专利名称：一种高效节能的抽油机控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于油田抽油机电气传动及控制设备，特别是涉及一 种高效节能的抽油机控制装置。
背景技术：
目前，在石油开采过程中，抽油机的动力主要是交流异步电动机， 电机工作效率低，在控制方法上，没有采用机井出油流量一冲次闭环 控制，电机的工作状况与机井流量无关，长期全速运行能量损耗大， 直接影响经济效益和设备寿命。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高效节能的抽油机控制装置，该装 置可以使控制对象一开关磁阻电机的工况随抽油机流量的变化而变 化，及时调节转速，改变抽油机的冲次，实现抽油机高效、节能的目的。
实现本实用新型目的采用的技术方案是 高效节能的抽油机控制装置包括
一MCU控制器，用以存储抽油机转矩曲线数据和相关计算，采集 流量和转速信息，产生开通角&和关断角《,,的逻辑信号；
一与MCU控制器电连接的开通角《"调制器和关断角《,,调制器， 其中开通角《, 调制器用以根据电动机转子位置和MCU控制器的控制 命令产生功率器件的P丽脉冲的前沿，关断角《,,调制器用以根据转 子位置和MCU控制器的控制命令产生功率器件的P丽脉冲后沿；
一与开通角《 ,调制器和关断角《,,调制器电连接的逻辑变换电 路，用以将开通角l和关断角6V的逻辑信号进行变换，产生功率器 件驱动输入信号；
一与逻辑变换电路电连接的驱动器，用以将从开通角《 调制器 和关断角^,调制器输入的P丽脉冲形成满足功率器件驱动要求的脉 冲；
一与驱动器电连接的功率变换电路，用以将驱动器的脉冲进行功
率放大，以便驱动开关磁阻电机；
一与功率变换电路电连接的开关磁阻电机，用以将电能转换为机 械能；
一抽油机在开关磁阻电机拖动下抽取井下石油；
旋转编码器其输入端与开关磁阻电机电连接，输出端与开通角 《 调制器和关断角《,,调制器电连接，用以产生位置脉冲，此脉冲作 为&调制器2和《,,调制器3的同步脉冲；
一流量检测器，安装在抽油机进油管上并与MCU控制器电连接， 用以检测抽油机井石油流量。
本实用新型还可以在上述技术方案的基础上，在旋转编码器的输
出端和MCU控制器之间电连接倍频电路，用以将旋转编码器位置脉冲
倍频后的脉冲作为装置的速度信息。
本实用新型的优点和积极效果在实际应用中充分体现在
1. 将抽油机流量、开关磁阻电机及控制装置视为一个完整系统， 进行整体设计，参数调整，实现基于流量——冲次的闭环控制，达到 系统工况随机井流量变化而变化，提高抽油机工作效率，节约电能。
2. 开关磁阻电机在全速下，始终保持最优开通角^和关断角^ ，
获取最大平均转矩，提高开关磁阻电机的带负载能力，充分利用输入 电能。
3. 在MCU控制器中预先存储抽油机的转矩与曲轴位置对应的转 矩常数，查表获取抽油机曲轴在不同位置的转矩，由此转矩转换为《,, 的初始值，实现转矩优化控制。
4. 该控制装置通过开关磁阻电机的转子信号组成速度负反馈控 制，经倍频后还可以进一步提高速度检测的准确性和精确性，进一步 提高传动系统的机械特性，有益于提高系统效率。
以下结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。
图1是本实用新型的原理框图。
图2是本实用新型中《,，调制器的原理电路图。
图3是本实用新型中《,,调制器的原理电路图。
图4是本实用新型的逻辑变换电路图。
图5是本实用新型中开关磁阻电机的功率变换电路图。
图6是本实用新型的倍频电路图。
图7是本实用新型低速运行时的功率器件(如IGBT)驱动脉冲
波形图。
图8是本实用新型高速运行时的功率器件(如IGBT)驱动脉冲
波形图。
具体实施方式
本实用新型装置是基于流量——冲次闭环抽油机SR电动机控制
系统。它的实现方法很多，模拟的和数字的都能实现，现针对四相
8/6极的SR电动机为控制对象，用一个数模结合的实施例来说明。如图1所示，本装置包括MCU控制器1、开通角&调制器2和 关断角&,调制器3、逻辑变换电路4、驱动器5、功率变换电路6、 开关磁阻电机7、抽油机8、旋转编码器9、流量检测器10和倍频电 路U。
MCU控制器1用以存储抽油机转矩曲线数据和相关计算，MCU 选用C8051F系列单片机的C8051F120，它是一个模拟数字混合的微 型控制器，CIP—51内核，两个周期的16X16的MAC， PLL时钟，频 率可用到100MHz; 6路捕获/P丽输出，带软件定时器功能。因此， 选用该MCU可以很好的完成位置转速检测和A、 B、 C、 D四相移相脉 冲的控制。在该系统中，它的主要功能是根据转子位置信号和流量信 号，计算电机的转速，进而确定开通和关断角度《"、&,。 C805F120 的控制输出由P0. O(Ul) 口和P0. 3(U2) 口输出给两个调制器。
开通角《,"调制器2和关断角&,调制器3与MCU控制器1电连 接，其中开通角&,调制器2用以根据电动机转子位置和MCU控制器 的控制命令产生IGBT的P丽脉冲的前沿，关断角《,,调制器3用以根 据转子位置和MCU控制器1的控制命令产生IGBT的P丽脉冲后沿， 开通角l调制器2、关断角^调制器3的电路如附图2， 3所示，电 路主要由三极管放大组成，脉冲通过对电容的充放电，简单的实现了 角度的移相，其输出的脉冲相位由C8051F120控制。图2中，T1为输 入脉冲，Pl为输出脉冲，Ul (P0. 0)控制电容充放电时间来控制角度的 移相，在控制装置中，该部分快速调节，所以选用了性能较好5401和 5551三极管，同时，为提高调速范围，串联一个4007 二极管,选用低的 开通电压。图3中，T2为输入脉冲，P2为输出脉冲，U2(P0.3)控制电 容充放电时间来控制角度的移相，在控制装置中，该部分不需要快速 调节，所以选用了性能一般9012和9013三极管。同时，为控制过程 中调节不大，串联两个4007 二极管，提高关断的可靠性.该部分的功 能是实现角度的移相，其输出的脉冲相位由C8051F120控制。
5 逻辑变换电路4与开通角l调制器2和关断角《,,调制器3电连 接，用以将开通角《 和关断角《,,的逻辑信号进行变换，产生功率器
件驱动输入信号。逻辑变换电路4如图4所示，采用GAL16V8芯片， 输入信号为P1、 P2接2、 3脚，输出信号为IU-K4.接11-14脚。
驱动器5与逻辑变换电路4电连接，选用驱动芯片EXB841,用以 将从开通角《",调制器2和关断角《 调制器3输入且经过逻辑变换输 出的PWM脉冲信号Kl-K4驱动放大形成满足功率器件驱动要求的脉 冲，脉冲的输入接EXB841芯片的14肚卩，EXB841芯片的第3脚是放 大后脉冲的输出，直接控制功率器件IGBT。
开关磁阻电机的功率变换电路6与驱动器5电连接，用以将驱动 器5的脉冲进行功率放大，以便驱动开关磁阻电机7， Kl， K2, K3， K4 四路脉冲经驱动后控制功率主电路的TA， TB，TC，TD四相，功率变换 主电路如图5所示。此开关磁阻电动机7以四相8/6极为例，带动抽 油机井。
开关磁阻电机7与功率变换电路6电连接，用以将电能转换为机械能。
抽油机8在开关磁阻电机7拖动下抽取井下石油。
旋转编码器9，选用E6A2，其输入端与开关磁阻电机7电连接， 输出端与开通角化,调制器2和关断角调制器3电连接，用以产生 位置脉冲，此脉冲作为《,，调制器2和《,,调制器3的同步脉冲。
流量检测器10，安装在抽油机8进油管上并与MCU控制器1电 连接，用以检测抽油机井石油流量。
倍频电路11电连接在旋转编码器9的输出端和MCU控制器1之 间，如图6所示，倍频电路11选用4040和4046芯片，输入信号V01 接4046的14脚，输出信号为T0接4046的4脚。倍频电路11对于 本装置不是必须的电路，增加该电路可提高本装置的性能。
本装置的具体工作情况如下
根据图1， MCU控制器1初始化时，存入抽油机转矩常数。此 转矩常数作为控制系统的初始转矩设定，MCU控制器1首先执行一 段开关磁阻电机7的起动程序，系统起动完毕后自动进入流量——冲 次闭环控制。
在运行过程中，旋转编码器9产生两相互差75。方波位置脉冲， 此脉冲作为《。调制器2和《#调制器3的同步脉冲，旋转编码器9其 中一路位置脉冲经1024倍倍频后的脉冲作为系统的速度信息。
l调制器2在MCU控制器1和旋转编码器9的控制下，产生 与机井流量相匹配的IGBT开通角化,，《,,调制器3同样受MCU控制 器1和旋转编码器9的控制产生与机井流量相匹配的IGBT关断角《,,， 但^的变化率是^的二分之一。在^和6^,的作用下，调节开关磁阻 电机7的转速，达到抽油机最合理的冲次。开通角《 和关断角《,,,的 调节规律是抽油机8流量大，《, 减少，开关磁阻电机7提前供电， 电机转矩增加，电机转速提高，抽油机8的冲次增加；反之则《, 增 加，开关磁阻电机7延迟供电，电机转矩下降，转速下降，抽油机8 冲次减少。图7和图8是开关磁阻电动机7低速和高速运行时的工GBT 栅极对应曲线。
MCU控制器1是本实用新型装置核心控制单元，它采集流量检 测器10和倍频电路11的信息，在不同工况下，査抽油机8的转矩常 数，经MCU控制器1内部的PI运算，在PI运算过程中流量检测器 10的信息作为负反馈，参与PI运算的流量反馈值".=(1-实际流量值)， MCU控制器1将PI运算值送到《 调制器2和《,,调制器3的输入端， 经《, 调制器2和《,,,调制器3调制后，输出IGBT栅极P丽脉冲，实现 流量——冲次控制。
权利要求1.一种高效节能的抽油机控制装置，其特征在于包括一MCU控制器，用以存储抽油机转矩曲线数据和相关计算，采集流量和转速信息，产生开通角θon和关断角θoff的逻辑信号；一与MCU控制器电连接的开通角θon调制器和关断角θoff调制器，其中开通角θon调制器用以根据电动机转子位置和MCU控制器的控制命令产生功率器件的PWM脉冲的前沿，关断角θoff调制器用以根据转子位置和MCU控制器的控制命令产生功率器件的PWM脉冲后沿；一与开通角θon调制器和关断角θoff调制器电连接的逻辑变换电路，用以将开通角θon和关断角θoff的逻辑信号进行变换，产生功率器件驱动输入信号；一与逻辑变换电路电连接的驱动器，用以将从开通角θon调制器和关断角θoff调制器输入的PWM脉冲形成满足功率器件驱动要求的脉冲；一与驱动器电连接的功率变换电路，用以将驱动器的脉冲进行功率放大，以便驱动开关磁阻电机；一与功率变换电路电连接的开关磁阻电机，用以将电能转换为机械能；一抽油机在开关磁阻电机拖动下抽取井下石油；旋转编码器其输入端与开关磁阻电机电连接，输出端与开通角θon调制器和关断角θoff调制器电连接，用以产生位置脉冲，此脉冲作为θon调制器2和θoff调制器3的同步脉冲；一流量检测器，安装在抽油机进油管上并与MCU控制器电连接，用以检测抽油机井石油流量。
2. 根据权利要求1所述高效节能的抽油机控制装置，其特征在 于在所述旋转编码器的输出端和MCU控制器之间电连接倍频电路，用 以将旋转编码器位置脉冲倍频后的脉冲作为装置的速度信息。
专利摘要本实用新型公开了一种高效节能的抽油机控制装置，包括MCU控制器、开通角θ<sub>on</sub>调制器和关断角θ<sub>off</sub>调制器、逻辑变换电路、驱动器、功率变换电路、开关磁阻电机、抽油机、旋转编码器、流量检测器。该装置将抽油机流量、开关磁阻电机及控制装置视为一个完整系统，进行整体设计，参数调整，可以使控制对象——开关磁阻电机的工况随抽油机流量的变化而变化，及时调节转速，改变抽油机的冲次，实现基于流量——冲次的闭环控制，提高抽油机工作效率，节约电能。
文档编号G05B19/04GK201188183SQ20072006425
公开日2009年1月28日 申请日期2007年8月23日 优先权日2007年8月23日
发明者郭彦蕊, 学 陈 申请人:黄运生