能源 的回收利用。
[0138] 图6为本发明中的三绕组电机的示意结构。其中，定子为a、b、c三相， A相定子轴上的三套绕组，V b2、匕为B相定子轴上的三套绕组，c i、c2、〇3为C相定子轴上 的三套绕组，每相的三套绕组的两套绕组上配有开关，即和和a 3绕组分别配有一个开关Kal 和Ka2, 132和b 3绕组分别配有一个开关K bl和K b2, C2和c 3绕组分别配有一个开关K ^和K。2。 在通过不同的开关状态的切换满足不同状态下的需求，在此将三套绕组并联，以A相为例， 在发电状态下，MPK a2断开，此时只有&1绕组接入电机；当抽油机电动（上冲程时）状态 时，Kal接通，K a2断开，此时a JP a 2并联作为电机的定子绕组；当a i、a4P a 3绕组共同为抽 油机启动状态供电时，Kal和K a2接通，a p &2和a 3三套绕组并联作为此时电机的定子绕组以 满足启动时较大的转矩需求。B相和C相接法同A相。
[0139] (2)电容变压器容量的优化问题：
[0140] 由于抽油机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，这就造成了变压器的"大马拉小车"现象的存在。传统采用机械配重装置的抽油机存 在另一个附加问题是供电变压器，由于电机的负载率变化而不能工作在满载状态。抽油机 启动时要克服较大的惯性载荷，而一旦设备启动起来，其自身需要的功率又明显减少，结果 使所用变压器在电机正常工作时比自身启动额定功率小得多，这样导致变压器的负载率过 低。因此，而超级电容储能式抽油机，利用超级电容蓄能来解决这一问题，。进一步，为了 提高使井场变压器在抽油机电机工作于上、下冲程启动、提升以及下放过程中的效率问题， 使其，工作在一个确定的范围内，从而建立一个优化的井场变压器容量选取模型，如式1所 不。
[0141] 井场变压器上、下冲程容量差最小的目标函数：
[0142] minF (X) = ΔΡ = Pup-Pdmm ⑴
[0143] 超级电容功率约束：Pc _彡P # P c
[0144] 母线电压稳走约束：U母线U母线< U母线max;
[0145] 电机功率限定约束：PMup< P up+Pc;
[0146]
[0147]
[0148] 负载一电机转速特性约束：通过公式
可以获取理论上 的负载与电机转速关系特性曲线以及在修井机负载特性测试平台里实测得到的负载一电 机转速特性曲线共同决定约束关系。
[0149]超级电谷工作电压约束：U超级电容min < U超级电容< U超级电§max;
[0150] 其中，ΔΡ--井场变压器上下行程功率差，Pup-井场变压器上形程输出功率， Pdmm-井场变压器下形程输出功率，Pe-超级电容输出功率，P_-电动机上行程输出功率， PMd〇wn一电动机下行程输出功率，Ugui -母线电压，Igui -母线电流，η -电机转速，M-电 机转矩，G负载一负载重力，R-电机力臂，U超级电容一超级电容电压。
[0151] 采用原对偶非线性内点法进行求解，首先通过松弛变量将不等式约束转化为等式 约束，在目标函数中引入对数壁皇函数来处理松弛变量的非负性约束，然后形成拉格朗日 函数，推导拉格朗日函数的KKT条件（Karush Kuhn Tucker最优化条件），采用牛顿法迭代 求解得到最优解，找到该系统实时的最佳工作转速变压器容量，从而提高整个系统的工作 效率和经济性。以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡 是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于 本发明技术方案的范围内。
[0152] 阅读了本说明书后，本领域技术人员不难看出，本发明由现有技术的结合构成，这 些构成本发明的各部分的现有技术有些在此给予了详细描述，有些则出于说明书简明考虑 并未事无巨细地赘述，但本领域技术人员阅读了说明书后便知所云。而且本领域技术人员 也不难看出，为构成本发明而对这些现有技术的结合是饱含大量创造性劳动，是发明人多 年理论分析和大量实验的结晶。本领域技术人员同样可以从说明书中看出，这里所披露的 每个技术方案以及各个特征的任意组合都属于本发明的一部分。
【主权项】
1. 一种无变频器抽油机控制系统，其特征在于：包括变压器，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； 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； 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PWM整流器 后输出的功率和电流； 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； 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； PWM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， 控制器，其分别与PWM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，其用于控制PffM整流器对超级电容 充电或放电。2. 如权利要求1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。3. 如权利要求2所述的抽油机控制系统，其特征在于：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。4. 一种无变频器抽油机系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤A :抽油机处于下死点位置； 步骤B :控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态； 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； 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态。5. 如权利要求4所述的抽油机控制方法，其特征在于：在步骤A中，控制器控制PffM整 流器对超级电容充电。6. -种有变频器的抽油机控制系统，其特征在于：包括变压器，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； 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； 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PWM整流器 后输出的功率和电流； 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； 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； 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 成交流电输送给三绕组电机； 双向DC/DC变换器，其一方面与整流器和变频器连接，另一方面与超级电容连接，用于 控制超级电容的充放电； 超级电容，其与双向DC/DC变换器连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进 行供电； 控制器，其分别与双向DC/DC变换器、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，用于控制整流器对超级电容 充电或放电；用于控制双向DC/DC变换器对超级电容充电或放电。7. 如权利要求6所述的抽油机控制系统，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括 BOOST放电电路和BUCK充电电路。8. 如权利要求6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。9. 如权利要求6所述的抽油机控制系统，其特征在于：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。10. -种有变频器抽油机控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤A :抽油机处于下死点位置； 步骤B :控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态； 步骤C :控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态，电机处于额发电状态； 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态。
【专利摘要】本发明涉及抽油机的控制系统及其控制方法，在该抽油机的定子槽内镶嵌有一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组，三套绕组分别在电机的启动过程、上冲程过程和下冲程过程中应用，并利用本发明的控制系统及其控制方法针对不同的技术要求提出了采用无变频器和有变频器两种控制方法对电机进行控制，实现了良好的节能效果，并克服了现有技术中存在的变压器和电机的“大马拉小车”现象、最大限度的提高了电机的运转效率、减小了电机的损耗。利用超级电容进行储能，并从根本克服了机械平衡重存在的技术缺陷，具有控制精确、反应迅速、机械磨损小等特点。
【IPC分类】E21B43/00, H02J3/32, H02P25/18
【公开号】CN105119311
【申请号】CN201510460693
【发明人】梁志珊, 王景桐, 谭程
【申请人】中国石油大学(北京)
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月30日