专利名称：抽油机专用负载随动自适应节电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型技术属于油田抽油机节能控制设备，特别涉及一种抽油机专用负载随动自适应节电装置。
背景技术：
我国的油田油井85%以上属于贫油井，井下工况随抽油机运行不断变化，且变化较大。运行时各种抽油机系统的拖动电机设计容量(额定功率)一般较大，实际运行中，经常性地处于轻载、势能反馈(反发电)状态，几乎100%存在“大马拉小车”的现象。因此，抽油机类设备存有巨大的节电空间，目前节电的措施有1.调节配重节能；2.利用变频器控制电机(降低冲次)实现节电；3.使用同步电机来节电；4.相控矩阵技术调压节能；5.加拿大IPC抽油机专用节电技术，和6.我们引进日本技术自主研发的抽油机专用负载随动自适应节电装置。由于其安全和采油效率的工艺要求，油田抽油机在运行时，按一定的冲次运行，在任一速度下恒速运行时，变频器应用仅有部分降频节电效果，如不降低频率，变频器就无法实现节能运行，一般的节电设备也无法实现节能控制。现在市场上见到的许多以变频器为核心的油田抽油机节能系统主要是利用抽油量低时，降低电机的运行频率，将油田抽油机的运行速度降低(减少冲次)达到部分节能的目的。然而，在通常的使用环境里，降低频率意味着减少石油产量，总体上可能得不偿失，因此，该类系统的总体节能效果有限。
实用新型内容本实用新型技术所要解决的技术问题是提供一种油田抽油机用三相异步电动机节电控制设备。在保持原工艺不变的前提下(即保证不减少石油的产量)，非常方便地安装此装置，实现大幅度节能减排的目的。本实用新型技术的方案是一种抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于其控制部分有由DSP模块连接的外部控制接口 ；DSP模块连接输出控制模块及显示和控制单元模块；动力主回路为由三相电源连接整流模块，整流模块连接滤波模块，滤波模块连接输出模块，输出模块连接抽油机电机，选配的能量反馈单元，加载在直流部分与交流电源之间控制部分和动力主回路连接控制部分的输出控制模块连接动力主回路的整流模块，控制部分的输出控制模块连接动力主回路的输出模块；动力主回路的输出模块和抽油机电机之间的电力连接线有电流传感器，电流传感器反馈给控制部分的DSP模块。所述的抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于外部控制接口连接各种外部控制接口，包括有输入/反馈控制信号和输出/响应/驱动/通讯控制信号。所述的抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于外部控制接口可连接各远程控制或现场控制模块。[0011]所述的抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于其中整流模块100 300A/1600V ；滤波模块电解电容1200uF 6800uF/450V ；输出模块IGBT100A 300A/1200V ；输出控制模块=SD PCB 001 005 ；显示和控制模块:0PE PCB 001 005 ；DSP 模块CPU PCB 001 005。本实用新型技术的效果是本技术及相应控制装置，主要用于油田抽油机工况的自适应随动控制，达到最大限度的节能减排的效果。以此技术设计开发的控制设备，集成应用SVPWM技术、DSP技术、变频调速技术、电机载荷感应技术等核心技术，适用于油田抽油机的运行工况，具有高节电率、高稳定性、高集成化的性能，其结构具有小型化和安装便捷的特点。本装置能在油田抽油机正常恒速运行过程中，根据抽油机抽油量的多少(载荷的大小)自动调节电机的输入电压和电流，使电机的输入功率与载荷的大小完全匹配，做到 “所供即所需”。控制装置可使油田抽油机的电机勻速正常运行，并可随工况的变化及载荷的多少 (抽油量的多少)调节油田抽油机电机的输入电压、电流，调节反应能力达0.01秒级，运行平稳，系统无波动感；实时做到载荷需求与输出功率的最佳柔性匹配，实现“所供即所需”的电能管理模式，挖掘油田抽油机及类似设备的节能效果极限。本装置控制的电机在完全空载状态下，实测节能率高达70 %。本技术克服了常规抽油机正常恒速运行不节电的缺陷，达到了设备运行恒速节能、运行速度(冲次)可调节的双重节能功能叠加，趋近此类设备的节能极限。该设备安装调试简便，自动运行控制，操作简单，能按照油田抽油机三相异步电动机的运行工况，实时、 有效地进行自适应随动节能控制，降低电机运行有功消耗，提高电机功率因数，降低无功功率，综合节电率达到30. 4 %，减少电机发热量(降低铁损、铜损)，延长该类设备电机使用寿命。目前，该设备已具备市场推广的条件，节能指标、易操作和各项性能均高于国内外各种油田抽油机节能控制装置，节能效果显著，电机空载工频恒速运行的节电率高达70%。 本技术填补了油田抽油机类恒速负载多变的工况设备的节能盲区，国内外领先，成本低。而同时此新技术具有巨大的节电潜能，仅以大港油田为例，目前约有2000 口油井中，有1500 口井甚至更多连变频器都未安装，若以每口井20%的节能空间来算，在用上本自适应节电控制技术的控制装置后每年可节电3千2百万度，减少二氧化碳排放约3万多吨。而且不需要调整其抽油机的冲次和机械结构，安装十分便捷。
图1 抽油机专用负载随动自适应节电装置结构框图图2 抽油机专用负载随动自适应节电装置原理接线图具体实施方式
—种抽油机专用负载随动自适应节电装置，它结合变频技术原理，以SVPWM(电压空间矢量)方法为基础的最佳节电运算模型的高性能DSP单元，将电机载荷感应单元采集到的电机实时工况参数进行高速处理，计算出当前载荷下的最佳节电电压、电流值及相位角，经过修正补偿运算后输出调制信号，驱动高性能的IGBT模块输出相应的PWM电压波形驱动电机，形成内部闭环反馈的控制单元，实时做到载荷需求与输出功率的最佳柔性匹配， 在满足载荷输出要求的前提下，最大限度地节约电能。如图1所示的一种抽油机专用负载随动自适应节电装置，其控制部分有由DSP模块连接外部控制接口，外部控制接口连接速度调节模块；DSP模块连接输出控制模块及显示和控制单元模块；动力主回路为由三相电源连接整流模块，整流模块连接滤波模块，滤波模块连接输出模块，输出模块连接抽油机电机；控制部分和动力主回路连接控制部分的输出控制模块连接动力主回路的整流模块，控制部分的输出控制模块连接动力主回路的输出模块；动力主回路的输出模块和油田抽油机电机之间的电力连接线有电流传感器，电流传感器反馈给控制部分的DSP模块。选配的能量反馈单元，加载在直流部分与交流电源之间外部控制接口连接速度调节模块和各种外部控制接口模块(包括有输入/反馈控制信号和输出/响应/驱动/通讯控制信号)。其中整流模块150 250A/1600V ；滤波模块电解电容6800uF 8200uF/450V ；输出模块IGBT100A 300A/1200V ；输出控制模块=SD PCB 001 005 ；显示和控制模块:0PE PCB 001 005 ；DSP 模块CPU PCB 001 005。抽油机专用负载随动自适应节电装置，结合结构框图和电原理图叙述其电路的结构、连接关系。功能原理和及对照附图的编号的零部件名称。节能实现原理高性能的DSP单元内建有以SVPWM(空间矢量电压法)为基础的最佳节电模块，可将电机载荷感应单元采集到的电机实时工况参数进行超高速处理，计算出当前载荷下的最佳节电电压、电流值及相位角，经过修正补偿运算后输出调制信号，驱动高性能的IGBT模块输出相应的PWM电压波形驱动电机，形成内部闭环反馈的控制单元，实时做到各工况下的负载需求与输出功率的最佳柔性匹配，最大限度地挖掘电机节电潜力。因为油井工况经常存在反发电现象，所以必须选配适当的能量反馈单元，加载在直流部分与交流电源之间， 该单元可将反发电产生的电能反馈到电网中去，进一步提高节能效果。各模块的功能及应用DSP技术是将高速运算器件应用于电力设备运行控制的新技术，利用运算器件的高速运算性能(nS级)，大量处理所需数据，并快速给出运算结果，大大提高系统的数据处理能力和反应速度，甚至能做到瞬间随动响应。DSP单元输出精度较高，通过IGBT模块输出的PWM波形整合了电压型、电流型变频输出波形的全部优点，谐波小，全程实时节电，节电效果显著。SVPWM技术是目前精确控制系统中广泛应用的电压空间矢量控制变频新技术，由 DSP模块进行电压空间矢量运算来调制IGBT功率模块输出的PWM波形，准确控制输出的电压、电流波形和频率、功率，使所驱动的设备的运行精确度大大提高，且运算和响应速度更快。变频技术在本系统中应用于主要的驱动电路的结构设计。本技术和设备结合常规变频技术的主要结构模块，在DSP的控制下，实现对电源的“交-直-交”的节能控制输出功能。所用的IGBT模块，即绝缘栅双极型功率管，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，开关速度快、驱动功率小而饱和压降低、载流密度大，能较好实现高速逆变输出功能。电机载荷感应技术是应用先进的电机检测器件，采集电机载荷的变化和反馈信息，再输入到DSP模块使用。TTA时域变换电流检测技术配合载荷感应技术，为检测采样提供数字信号。将该装置串接三相交流电源与抽油机的电机之间。
权利要求1.一种抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于其控制部分有由DSP模块连接的外部控制接口 ；DSP模块连接输出控制模块及显示和控制单元模块；动力主回路为由三相电源连接整流模块，整流模块连接滤波模块，滤波模块连接输出模块，输出模块连接抽油机电机，选配的能量反馈单元，加载在直流部分与交流电源之间控制部分和动力主回路连接控制部分的输出控制模块连接动力主回路的整流模块，控制部分的输出控制模块连接动力主回路的输出模块；动力主回路的输出模块和抽油机电机之间的电力连接线有电流传感器，电流传感器反馈给控制部分的DSP模块。
2.根据权利要求1所述的抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于外部控制接口连接各种外部控制接口，包括有输入/反馈控制信号和输出/响应/驱动/通讯控制信号。
3.根据权利要求1所述的抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于外部控制接口可连接各远程控制或现场控制模块。
4.根据权利要求1所述的抽油机专用负载随动自适应节电装置，其特征在于其中整流模块100 300A/1600V ；滤波模块电解电容1200uF 6800uF/450V ；输出模块:IGBT 100A 300A/1200V ；输出控制模块:SD PCB 001 005 ；显示和控制模块:0PE PCB 001 005 ；DSP 模块=CPU PCB 001 005。
专利摘要一种抽油机专用负载随动自适应节电装置，综合应用了SVPWM控制技术、DSP调速数字处理技术、电机与负载参数检测技术，该设备串接在电源和三相异步电机之间，在抽油机的电机恒速运行过程中，能按照实时井下工况，进行自适应随动节能控制，电机的电压、电流同步随动，降低电机运行有功消耗，提高电机功率因数，降低无功功率，挖掘设备的节能极限；综合节电率达到30.4％；在进口抽油机专用节电设备最大节能率25％的基础上，再增加节能效率0.5-5％。该装置能有效减少电机发热量(降低铁损、铜损)，延长该类设备电机使用寿命。该装置安装使用方便，软启软停，还能方便地调节抽油机的冲次和冲程，提高原油产量。
文档编号H02P25/02GK202218189SQ20112034762
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者俞宁, 张兆龙, 朱天利 申请人:天津市华萌科技有限公司