抽油机的控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于采油机械中的抽油机控制技术领域，具体是涉及一种抽油机的控制系 统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 现有技术中，抽油机大多采用两种供电方式：其一是，电网通过变压器直接给抽油 机的电机进行供电；其二是，电网通过变压器经过二极管整流后的直流母线与变频器相连， 通过变频器给电机供电。然而，上述两种供电方式中存在的技术缺陷是，由于电机启动功率 和正常运行功率相差较大，以往为了满足电机在启动阶段时转矩大的技术要求，需要配备 容量较大的电机，却导致了电机在正常运行的情况下也不能以满载的容量运行，进一步变 压器为了配合电机的容量，在正常运行时也不能满载运行，这就造成了变压器和电机的"大 马拉小车"现象的存在。此种现象的存在，直接导致电机和变压器的铁芯损耗和铜损，继而 导致了电机和变压器的运转效率较低。
[0003] 现有技术中，为了解决电机的"大马拉小车"的技术问题，本领域技术人员以往采 取了在电机的定子槽内镶嵌了启动和工作两套绕组。在电机启动时，采用额定容量相对较 大的启动绕组，而在电机正常运行时，切换到额定容量相对较小的工作绕组的技术手段克 服"大马拉小车"的技术缺陷。然而，在该技术方案中，对于抽油机而言，在下冲程阶段，由 于抽油机自身不能完全平衡，容易使电机产生"倒发电"现象；在上冲程阶段，电机处于电动 状态。因此，启动绕组和工作绕组并不能使电机在上冲程阶段和下冲程阶段同时以额定的 容量下运行。
[0004] 此外，为了克服电机的"大马拉小车"的技术缺陷。本领域技术人员采用了在游梁 式抽油机的后端悬挂机械平衡重原理，利用机械平衡重作为储能元件，将下冲程阶段的能 量进行回收，机械平衡重作为储能元件存储电机的电能及抽油杆的重力势能，平衡重的势 能增加；在上冲程阶段进行利用，机械平衡重因自身重量而自行下落，机械平衡重和电机共 同作用，提升抽油杆完成抽油工作。此种利用机械平衡重的方法，虽然在一定程度上提高了 电机的运行效率，但是并没有从根本上解决电机"大马拉小车"的技术缺陷。此外，采用机 械平衡重的技术方案，其机械磨损较大，储能效率低；当抽油机长时间处于工作状态时，其 机械参数会发生一定的变化，容易丧失理想或初始设计时的平衡状态使得抽油机产生倒发 电现象，进一步地造成抽油机的机械系统的鲁棒性下降。
【发明内容】
[0005] 为克服上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提出了针对无变频器和有变频器的 两种抽油机技术方案。此两种抽油机控制系统均采用了三绕组电机和超级电容平衡重综合 技术方案，解决现有技术中抽油机存在的电机和变压器的"大马拉小车"技术缺陷，克服了 机械系统磨损导致的平衡重问题。在本发明中所谓三绕组电机方案，即：在电机定子槽内镶 嵌一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组（或者用以组合的方式所形 成的三套绕组），分别给电机在启动过程、上冲程过程和下冲程阶段中使用。所谓超级电容 平衡重方案就是利用超级电容虚拟平衡重替代机械平衡重，从而实现超级电容储能替代机 械平衡重储能，避免传统机械平衡重因机械磨损后使电机处于发电状态，进一步的，使电机 在纯粹的发电和电动两种状态下工作，泾渭分明，为三绕组电机的工作提供良好的配合。
[0006] 为实现上述目的本发明的第一个技术方案是：提供一种无变频器抽油机控制系 统，包括；
[0007] 变压器，其与电网连接，用于将电网提供的工频电源或其他高频电源进行变压处 理，输出幅值经过调整的交流电源；
[0008] 电网功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量经过变压器进行变压处理 的电源功率和电流；
[0009] 超级电容功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量超级电容经过PffM整 流器后输出的功率和电流；
[0010] 负载功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量负载的功率和电流；
[0011] 超级电容，其与PWM整流器连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进行 供电；
[0012] PffM整流器，其与变压器连接，用于把变压器输出的交流电转换成直流电；其与超 级电容连接，用于将超级电容输出的直流电转换为交流电。
[0013] 控制器，其分别与PffM整流器、电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测 量装置、负载功率和电流测量装置连接及上、下死点传感器连接，其用于控制PWM整流器对 超级电容充电或放电。
[0014] 优选的是，所述的抽油机控制系统，其特征在于：控制器与负载连接，用于控制切 换负载的工作状态。
[0015] 优选的是，所述负载为三绕组电机，所述三绕组电机是在所述电机的定子槽内镶 嵌有三套绕组：一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组。
[0016] 优选的是，在启动过程中，所述控制器控制所述三绕组电机的三相启动绕组与交 流母线连接；在上冲程阶段，所述控制器控制所述三绕组电机的三相电动绕组与交流母线 连接；在下冲程阶段，所述控制器控制所述三绕组电机的三相发电绕组与交流母线连接。
[0017] 本发明在无变频器抽油机控制系统的基础上，提供一种控制方法，其特征在于：包 括如下步骤：
[0018] 步骤A :抽油机处于下死点位置；
[0019] 步骤B :控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；
[0020] 步骤C :控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态，电机处于额定发电状态；
[0021] 步骤D :控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，三绕组电机处于额定电动状 ??τ O
[0022] 优选的是，在步骤A中，控制器控制PffM整流器对超级电容充电。
[0023] 优选的是，在步骤B中，控制器通过判断给出PffM整流器的工作方式：当控制器 测量的抽油机负载小于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功 率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒压的方式工 作，此时，PWM整流器停止对三绕组电机供电；当控制器测量的抽油机负载大于变压器容量 时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流 测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒流的方式工作，电网经过变压器和超级电容经过 PWM整流器共同对三绕组电机供电。
[0024] 这样，电网经过变压器和超级电容经过PffM整流器的双电源分别以恒压和恒流方 式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。
[0025] 当控制系统通过上死点传感器判断抽油机达到上死点时，抽油机完成了启动任 务，抽油机开始进入下冲程。
[0026] 优选的是，在步骤C中，抽油机在下冲程时，控制器通过判断给出PffM整流器的工 作方式：控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和 电流测量装置反馈信息控制PWM整流器以恒压的方式工作，电网经过变压器和电机共同通 过PffM整流器对超级电容充电，通过控制PffM整流器的充电电路将变压器控制在额定状态 下。
[0027] 当控制系统通过下死点传感器判断抽油机达到下死点时，抽油机完成了启动任 务，抽油机开始进入下冲程。
[0028] 优选的是，在步骤D中，控制器通过判断给出PffM整流器的工作方式：当控制器 测量的抽油机负载小于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功 率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒压的方式工 作，PffM整流器停止对三绕组电机供电；当控制器测量的抽油机负载大于变压器容量时，控 制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量 装置反馈的信息控制PWM整流器以恒流的方式工作，电网经过变压器和超级电容经过PWM 整流器共同对三绕组电机供电。
[0029] 这样，电网经过变压器和超级电容经过PffM整流器的双电源分别以恒压和恒流方 式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。
[0030] 当控制系统通过上死点传感器判断抽油机达到上死点时，上冲程任务已经完成， 抽油机开始进入下冲程。
[0031] 这样，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机 和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的"大马拉小车"问 题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。
[0032] 为实现上述目的，本发明的第二个技术方案是提供一种有变频器抽油机控制系 统，包括：
[0033] 变压器，其与电网连接，用于将电网提供的工频电源或其他高频电源进行变压处 理，输出幅值经过调整的交流电源；
[0034] 电网功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量经过变压器进行变压处理 的电源功率和电流；
[0035] 超级电容功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量超级电容经过PffM整 流器后输出的功率和电流；
[0036] 负载功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量负载的功率和电流；
[0037] 整流器，其与变压器连接，用于把变压器输出的交流电转换成直流电输送给变频 器；
[0038] 变频器，其一方面与整流器连接，用于把整流器输出的直流电转换成交流电输送 给三绕组电机；另一方面与双向DC/DC变换器连接，用于把双向DC/DC变换器输出的直流电 转换