专利名称：游梁式抽油机节能控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油开采机械领域，尤其涉及一种游梁式抽油机的节能控制装置。
背景技术：
游梁式抽油机是广泛应用于油田系统的开采机械，其结构简单、可靠性高；但是启动扭矩大、平衡效果差，在一个冲次内载荷变化较大，当抽吸工况变化时，载荷也随之变化，这就决定了在选取抽油机时，势必留有一定的功率容量。因而造成了效率低、功率因数低、电能附加损耗大。目前，我国抽油机电动机装机总容量约3500MW，每年耗电量逾百亿kW·h。抽油机的运行效率低，年节能潜力可达几十亿kW·h。
油田普遍采用的游梁式抽油机，多采用异步电动机驱动，异步电动机之所以广泛被采用，是由于它具有结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、维护方便和效率较高等一系列优点。和同容量的直流电动机相比，异步电动机的重量约为直流电动机的一半，其价格仅为直流电动机的1/3左右。且异步电动机的交流电源可直接取自电网，用电既方便又经济。
抽油机电动机的每个工作循环中包括三种不同的工况，即感应电动机重负载工况、异步发电机工况及电动机空载与轻载工况。后者的一个典型工作状态则是零输入状态。图1是其工作循环的一个典型曲线。这是采用6极异步电动机驱动时通过实际测试得到的转速随时间变化的曲线。其中转速超过1000r/min时为发电机工况，否则为电动机负载或空载工况。从图1可以看出，在一个循环中，包括了一个发电机工况、两个重载工况以及多个空载或轻载工况。图2是某油井原始状态时的实测功率曲线.也可以看出，一个工作循环中包括电动机重载工况2个(图中的1与2)，发电工况1个(图中的5)，还有轻载、空载工况(图中的3与4)。
油田供电大多采用35kV直配的供电方式，配电变压器和低压配电装置设在计量站，再由计量站经低压电缆辐射配电至抽油机电机。由变压器一般向7～8台游梁式抽油机供电，供电距离通常在百米至数百米之内，每台抽油机随机工作在循环工况中不同的瞬时工况，处于发电工况的抽油机发出的电能被临近处于电动机工况的抽油机所利用，每个计量站配电自成子系统，这部份能量一般在子系统内流动，不会传输给上一级电网，从而节约了电网系统的能量。抽油机发电属异步电机发电，是至今仍在小型水力、风力发电广泛采用的一种方式，这是由于它与同步发电机相比有如下优点不需直流激励，结构简单，坚固(自激异步发电机一般用鼠笼型转子)，运行可靠，易于维护修理，投入电网简单容易，且易于采用自动控制，造价较廉。
由于众所周知的电机可逆性原理一台电机既可作为电动机运行，也可作为发电机运行。游梁式抽油机电动机作为一个典型例子其在运行中，由于负荷周期性交变，每个冲次存在一个或两个发电工况(与电网同压、同频、同相序，存在一定的功率由电机流向电网-被网内其他用电设备-如临近的抽油机-所消耗)。特别应该指出的是抽油机电机在整个运行过程中，按电动机状态转子正确转向接线后，发电工况时接线方式无须作任何变动，电动和发电工况转换时亦无须进行任何操作。
在计量时，习惯上，以电动机工况消耗的有功功率为正值，而发电机工况发出的有功功率为负值(即电机向电网送电)。现场对抽油机电动机输入功率测试时，屡屡发现抽油机有功功率表出现周期性的反转现象，即说明产生了负功率。因此，解决负功率问题具有重要的节能意义。
油田一般位于电网末端，油区面积大，配电线路长，输电的线路损失不可忽视。又由于每一口油井的参数都不一样，在选配抽油机时，不可能做到刚好和抽油机的功率档次相匹配，一般留有一定的功率裕量；各型抽油机在配用电动机时，为了保证抽油机在各种工况下正常运行，也留有一定的功率余量；随着油井由浅入深的抽取，油井的产液量越来越少，抽油机的负荷也相应减小。由于上述原因，就造成了抽油机的实际负载率普遍偏低，大部分抽油机的负载率在20％～30％之间，形成“大马拉小车”的现象。而当电动机处于轻载运行时，其效率和功率因数都较低，油田配电系统的功率因数长期偏低，低压配电线路线损过大，配电变压器经低压电缆辐射配电至抽油机电机，宜采取电动机就地无功补偿方式。而现有的无功补偿装置由于大多采用了抽油机运转时变化很快的功率因数作信号，而装置又毫无例外的采用了延时投切的策略，故不能发挥应有的作用。
现有技术中已有一些方法用于解决上述问题，例如CN2702083Y中提到的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，还有CN1808887A中提到的游梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制装置，但是这些方案的具体实现都比较复杂，并且不能提高抽油机的综合节能。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种具有综合节能效果的游梁式抽油机节能设备，本发明中所说的抽油机电动机的综合节能包括电动机负载工况节能、空载或轻载工况节能、发电机工况节能，同时还包括配电线路节能。
(二)技术方案为实现上述目的，本发明采用如下技术方案本发明的游梁式抽油机电机节能控制装置，其中包括包括晶闸管投切电容器及其控制器，在电动机的出线端并联三角形补偿电路，在三角形的每条边上都有晶闸管、电抗器以及补偿电容器这三个部件，晶闸管由控制器检测电动机出线端电流状态控制其是否投切。
所述晶闸管投切电容器在电机进线处对电机无功电流Iq进行取样。
所述装置还包括补偿电容器，补偿电容器中的各个电容为△形连接。
所述装置还包括SCR开关，所述SCR开关在电容的△内。
所述装置还包括防止晶闸管误触发的保护电路。
所述装置采用专用氧化锌避雷针作过电压保护。
所述装置用于1.14kV系列游梁式抽油机。
所述电机是异步电机。
(三)有益效果采用本发明的节能装置，由于电流检测取于三角形补偿电路接入后所检测到的电动机引线分支电路的工作电流，故可以在电动机的出线端采用所述晶闸管投切电容器进行自动快速投切补偿，这样不但可以节省无功功率，显著减小线路电流及线路损耗，而且可以减小转子损耗及增加发电机工况(与电网同压、同频、同相序)所发出的有功功率，也即达到节省无功功率和节省有功功率双重的效果。
(1)电动机出线端(即电动机与的引线端)使用TSC，无功就地平衡，降低线损。
(2)线路压降减少，使电动机进口电位升高，使激磁电势增大。在一定负载转矩下，激磁电势增大使转差率变小，从而降低转子铜耗(大于铁耗增加)，带来节能效果。
(3)在发电工况时，激磁电势增大发出的有功功率增加。
采用本发明的装置，因为是在电动机与功率补偿电路并联时检测电动机一侧的电流Iq参量作为信号，在电动机的出线端通过晶闸管快速投切电容器TSC实施快速投切补偿，在电动机空载状态时，用电容代替电网供给电机无功功率，在发电状态时，增大无功励磁，增加发出的有功功率。具有合闸电流小、无电弧重燃、无需放电即可重投、自动跟踪无功功率变化、连续快速、频繁投切等优点，从而达到节省无功功率和有功功率的双重效果。
图1是抽油机电动机的典型转速-时间曲线；图2是某油井原始状态时的实测功率曲线；图3是本发明的游梁式抽油机节能控制装置的内部结构示意图；图4是本发明中的控制器的电路原理图；图5是本发明的节能控制装置的外观图；图6a是应用本发明前的某油井原始工况(单相)图；图6b是应用本发明后的某油井补偿后工况(与图6a同相)图；图7a是游梁式抽油机有发电状态时供电系统电流谐波测试图，A相，电流谐波总畸变率与电流；图7b是游梁式抽油机有发电状态时供电系统电流谐波测试图，B相，电流谐波总畸变率与电流；图7c游梁式抽油机有发电状态时供电系统电流谐波测试图，C相，电流谐波总畸变率与电流；图中1、2、电动机重载工况；3、4、轻载、空载工况；5、发电工况；6、控制器；7、SCR驱动器；8、均压电阻；9、可控硅；10、变压器；11、电流互感器A；12、箱体；13、断路器；14、电流互感器B；15、交流接触器；16、一次配电；17、电压互感器；18、快速熔断器；19、电容器，20、避雷器；21、三角形补偿单元；22、补偿电容器。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图3所示，图3是本发明的节能控制装置的内部结构示意图。依照本发明的节能控制装置包括晶闸管投切电容器及其控制器，在电动机的出线端并联三角形补偿电路，在三角形的每条边上都有晶闸管、电抗器以及补偿电容器这三个部件，晶闸管由控制器检测电动机出线端电流状态控制其是否投切。具体器件包括控制器6、SCR驱动器7、均压电阻8、可控硅9、变压器10、电流互感器A11、箱体12、断路器13、电流互感器B14、交流接触器15、一次配电16、电压互感器17、快速熔断器18、以及电容器19。
当断路器13接通后，控制器6、控制变压器10及相关指示灯上电，当接触器15接通后，电动机开始工作，另外一个接触器接通后，节能控制装置开始工作，根据电流互感器11检测到的电流，在控制器6的作用下，当需要补偿时，触发晶闸管导通，接通电容器，进行无功补偿，实施动态就地补偿，达到节能目的。
电压互感器17及电压表用来电压指示，避雷器用做过压保护。可控硅9、SCR驱动器7、以及均压电阻8组成动态就地补偿装置。电容器19提供空载状态三相补偿，全部电器元件安装于箱体12中。
如图4所示，还包括补偿电容器22，补偿电容器22中的各个电容电容为△形连接。当电动机的负载较小时，由于与已有部件并联连接的补偿电容器22的存在，电动机的无功实现了就地平衡，不需要馈电线路传输无功功率，可使线路损耗大大减少。在馈电线路较长的情况下，节能效果尤为显著。当电动机的负载较大或处于发电状态时，晶闸管快速投切电容器21在控制器6的控制下实施快速投切补偿，这种快速投切补偿之效果使电动机工况输入功率减少，而发电机工况发出的功率增大。
在电动机进线端，也即节能控制装置后，进行电机无功电流Iq的取样，经SCR过零触发电路，电容△形连接，SCR开关在△内，因此不产生谐波。其中，最小动态响应时间Tr不大于10ms，功率因数补偿值可接近于1.0。同时，还采取了一系列的保护措施，严格的均压、同步、及防止晶闸管误触发的措施、专用氧化锌避雷器作过电压保护、用断路器13、快速熔断器18作短路和过载保护。
本发明考虑了在电源电压一定的情况下，不同运行工况、不同负载下的激磁电势会有明显差别，而激化支路所需的无功又随激磁电势的增大而急剧增大，且每种工况周期很短，有的仅仅只有数秒钟，所以，为在不同运行工况、不同负载下有效适时补偿无功，采用了电容器动态快速补偿。
该装置采用了先进的电力电子控制技术，集电动机控制、电容器自动快速投切为一体，充分利用电机的可逆性原理，在电动机出线端通过晶闸管适时按需自动快速投切电容器组，在装置处于电动机状态时，用电容代替电网供给电机无功功率，显著减少电网线路电流及线路损耗；且由于激磁电势增大亦可以减少转子损耗；在发电状态时，适时增大无功励磁，增加发出的有功功率(与电网同压、同频、同相序，存在一定的功率由电机流向电网-被网内其他用电设备-如临近的抽油机-所消耗)。取得了节省无功功率和有功功率的双重效果，彻底解决了抽油机电动机存在的功率因数低、线路无功损耗大、电动机出力小等技术问题。
目前的抽油机电压等级有两种0.4kV系列和1.14kV系列。1.14kV系列国内尚无同类产品。本发明的节能控制装置是针对我国油田电网1.14kV系统游梁式抽油机而研制的一种节能控制装置。该装置填补了国内1.14kV抽油机就地自动补偿系统节能设备的空白。
图5是本发明的节能控制装置的外观图，为自然风冷型箱式结构设计，适宜抽油机旁户外安装。正面内外双门形式，内外门均可开启。背面可开门进行安装或维护。
本发明的节能控制装置的控制系统，技术先进，功能完备、可靠性强。该装置作为抽油机就地补偿设备、完善的电路设计，可靠的电气元件选择、保证了该装置长周期连续运行的可靠性。本装置具有节电性能显著、操作运行安全方便可靠、维护方便、结构紧凑、占地面积小、安装简单、适应于不同井深的抽油机，具有合闸电流小、无电弧重燃、无需放电既可重投、自动跟踪无功功率变化，连续快速、频繁投切、等技术特点。整机采用先进的集成电路，独特设计的驱动器，控制晶闸管投切电容器组。工作稳定、性能可靠、体积小、功耗低、抗干扰能力强。
图6a是应用本发明前的某油井原始工况(单相)图；图6b是应用本发明后的现场实测的该油井补偿后工况(与图6a同相)图；从图中可以明显看出节能效果显著。
同时，还对游梁式抽油机有发电状态时供电系统电流谐波进行了测试，测试结果见图7a-7c。图7a是A相，电流谐波总畸变率与电流；图7b是B相，电流谐波总畸变率与电流；图7c是C相，电流谐波总畸变率与电流。由此可见，当负功发生时，电机向电网子系统送电，不会引起电流谐波干扰。其结果大大优于国际及国家标准。
最后应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种游梁式抽油机电机节能控制装置，其特征在于包括晶闸管投切电容器及其控制器，在电动机的出线端并联三角形补偿电路，在三角形的每条边上都有晶闸管、电抗器以及补偿电容这三个部件，晶闸管由控制器检测电动机出线端电流状态控制其是否投切。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述晶闸管投切电容器在电机进线处对电机无功电流Iq进行取样。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置还包括并联连接的补偿电容器，补偿电容器中的各个电容为△形连接。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置还包括SCR开关，所述SCR开关在电容的△(21)内。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置还包括防止晶闸管误触发的保护电路。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置采用专用氧化锌避雷针作过电压保护。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置用于1.14kV系列游梁式抽油机。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电机是异步电机。
全文摘要
本发明涉及一种游梁式抽油机电机节能控制装置，所述装置包括晶闸管快速投切电容器TSC，在电动机的出线端采用所述TSC进行自动快速投切补偿。其中，以电机无功电流Iq作为信号通过可控硅自动快速投切补偿电容器。本发明应用于1.14kV系列的游梁式抽油机，能够显著减小线路电流及线路损耗，较小转子损耗及增加发电机工况发出的有功功率，达到节省无功功率和节省有功功率的双重效果。
文档编号H02P23/02GK101060251SQ20071009902
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月9日 优先权日2007年5月9日
发明者刘文军, 谢富春 申请人:北京天安顺达科技发展有限责任公司