专利名称：抽油机变频调速智能控制装置的制作方法
技术领域：
涉及领域本实用新型涉及油田专用的采油地面设备，特别是机械采油井的一种抽油机变频调速智能控制装置。
针对以上问题，中国专利98201005.2“能调节冲次的抽油机”提供了一种利用载荷及位移传感器与控制器配用动态调节抽油机冲次以提高效率的抽油机，因其采用了较多电子电力元器件，增加了设备制造及现场维护费用。又如中国专利00211530.1“一种智能抽油机”介绍了一种采用直接重力平衡方式利用计算机控制变频器带动调速电机运行的长冲程抽油机，虽提高了采油效率，但其采用的压力传感器及较多的计算机控制元器件却增加了该抽油机的制造及维护费用。又如中国专利96201939.9“游梁式抽油机智能控制装置”利用电流、电压传感器间接检测工况并通过可编程控制器(PLC)及变频器自动控制异步电机工作频率，也能节电及提高抽油系统效率，但同样存在成本与维护技术难度大等问题。由于抽油井井下实际工况千变万化，无法通过电流、电压、载荷传感器等元器件间接测得，甚至不同井工况差别更大，许多油井参数只能通过专用仪表现场测得，因此上述几种抽油机及装置通过间接手段实现的闭环自动控制无法在现场推广应用，而其高的制造成本及维护费用更不易为用户所接受。
本实用新型的目的用如下方法实现包括抽油机1、电动机2、开关3、变频器4、时间继电器5、电位器6、制动电阻7、断路器8、时钟控制器9、电铃10、传感器11、单片机12，抽油机1上安装3开关，并与变频器4控制端连接，制动电阻7与变频器4制动端连接，时间继电器5连在变频器4的控制端，电位器6与电铃10均连接变频器4的控制端，断路器8外接交流电与时钟控制器9输入端连接，时钟控制器9输出端连接变频器4电源端，变频器4输出端与电动机2连接；本实用新型还采用如下技术内容变频器4内置电抗器41，串联在变频器4电源端，内置制动斩波器42，连在变频器4直流端子上。
流量传感器11安装在单井出油管上，其信号输出端与单片机12相连，单片机12输出端连接变频器4控制端，单片机12内预设多个抽油机冲次和上、下冲程速度比。
变频器4预留外部通讯模块4.3接口。
变频器可设置两套加/减速时间，一套控制电动机软启动减少电流冲击，另一套使变频器利用接近开关检测的抽油机上、下冲程死点位置信号快速变频改变抽油机上、下冲程速度比以提高泵效；变频器还对电动机的运行频率、转速、电流、功率、扭矩等参数具有动态检测并在控制面板显示的功能，同时对电动机实现欠过压、过流及过载保护及故障自恢复功能，减少电机故障率；变频器还可利用对转矩的检测功能对电动机实现闭环控制实现抽油机节电的目的；电位器可以随时在一定范围内任意调节电动机频率进而设定抽油机上、下冲程的不同运行速度；由时间继电器实现两套加/减速时间的切换；制动电阻自动泄放电动机反发电产生的负功率；装置来电自启动前及电动机故障后起由电铃起报警作用；断路器外接380V交流电经时钟控制器输入为整套装置供电；时钟控制器控制间隙抽油井自动开、断电源。
加装流量传感器和单片机实现闭环自动控制其性能更为完善，优点更突出，安装在单井出油管上的流量传感器其信号输出端与单片机输入端相连，单片机输出端连接变频器控制端，单片机预设多个抽油机冲次和上、下冲程速度比，直接根据所检测的流量传感器的信号自动计算运行冲次下的泵效和吨油耗电并进行比较，自动控制抽油机在最佳冲次下工作，动态调节抽油机的工作制度，使井中的动液面保持在设定深度附近，保证抽油机时刻处在最佳工作状态，提高机采系统效率更高，节电更显著。
本实用新型的优点该装置可以根据油井产液量变化情况自动调节抽油机冲次及上下冲程速度比，减少泵阀漏失提高泵效，保证抽油机的抽汲能力不断与变化的井底流入条件相匹配，实现抽油机节能及提高机采系统效率的目的；由于没有使用电流、电压及载荷等传感器，而仅采用了少量开关顺序电路，装置的故障率减少50％以上，同时大大减少了维护费用；由于可以降低电机及变压器等设备的装机容量减少初期投资，同时除变频器外其他控制元器件均为国产，智能控制装置改造的成本也大大降低，全套设备投资基本与原投资相当，而性价比很高。
具体实施如
图1所示，本实用新型是用油田常用的游梁式抽油机1、普通三相异步电动机2、电感式接近开关3、智能化变频调速器4、时间继电器5、电位器6、制动电阻7、断路器8、时钟控制器9、电铃10等组成。其工作过程以自动控制档为例进行说明首先合上断路器8，时钟控制器9接通(非间歇抽油情况下)，装置来电自启动，电铃10报警，时间继电器5开始工作，变频器4按第一套加/减速时间软启动，若干秒后时间继电器5切换，变频器4采用第二套加/减速时间实现上、下冲程的快速频率切换，根据接近开关3检测的抽油机1上、下冲程死点位置信号控制电动机2带动抽油机1在不同的工作制度下运行，上、下冲程的运行频率随时可通过装置控制面板上的电位器6任意调节，制动电阻7随时泄放电动机2反发电产生的负功率，电动机2任何故障均有电铃10报警功能，对电动机2欠过压、过流等故障变频器4具有故障自恢复功能，预设时间间隔内自动恢复运行，连续多次故障电铃10才持续报警等待修复。安装有流量传感器11的油井在工作一定时间后流量传感器11自动采集油井产液量信号并反馈给单片机12，单片机12根据所工作的冲次自动计算抽油机1的泵效及吨油耗电，如此连续计算不同冲次下的泵效优选其中最大值后控制抽油机1在此时的工作制度下工作，间隔较长时间后再重复优选抽汲参数，一直保持单井较高的泵效及较低的吨油耗电，保证抽油机1抽汲能力不断与变化的井底流入条件相匹配，提高机采系统效率。若为间歇抽油井时钟控制器10暂不通电待时间到达后自动通电重复以上操作。
变频器4对电动机2运行参数具有动态检测功能，而由于抽油机1的工作特点，电动机2转矩的波动范围很大，可以通过变频器4对电动机2实际扭矩的实时检测功能，利用“转矩跟随”功能动态调节电动机2转速(频率)，在电动机2扭矩较小时加速运转，而在扭矩较大时低速运行(慢爬坡)，减少电动机2扭矩及输入功率的波动范围，减少热损耗，实现抽油机1节电的目的；同时由于可以控制抽油机1在上、下冲程死点位置换向时使电动机2低速运行，也减少了对抽油杆突然拉压产生的惯性载荷，减少了冲程损失，增大了抽油泵柱塞行程，实现提高抽油机1泵效和提高单井系统效率的目的。由于抽油机1自身的地面功率损耗要比井下功率损耗多，而电动机2的扭矩波动范围又大，一部分时间电动机2为空载或负发电运行，根据变频器4对电动机2运行参数的动态检测及闭环控制，可以利用变频器4的“运转启动”功能，当变频器4自动检测电动机2扭矩较小时变频器4自行给电动机2断电，仅靠电动机2的惯性作用运行数秒后再由变频器4给正在惯性运转的电动机2供电，靠变频器4先对电动机2施加一个较小的转矩并搜寻电动机2运行速度的频率，然后再加速到设定的输出频率(仍为软启动对电机无冲击)，达到减少电动机2带电实际运行时间的目的，可以起到明显的节电效果。
对于采用闭环自动控制的采油井，安装在单井出油管上的流量传感器11其信号输出端与单片机12输入端相连，单片机12输出端连接变频器4控制端，单片机12预设多个抽油机1冲次和上、下冲程速度比，直接根据所检测的流量传感器11的信号自动计算运行冲次下的泵效和吨油耗电并进行比较，自动控制抽油机1在对应泵效最高或吨油耗电最低的冲次下工作，动态自行调节抽油机1的工作制度，使井中的动液面保持在设定深度附近，保证抽油机1时刻处在最佳工作状态，提高机采系统效率更高，节电更显著。
在变频器4内预置与电源端串联的交流电抗器4.1可有效防止电网电压波动对变频器4的影响，保证变频器4的使用寿命，由于变频器4不能接受负电流，内置与变频器4直流端子连接的制动斩波器4.2外接制动电阻7，制动电阻7可实时泄放电动机2反发电产生的负功率保证变频器4的正常使用，变频器4内预留外部通讯模块4.3遵循modbus通讯协议可随时与终端机连接实现无线数据传输，对单井或区块井进行遥测、遥控。
本实用新型的抽油机1除了游梁式抽油机外还可用于无游梁式抽油机(链条机、直线往复式抽油机等)，电动机2还可采用双功率电动机、超高转差电动机等节能电动机，安装于抽油机1上的接近开关3还可采用红外线光电开关、霍尔开关等其他位置传感器，变频器4上预留的外部通讯模块4.3接口还可遵循Interbus、Profibus等远程通讯协议，根据油井产液量信号自动计算泵效和吨油耗电的单片机12也可采用可编程控制器PLC或其他高级算法设备。
权利要求1.一种抽油机变频调速智能控制装置，包括抽油机(1)、电动机(2)、开关(3)、变频器(4)、时间继电器(5)、电位器(6)、制动电阻(7)、断路器(8)、时钟控制器(9)、电铃(10)、传感器(11)、单片机(12)，其特征在于抽油机(1)上安装开关(3)，并与变频器(4)控制端连接，制动电阻(7)与变频器(4)制动端连接，时间继电器(5)连在变频器(4)的控制端，电位器(6)与电铃(10)均连接变频器(4)的控制端，断路器(8)外接交流电与时钟控制器(9)输入端连接，时钟控制器(9)输出端连接变频器(4)电源端，变频器(4)输出端与电动机(2)连接；
2.根据权利要求1所述的一种抽油机变频调速智能控制装置，其特征在于变频器(4)内置电抗器(41)，串联在变频器(4)电源端，内置制动斩波器(42)，连在变频器(4)直流端子上。
3.根据权利要求1所述的一种抽油机变频调速智能控制装置，其特征在于流量传感器(11)安装在单井出油管上，其信号输出端与单片机(12)相连，单片机(12)输出端连接变频器(4)控制端，单片机(12)内预设多个抽油机冲次和上、下冲程速度比。
4.根据权利要求1所述的一种抽油机变频调速智能控制装置，其特征在于变频器(4)预留外部通讯模块(43)接口。
专利摘要一种抽油机变频调速智能控制装置，主要由变频器、电位器及其他开关等组成，抽油机1与变频器4控制端连接，制动电阻7与变频器4制动端连接，时间继电器5连在变频器4的控制端，电位器6与电铃10均连接变频器4的控制端，时钟控制器9输出端连接变频器4电源端，变频器4输出端与电动机2连接，可以根据油井产液量变化自行调节抽油机冲次及上、下冲程速度比，提高泵效及降低吨油耗电，使抽油机的抽汲能力不断与变化的井底流入条件相匹配，达到提高机采系统效率和节能的目的，该装置可以降低电动机及变压器等设备装机容量，采用少量的开关顺序电路不仅减少了装置故障率，同时也降低了成本及维护费用，结构简单合理，性价比很高。
文档编号E21B43/12GK2568810SQ0224353
公开日2003年8月27日 申请日期2002年7月26日 优先权日2002年7月26日
发明者姜建胜, 刘先刚, 刘甦, 丁建林, 顾文滨, 韩永胜 申请人:中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司石油工程技术研究院