专利名称：螺杆泵自控补偿一体机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及油田采油设备的电力控制系统，特别涉及螺杆泵采油装 置的电力控制系统。
背景技术：
螺杆泵采油装置是油田的一种较新的采油装置，在建设成本和运行效率 方面较游梁^抽油机更具有优势，螺杆泵采油逐步取代传统抽油机采油，成 为油田主要采油方式。
螺杆泵电机的自然功率因数平均值在0.42-0.45之间,与国家要求0.9以上 有极大差距。油田上的螺杆泵基本由控制箱直接控制，难以满足国家对电能 使用的要求，造成能源的极大浪费。还有一种螺杆泵的控制方式是在控制箱 中加变频器，由人工调节变频器参数，进行螺杆泵的补偿。这种方式补偿效 果比较明显，但在补偿的同时，变频器产生极不稳定的高次谐波，对电网中 的系统设备影响大，造成系统设备的使用寿命下降，人工调节也耗费一定的 人力和物力。
归纳起来，油田现有的螺杆泵控制设备存在以下问题
一、 不带变频器的控制箱，螺杆泵电机的自然功率因数低，电能浪费大； 带变频器的控制箱，会造成系统谐波污染。
二、 有集中补偿设备的线路，功率因数补偿单元只有粗调输出模式；容 易出现欠补偿和过补偿情形，欠补偿时，网络因传输容性无功功率，造成线 路损耗，白白耗费了电容的设备投资。若补偿电容过大，有可能发生铁磁谐 振过电压，烧毁电容和变压器。过补偿时，功率因数角超前，但电容与电源仍 有无功功率交换，同样减少电源有功功率输出。
三、 功率因数补偿单元没有设置过载保护电路，因而当过压和过流时， 会影响电容投切和螺杆泵电机的运行。
四、 控制箱中没有设置延时自启动电路，当电网停电后又恢复供电时， 螺杆泵电机同时启动，可能会对电网造成冲击。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种螺杆泵自控补偿一体机， 将螺杆泵电机的自动控制单元、功率因数补偿单元、过载保护单元、延时自 启单元集合在一个控制箱中，抗干扰能力强，运行安全可靠，补偿控制响应及时迅速，先利用粗调补偿单元整体控制功率因数，再利用微调补偿单元进 一步精确提高功率因数，不会出现欠补偿和过补偿情形，补偿效果好，因而 能最大限度的降低能耗，节约采油成本，并可杜绝螺杆泵电机与电网同时启 动危害电网的现象出现。为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种螺杆泵自控补偿一体机，包括投切控制器、功率因数粗调单元，功 率因数微调单元，投切控制器、功率因数粗调单元、功率因数微调单元都设 置在一个控制箱中，功率因数粗调单元有多组，其特征是每组功率因数粗调单元由一号三相电容器和切换开关构成，切换开关由 交流接触器的三对主触点和三个晶闸管构成， 一号三相电容器三个输出端分 别经过一号三相支线与油田电网的三相干线联接；所述三对主触点分别串接 在三相支线上，所述三个晶闸管分别与三对常开触点并联；功率因数微调单元由三号三相电容器和三相电感器构成，三号三相电容 器的三个输出端分别经过三号三相支线与油田电网的三相干线联接；三相电感器分别串接在三号三相支线上，三相电感器的三个滑动触头经过传动机构与步进电机连接；投切控制器由三个交流互感器、模/数转换器、微处理器组成，三个交流 互感器分别与模/数转换器的三个模拟输入端口连接，微处理器的第一组数字 输出端口所述交流接触器的线圈连接，微处理器的第二组数字输出端口与中 间继电器的线圈连接，中间继电器的常开触点串接与所述步进电机的正、反 转控制回路连接；微处理器的第三组数字输出端口与所述步进电机的脉冲输 入端连接，微处理器的第四组数字输出端口与晶闸管触发电路连接。所述一号三相电容器由第一、第二、第三电容组成，第一、第二、第三 电容按三角形连接，该三角形的三个顶点构成一号三相电容器的三个输出端。 所述三号三相电容器由第七、第八、第九电容构成，第七、第八、第九 电容按三角形连接，该三角形的三个顶点构成三号三相电容器的三个输出端。 所述功率因数粗调单元与油田电网三相干线之间设置有过载保护单元。 所述功率因数微调单元与油田电网三相干线之间设置有过载保护单元。 所述油田电网三相干线与螺杆泵电机之间设置有过载保护单元。 所述过载保护单元由三个交流互感器、模/数转换器、微处理器组成，三 个交流互感器分别与模/数转换器的三组模拟输入端口连接，模/数转换器的三 个数字输出端口分别与微处理器的三个数字输入端口连接，微处理器的三个 数字输出端口分别与三个中间继电器的线圈连接，该三个中间继电器的常闭触点分别串接在三相支线上。所述控制箱中设置有延时自启单元，延时自启单元由主控回路和辅助回 路组成，主控回路由交流接触器的线圈、时间继电器的动合触点串联构成， 主控回路的两端分别与一相干线和中性线连接，辅助回路由自动空气开关、 时间继电器的线圈、交流接触器的常闭触点串联组成，辅助回路的两端分别 与另外两相干线连接，交流接触器的三对主触点分别串接在螺杆泵电机的三相电源线上。
本实用新型有以下积极有益效果
1. 简约紧凑改变以往电机和补偿装置传统分开的模式，将投切控制器、 功率因数粗调单元、功率因数微调单元在同一控制箱内前后独立安装，减少 占地面积和安装工序。
2. 节能补偿功能系统率因数低于0.92时，采用粗调模式投切，系统 功率因数大于0.92时，采用精调模式，调节电感触头，平滑增大电容量，即 柔性跟随补偿。
3. 电子式保护特点设置有过载保护单元，分别对功率因数粗调单元、 微调单元以及螺杆泵电机进行保护，具有过流、过压、欠流、欠压保护功能。
4. 随机延时自启动功能电网恢复供电后，螺杆泵驱动电机延时启动， 减少同时启动对电网的冲击。
图1是本实用新型的原理框图。
图2是图1中功率因数粗调单元和微调单元的电路原理图。
图3是图1中投切控制器的电路原理图。 图4是图1中过载保护单元的电路原理图。 图5是图1中延时自启单元的电路原理图。 图6是步进电机与传动机构的连接示意图。
具体实施方式
请参照图l、图2、图3、图4，本实用新型是一种螺杆泵自控补偿一体 机，包括投切控制器、功率因数粗调单元，功率因数微调单元，投切控制器、 功率因数粗调单元、功率因数微调单元都设置在一个控制箱中，功率因数粗 调单元有多组，
第一组功率因数粗调单元由一号三相电容器和切换开关构成，切换开关 由交流接触器KM1的三对主触点KM1A、 KM1B、 KM1C和三个晶闸管Tl、 T2、 T3构成， 一号三相电容器三个输出端分别经过三相支线与油田电网的三 相干线A、 B、 C联接；三对常开触点KM1A、 KM1B、 KM1C分别串接在三 相支线上，晶闸管Tl、 T2、 T3分别与三对主触点KM1A、 KM1B、 KM1C 并联。
一号三相电容器由第一、第二、第三电容C1、 C2、 C3构成，该第一、 第二、第三电容C1、 C2、 C3按三角形连接，该三角形的三个顶点构成一号 三相电容器的三个输出端；第一、第二、第三电容C1、 C2、 C3的容量相同。 其余各组功率因数粗调单元的结构与第一组功率因数粗调单元的结构相同， 但是各组功率因数粗调单元电容器的容量按二进制的指数递增。现以两组功率因数粗调单元为例说明其电路原理。第二组功率因数粗调单元由二号三相电容器和切换开关构成，切换开关由交流接触器KM2的三对主触点KM2A、 KM2B、 KM2C和三个晶闸管T4、 T5、 T6构成，二号三相电容器三个输出端分别经过二号三相支线与油田电网 的三相干线A、 B、 C联接；三对常开触点KM2A、 KM2B、 KM2C分别串接 在二号三相支线上，晶闸管T4、 T5、 T6分别与三对主触点KM2A、 KM2B、 KM2C并联；二号三相电容器由第四、第五、第六电容C4、 C5、 C6构成，第四、第 五、第六电容C4、 C5、 C6按三角形连接，三角形的三个顶点构成二号三相 电容器的三个输出端；第四、第五、第六电容C4、 C5、 C6的容量相同。第 一电容C1和第四电容C4的容量比值为1: 2。功率因数微调单元由三号三相电容器和三相电感器Ll、 L2、 L3构成， 三号三相电容器的三个输出端分别经过三相支线与油田电网的三相干线A、 B、 C联接；三相电感器L1、 L2、 L3分别串接在三相支线上。三号三相电容器由第七、第八、第九电容C7、 C8、 C9构成，第七、第 八、第九电容C7、 C8、 C9按三角形连接，该三角形的三个顶点构成三号三 相电容器的三个输出端；请参照图6，三相电感器L1、 L2、 L3的三个滑动触头1、 2、 3都与一滑 动臂4连接，滑动臂4与传动机构连接，传动机构由螺杆5和螺母6组成， 螺杆5与步进电机M的主轴连接。滑动臂4设置在支架7上，滑动臂4可沿 支架7上、下移动。三个电感L1、 L2、 L3分别通过导线与三号三相电容器8 的三个输出端连接。当步进电机M启动后，螺杆5绕自身的轴线旋转，螺母 6沿螺杆5向上或向下移动，带动三个滑动触头1、 2、 3上、下移动，改变 接入系统的电感量，实现功率因数微调。请参照图3，投切控制器由交流互感器CT1、 CT2、 CT3、模/数转换器 Ul、微处理器U2组成，模/数转换器Ul的型号可以是OP491，微处理器U2 的型号可以是C8052F022。交流互感器CT1与模/数转换器Ul的第一模拟输入端口+INA、 -INA连 接。交流互感器CT2与模/数转换器Ul的第二模拟输入端口+INB、 -INB连 接。交流互感器CT3与模/数转换器Ul的第三模拟输入端口+INC、 -INC连 接。模/数转换器Ul的第一数字输出端口 OUTA与微处理器U2的数字输入 端口 AINO.O连接。模/数转换器Ul的第二数字输出端口 OUTB与微处理器U2的数字输入 端口 AIN0.1连接。模/数转换器Ul的第三数字输出端口 OUTC与微处理器U2的数字输入 端口 AIN0.2连接。微处理器U2的第一组数字输出端口 AIN0.3、 AIN0.4 、 AIN0.5与交流 接触器KM1、 KM2、 KM的线圈连接。微处理器U2的第二组数字输出端口 AIN0.6、 AIN0.7分别与中间继电器 J4、 J5的线圈连接，中间继电器J4的常开触点J4—1、 J4一2串接在步进电机 M的正转控制回路上。
中间继电器J5的常开触点J5 — l、 J5—2串接在步进电机M的反转控制 回路上。
当中间继电器J4的线圈得电后，常开触点J4一1、 J4一2闭合，步进电机 M正转。
当中间继电器J5的线圈得电后，常开触点J5 — 1、 J5 — 2闭合，步进电机 M反转。
微处理器U2的第三组数字输出端口 AIN1.0与步进电机M的脉冲输入端 连接；
微处理器U2的第四组数字输出端口 AINU、 AIN1.2 、 AIN1.3分别与 晶闸管T1、 T2、 T3的触发电路连接。晶闸管T1、 T2、 T3的触发电路分别由 三极管Q1、 Q2、 Q3组成。
微处理器U2的第五组数字输出端口 AIN1.4、 AIN1.5 、 AIN1.6分别与 晶闸管T4、 T5、 T6的触发电路连接。晶闸管T4、 T5、 T6的触发电路分别由 三极管Q4、 Q5、 Q6组成。
请参照图3，功率因数粗调单元与电网干线之间设置有过载保护单元。 功率因数微调单元与电网干线之间设置有过载保护单元。电网的三相干线与 螺杆泵电机M之间设置有过载保护单元。
各个过载保护单元的结构相同，过载保护单元由交流互感器CT4、 CT5、 CT6、模/数转换器U3、微处理器U4组成。模/数转换器U3的型号可以是 OP491，微处理器U4的型号可以是C8052F022。
交流互感器CT4与模/数转换器U3的第一模拟输入端口+INA、 -INA连 接。交流互感器CT5与模/数转换器U3的第二模拟输入端口+INB、 -INB连 接。交流互感器CT6与模/数转换器U3的第三模拟输入端口+INC、 -INC连 接。
模/数转换器U3的第一数字输出端口 OUTA与微处理器U4的数字输入
端口 AINO.O连接。
模/数转换器U3的第二数字输出端口 OUTB与微处理器U4的数字输入
端口 AIN0.1连接。
模/数转换器U3的第三数字输出端口 OUTC与微处理器U4的数字输入
端口 AIN0.2连接。
微处理器U4的数字输出端口 AIN0.3与中间继电器的线圈Jl连接。 微处理器U4的数字输出端口 AIN0.4与中间继电器的线圈J2连接。 微处理器U4的数字输出端口 AIN0.5与中间继电器的线圈J3连接。 中间继电器J1、 J2、 J3的常闭触点JA、 JB、 JC分别串接在三相支线上。 请参照图5，控制箱中设置有延时自启单元，延时自启单元由主控回路
和辅助回路组成，主控回路由交流接触器KM的线圈、时间继电器KT的动合触点KT1串联构成，主控回路的两端分别与一相干线A和中性线N连接， 辅助回路由自动空气开关QF、时间继电器KT的线圈、交流接触器KM的常 闭触点KM-1串联组成，辅助回路的两端分别与另外两相干线B、 C连接， 交流接触器KM的三对主触点KMA、 KMB、 KMC分别串接在螺杆泵电机 SPM的三相电源线上，当电网停电又恢复来电后，时间继电器KT的线圈得 电，经过延时后，其动合触点KT1闭合，交流接触器KM的线圈得电，三对 主触点KMA、 KMB、 KMC闭合，螺杆泵电机SPM可以工作。该电路还起 到了缺相保护功能，当三相电源同时有电时，螺杆泵电机SPM才能正常动作。 投切控制器的工作原理如下微处理器U2内部的程序存储器中存储有功率因数计算程序和触发脉冲 控制角计算程序，微处理器U2的数据存储器中存储有最佳功率因数的数据。 交流互感器CT1、 CT2、 CT3为模/数转换器Ul提供电压信号和电流信号， 微处理器U2对补偿前模/数转换器Ul送来的相电流的瞬时值进行采样，得 到应补偿的无功电流值。微处理器U2对模/数转换器Ul送来电压信号进行 采样，根据此采样值对无功电流值进行补偿计算，最后决定后续一周波中应 投放哪几组补偿电容。在随后的电网三相干线A、 B、 C相电压过零时刻，微 处理器U2在对应时刻送出相应的晶闸管触发脉冲信号。此信号经功放电路 放大，送到晶闸管，这样控制电路就实现了快速无功电流检测和在理想相角 触发，补偿投切技术特点是电压过零投入，电流过零退出。当微处理器U2检测到系统的无功需量满足粗调投入条件时，将投入一 号三相电容器进行粗调补偿，投入后延时继续检测无功需量，若满足微调的 条件，则投入三号三相电容器，三相电感器L1、 L2、 L3动作，将系统功率 因数补偿到设定值，并且依据负荷的变化跟随负荷补偿，达到最佳节能降损 的目的。若不满足微调条件，则投入二号三相电容器，直到满足微调条件， 再投入三号三相电容器。微处理器U2通过计算可在各组电容器中选择最优 组合。过载保护单元的工作原理如下交流互感器CT4、 CT5、 CT6为模/数转换器U3提供电压信号和电流信 号，微处理器U4对模/数转换器U3送来的一号、二号、三号电容器以及螺 杆泵电机的每相电流、每相电压进行计算，若大于设定的过流、过压、欠流、 欠压参数值，则微处理器U4延时0.5S输出信号，使对应的继电器J1、 J2、 J3的线圈得电，其常闭触点由闭合状态变为断开状态，从而断开对应的相线， 切断故障，实现过流、过压、欠流、欠压保护。
权利要求1.一种螺杆泵自控补偿一体机，包括投切控制器、功率因数粗调单元，功率因数微调单元，投切控制器、功率因数粗调单元、功率因数微调单元都设置在一个控制箱中，功率因数粗调单元有多组，其特征是每组功率因数粗调单元由一号三相电容器和切换开关构成，切换开关由交流接触器的三对主触点和三个晶闸管构成，一号三相电容器三个输出端分别经过一号三相支线与油田电网的三相干线联接；所述三对主触点分别串接在三相支线上，所述三个晶闸管分别与三对常开触点并联；功率因数微调单元由三号三相电容器和三相电感器构成，三号三相电容器的三个输出端分别经过三号三相支线与油田电网的三相干线联接；三相电感器分别串接在三号三相支线上，三相电感器的三个滑动触头经过传动机构与步进电机连接；投切控制器由三个交流互感器、模/数转换器、微处理器组成，三个交流互感器分别与模/数转换器的三个模拟输入端口连接，微处理器的第一组数字输出端口所述交流接触器的线圈连接，微处理器的第二组数字输出端口与中间继电器的线圈连接，中间继电器的常开触点串接与所述步进电机的正、反转控制回路连接；微处理器的第三组数字输出端口与所述步进电机的脉冲输入端连接，微处理器的第四组数字输出端口与晶闸管触发电路连接。
2. 如权利要求l所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所述一号三 相电容器由第一、第二、第三电容组成，第一、第二、第三电容按三角形连 接，该三角形的三个顶点构成一号三相电容器的三个输出端。
3. 如权利要求l所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所述三号三 相电容器由第七、第八、第九电容构成，第七、第八、第九电容按三角形连 接，该三角形的三个顶点构成三号三相电容器的三个输出端。
4. 如权利要求l所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所述功率因 数粗调单元与油田电网三相干线之间设置有过载保护单元。
5. 如权利要求l所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所述功率因 数微调单元与油田电网三相干线之间设置有过载保护单元。
6. 如权利要求l所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所述油田电 网三相干线与螺杆泵电机之间设置有过载保护单元。
7. 如权利要求4或5或6所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所 述过载保护单元由三个交流互感器、模/数转换器、微处理器组成，三个交流 互感器分别与模/数转换器的三组模拟输入端口连接，模/数转换器的三个数字 输出端口分别与微处理器的三个数字输入端口连接，微处理器的三个数字输 出端口分别与三个中间继电器的线圈连接，该三个中间继电器的常闭触点分 别串接在三相支线上。
8. 如权利要求l所述的螺杆泵自控补偿一体机，其特征是所述控制箱中设置有延时自启单元，延时自启单元由主控回路和辅助回路组成，主控回 路由交流接触器的线圈、时间继电器的动合触点串联构成，主控回路的两端 分别与一相干线和中性线连接，辅助回路由自动空气开关、时间继电器的线 圈、交流接触器的常闭触点串联组成，辅助回路的两端分别与另外两相干线 连接，交流接触器的三对主触点分别串接在螺杆泵电机的三相电源线上。
专利摘要一种螺杆泵自控补偿一体机，包括投切控制器、功率因数粗调单元，功率因数微调单元，投切控制器、功率因数粗调单元、功率因数微调单元都设置在一个控制箱中，功率因数粗调单元有多组，每组功率因数粗调单元由一号三相电容器和切换开关构成，切换开关由交流接触器的三对主触点和三个晶闸管构成，功率因数微调单元由三号三相电容器和三相电感器构成，投切控制器由三个交流互感器、模/数转换器、微处理器组成，本产品抗干扰能力强，运行安全可靠；补偿控制响应及时迅速，不会出现欠补偿和过补偿情形，补偿效果好，因而能最大限度的降低能耗，节约采油成本，并可杜绝螺杆泵电机与电网同时启动危害电网的现象出现。
文档编号H02J3/18GK201222655SQ20082012655
公开日2009年4月15日 申请日期2008年7月1日 优先权日2008年7月1日
发明者莹 薛 申请人:莹 薛