，即向闭环矢量变频器提供用于实现闭环矢量驱动的转速信号外，还能够通过转速对时间的积分，获得电机转子的角位移，并由此导出曲柄的角位移；此时：

当变频器为闭环矢量变频器时，电机转速传感器被一物两用-----即用于满足变频器自身驱动所需、同时也兼被用于宏观上分析计算电机与曲柄的旋转运动，这种情况下，运行控制单元就只需从变频器数据通讯口间接获取转速信号即可(变频器与运行控制单元之间本身就必须有数据通讯)，节省了从电机转速传感器获取信号的硬件配置；

当所采用的变频器为普通开环变频器时，变频器自身不需要、进而也无法间接向运行控制单元转送电机转速信号，这时就需要专门为宏观上分析计算电机与曲柄的旋转运动的电机转速传感器、并只能将电机转速信号从电机转速传感器直接送给控制器了。

具体实施例六

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，在以上系统实施例的基础上，进一步限定还包括与工频回路相并联的工频启动回路，所述工频启动回路上串接有防浪涌电抗器，如图4所示；

变频驱动向工频驱动切换的流程为：断开变频回路、接通工频启动回路、接通工频回路、断开工频启动回路；

工频驱动向变频驱动切换的流程为：断开工频回路、接通变频回路。

具体实施例七

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，在以上系统实施例的基础上，进一步限定还包括与工频回路相并联的工频启动回路，所述工频启动回路上串接有分压电阻，如图5所示；

变频驱动向工频驱动切换的流程为：断开变频回路、接通工频启动回路、接通工频回路、断开工频启动回路；

工频驱动向变频驱动切换的流程为：断开工频回路、接通变频回路。

具体实施例八

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，在以上系统实施例的基础上，进一步限定还包括与工频回路相并联的工频启动回路，所述工频启动回路上串接有自动调压器件，所述自动调压器件的特性为：在通电的瞬间，其进出两端的电压降接近本回路的实际电压(相应的电机的输入电压就很低)，通电后其进出两端的电压能连续光滑性地降逐渐低(相应的电机的输入电压就连续光滑性地降逐升高)。该特性所带来的效果在于：由于接通工频启动回路时落在电机输入端的电压很低，而随后电机输入端光滑连续的电压升高又不会对电机产生电流冲击，最后接通工频回路时电机的输入电压变化又很小，同样不会产生明显的冲击性电流，故此这种特性能可以完美解决游梁式抽油机变频向工频进行同速切换时的电冲击问题。

本实施例的自动调压器件选择为NTC负温度系数热敏电阻，如图6所示；

NTC负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而降低，由于未通电时环境温度所决定的电阻值较高，通电瞬间其分压作用较强，通电后其阻值会随着电阻自身发热而逐渐降低，直至达到热平衡温度位置，此时其阻值往往低到可以忽略的程度；通过负温度系数温敏电阻的分压作用，实现在变频向工频回路切换的过度过程中落在电机输入端的电压由小无级到大，最终实现低电冲击同速切换的目的。

变频驱动向工频驱动切换的流程为：断开变频回路、接通工频启动回路、接通工频回路、断开工频启动回路；

工频驱动向变频驱动切换的流程为：断开工频回路、接通变频回路。

具体实施例九

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，在以上系统实施例的基础上，进一步限定还包括与工频回路相并联的工频启动回路，所述工频启动回路上串接有自动调压器件，所述自动调压器件的特性为：在通电的瞬间，其进出两端的电压降接近本回路的实际电压(相应的电机的输入电压就很低)，通电后其进出两端的电压能连续光滑性地降逐渐低(相应的电机的输入电压就连续光滑性地降逐升高)。该特性所带来的效果在于：由于接通工频启动回路时落在电机输入端的电压很低，而随后电机输入端光滑连续的电压升高又不会对电机产生电流冲击，最后接通工频回路时电机的输入电压变化又很小，同样不会产生明显的冲击性电流，故此这种特性能可以完美解决游梁式抽油机变频向工频进行同速切换时的电冲击问题。

本实施例的自动调压器件选择为三相固态调压器，如图7所示；

三相固态调压器的输出电压受控于晶闸管的导通相位角，可以实现通电瞬间其输出电压很低，之后能逐渐无级升高到近似输入电压的水平。通过三相固态调压器的控压作用，实现在变频向工频回路切换的过度过程中外来电压被由小到大地施加在电机的输入端，最终实现的低电冲击同速切换的目的。

变频驱动向工频驱动切换的流程为：断开变频回路、接通工频启动回路、接通工频回路、断开工频启动回路；

工频驱动向变频驱动切换的流程为：断开工频回路、接通变频回路。

具体实施例六、具体实施例七、具体实施例八和具体实施例九启动回路的设计，有利于减轻从变频驱动切换到工频驱动时的电冲击。

具体实施例十

本实施例是抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统实施例。

本实施例的抽油机非常规工作制度下的电机驱动系统，在以上系统实施例的基础上，进一步限定变频器的额定功率小于电机的额定功率。

这样的设计具有两个作用：

第一、由于小功率变频器的价格低于大功率变频器，因此限定变频器的额定功率小于电机的额定功率，有利于降低设备成本投资；

第二、由于变频器的输出功率越低，其伴生的谐波就越低，因此限定变频器的额定功率小于电机的额定功率，能够有效降低对电网的谐波污染。