抽油机拖动电机节能控制设备系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种抽油机拖动电机节能控制设备系统，包括：开关磁阻电机和节能控制器；节能控制器包括：操作显示电路、控制电路、驱动电路和功率电路；其中，操作显示电路连接控制电路，控制电路连接开关磁阻电机、驱动电路和功率电路；驱动电路连接功率电路；功率电路连接开关磁阻电机；节能控制器通过调节开关磁阻电机的转速来调节开关磁阻电机输出功率。本发明可以减小电机能量损耗，提升电机效率。
【专利说明】抽油机拖动电机节能控制设备系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及抽油机拖动电机【技术领域】，尤其涉及抽油机拖动电机节能控制设备系统。
【背景技术】
[0002]由于抽油机的负载是一种带有冲击性的交变负载，而目前抽油机拖动电机主要是采用三相异步电机，该电机适应于负载不变的工况，这就造成了电机与负载的不匹配。三相异步电机用作抽油机拖动电机存在以下几个方面的局限性:
[0003]1、抽油机带载起动，电机启动电流、扭矩大，导致电机装机功率、能耗偏高；
[0004]2、运行时电流、扭矩小，电机负载率及效率偏低；
[0005]3、同一机型，电机额定功率越大，电机负载率越低；
[0006]4、电机负载率越低，导致效率低。
[0007]由于上述四个方面的原因，导致电机长期处于低负荷下运行，无法达到额定效率范围，电机能量损耗高，从而影响油井整体机采系统效率水平。
【发明内容】
[0008]本发明实施例提供一种抽油机拖动电机节能控制设备系统,用以解决抽油机合理匹配电机的问题，减小电机能量损耗，提升电机效率，该系统包括:
[0009]开关磁阻电机和节能控制器；
[0010]节能控制器包括:操作显示电路、控制电路、驱动电路和功率电路；其中，操作显示电路连接控制电路，控制电路连接开关磁阻电机、驱动电路和功率电路；驱动电路连接功率电路；功率电路连接开关磁阻电机；
[0011]操作显示电路用于调节开关磁阻电机的转速以调节开关磁阻电机输出功率；
[0012]控制电路用于调节操作显示电路输出信号以达到开关磁阻电机运行要求；
[0013]驱动电路用于根据控制电路输出信号产生开关磁阻电机驱动信号；
[0014]功率电路用于对开关磁阻电机驱动信号进行整流及驱动控制；
[0015]开关磁阻电机用于按功率电路输出信号运行，向控制电路反馈功率信号；
[0016]控制电路还用于根据功率电路输出信号及开关磁阻电机反馈功率信号进一步调节操作显示电路输出信号。
[0017]一个实施例中，开关磁阻电机为定子、转子双凸极可变磁阻电动机，且定子、转子极数不同。
[0018]一个实施例中，定子、转子均由硅钢片叠压而成，转子上无绕组及永磁体，定子上有绕组。
[0019]一个实施例中，节能控制器还包括:控制电源，控制电源分别与控制电路和功率电路连接，用于向控制电路和功率电路提供电源。
[0020]一个实施例中，功率电路还连接外接电源。[0021]一个实施例中，操作显示电路提供开关磁阻电机转速调节按键。
[0022]一个实施例中，操作显示电路提供起停机按键、换向按键和电参数显示按键其中之一或任意组合。
[0023]—个实施例中，操作显不电路具体用于在开关磁阻电机输出功率高于第一阈值时，降低开关磁阻电机的转速；在开关磁阻电机输出功率低于第二阈值时，提高开关磁阻电机的转速；第一阈值高于第二阈值。
[0024]本发明实施例的抽油机拖动电机节能控制设备系统，通过调节开关磁阻电机的转速来调节开关磁阻电机输出功率，不但可以解决抽油机合理匹配电机的问题，还可以降低电机运行过程的电流、功率，减小电机能量损耗，提升电机效率，进而提升整个机采系统的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
[0026]图1为本发明实施例中抽油机拖动电机节能控制设备系统的示例图；
[0027]图2为本发明实施例中抽油机拖动电机节能控制设备系统的示例图；
[0028]图3为本发明实施例中抽油机拖动电机节能控制设备系统的示例图；
[0029]图4为本发明实施例中电机角速度和输出功率的初始状态曲线图；
[0030]图5为本发明实施例中电机角速度和输出功率的目标状态曲线图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0032]在本发明实施例中，提供一种抽油机拖动电机节能控制设备系统，该系统使用开关磁阻电机作为抽油机拖动电机，以解决抽油机合理匹配电机的问题，挖掘电机降耗空间。图1为本发明实施例中抽油机拖动电机节能控制设备系统的示例图。如图1所示，本发明实施例的抽油机拖动电机节能控制设备系统，主要由开关磁阻电机101和节能控制器102两部分组成，其中节能控制器是用于对开关磁阻电机进行驱动控制。
[0033]开关磁阻电机利用磁阻最小原理，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，用齿极间的吸引力拉动转子旋转；线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制。开关磁阻电机工作原理与三相异步电机完全不同，具有如下特点:
[0034]特点1、电机效率高
[0035]主要体现在两个方面:一是空载电流小，二是调速范围广、效率高；
[0036]特点2:启动扭矩大、电流低
[0037]与三相异步电机相比启动扭矩大、电流低,启动扭矩为额定转矩的1.5倍时,启动电流为额定电流的0.3倍；[0038]特点3:功率因数高
[0039]开关磁阻电机运行时功率因数接近I ;而三相异步电机功率因数与负载率有关，最大值0.9以下；
[0040]特点4:转速易于控制
[0041]可控参数多，转速控制灵活方便，可与数字化抽油机结合，根据抽油机负载情况，采取不同控制方法和参数值，实现电机自动调速。
[0042]将开关磁阻电机作为抽油机拖动电机，应用了其频繁正、反转，起动转矩大，调速范围广，功率因数高，具有电子制动，效率高，节能效果好等优点，再通过节能控制器进行智能调速，可以对开关磁阻电机每一个冲程周期的每一个点都进行电机与负载的控制匹配，进而使抽油机处于最佳工作状态，实现减小电机能量损耗，提升电机和机采系统效率的目的。
[0043]具体实施时，开关磁阻电机可以为定子、转子双凸极可变磁阻电动机，且定子、转子极数可以不同。定子、转子均可以由硅钢片叠压而成，转子上可以无绕组及永磁体，定子上可以有绕组。图2为本发明实施例中抽油机拖动电机节能控制设备系统的示例图。图2中以开关磁阻电机为三相12/8极结构为例详细示出开关磁阻电机的结构。如图2所示，在开关磁阻电机201中，转子的12极为Al极、BI极、Cl极、A2极、B2极、C2极、al极、bl极、Cl极、a2极、b2极、c2极；以图2中定、转子的相对位置作为起始位置，依次给B — C — A相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，依次给C — B — A相通电，则电机会顺时针方向转动。开关磁阻电机的转向与相绕组的电流方向无关，而取决于相绕组通电的顺序。通过控制相绕组的第一电子开关(IGBT) S1、第二电子开关(IGBT) S2的工作状态，就可以改变开关磁阻电机201的转向、转矩、转速、制动等工作状态。图2中还示出了开关磁阻电机201与节能控制器202连接。
[0044]图3为本发明实施例中抽油机拖动电机节能控制设备系统的示例图。图3中详细示出了节能控制器的结构组成。如图3所示，节能控制器310包括:操作显示电路311、控制电路312、驱动电路313和功率电路314 ;其中，操作显示电路311连接控制电路312，控制电路312连接开关磁阻电机320、驱动电路313和功率电路314 ;驱动电路313连接功率电路314 ;功率电路314连接开关磁阻电机320。
[0045]具体实施时，在节能控制器中，操作显示电路用于调节开关磁阻电机的转速以调节开关磁阻电机输出功率；控制电路用于调节操作显示电路输出信号以达到开关磁阻电机运行要求；驱动电路用于根据控制电路输出信号产生开关磁阻电机驱动信号；功率电路用于对开关磁阻电机驱动信号进行整流及驱动控制；开关磁阻电机用于按功率电路输出信号运行，向控制电路反馈功率信号；控制电路还用于根据功率电路输出信号及开关磁阻电机反馈功率信号进一步调节操作显示电路输出信号。如图3所示，节能控制器310还可以包括:控制电源315，控制电源315分别与控制电路312和功率电路314连接，用于向控制电路312和功率电路314提供电源。实施时，功率电路314还可以连接外接电源330。
[0046]具体实施时，操作显示电路是根据智能调速原理，调节开关磁阻电机的转速以达到调节开关磁阻电机输出功率的目的。智能调速原理为:
[0047]电机的输出功率与电机的输出转矩及角速度成正比关系，即:
[0048]P=TX ω:[0049]其中，P为电机的输出功率，单位为KW ;T为电机的输出转矩，单位为N.πι;ω为角速度，单位为rad/s。
[0050]由于电机的输出转矩取决于被驱动负荷的大小，而负荷的大小取决于抽油机井下工况，在井下工况确定时，可以通过调节开关磁阻电机的转速来调节开关磁阻电机输出功率。具体实施时，可以在开关磁阻电机输出功率高于第一阈值时，降低开关磁阻电机的转速；在开关磁阻电机输出功率低于第二阈值时，提高开关磁阻电机的转速；第一阈值高于第二阈值。举个例子，先跟踪一个周期电机角速度和输出功率的初始状态曲线(见图4)，通过改变电机转速来调节电机的输出功率，降低高功率区的转速以降低输出功率、提高低功率区的转速以提高输出功率，实现对电机输出功率和输出转矩的重新分布，使电机功率趋于平稳，平直且绝对值低，达到“削峰填谷”的目的，即实现目标状态曲线(见图5)，从而使电机达到节能降耗，效率提升。
[0051]具体实施时，为便于人员操作，操作显示电路可以提供开关磁阻电机转速调节按键。此外，操作显示电路还可以提供起停机按键、换向按键和电参数显示按键其中之一或任意组合，实现电机启动及停止、电机保护等功能。操作显示电路还可以提供显示面板，以便实时查看电机参数及工作状态等。
[0052]具体实施时，操作显示电路可以生成调节开关磁阻电机转速的信号并向控制电路输出该信号，控制电路对操作显示电路输出信号进行调节，以达到开关磁阻电机运行要求。控制电路可以根据外部操作要求和电机实际运行情况连接调节操作显示电路输出信号，后续再通过驱动电路和功率电路，改变电机绕组的通电时间和电流的大小。控制电路在调节操作显示电路输出信号后，将调节后的信号输出至驱动电路。驱动电路根据控制电路输出信号产生开关磁阻电机驱动信号，并提供给功率电路。功率电路对开关磁阻电机驱动信号进行整流及驱动控制，功率电路的输出信号分别送入开关磁阻电机和控制电路。开关磁阻电机按功率电路输出信号运行，向控制电路反馈功率信号。控制电路再根据功率电路输出信号及开关磁阻电机反馈功率信号进一步调节操作显示电路输出信号，进而使整个系统不断优化调节开关磁阻电机的转速以调节开关磁阻电机输出功率，形成一个自学习、自适应的循环电路。
[0053]综上所述，本发明实施例的抽油机拖动电机节能控制设备系统，通过调节开关磁阻电机的转速来调节开关磁阻电机输出功率，不但可以解决抽油机合理匹配电机的问题，还可以降低电机运行过程的电流、功率，减小电机能量损耗，提升电机效率，进而提升整个机米系统的效率。
[0054]本发明实施例的抽油机拖动电机节能控制设备系统，采用了变速驱动方式，对悬点载荷中的惯性载荷有一定影响，在不改变抽油机冲次的前提下，改变抽油机运行加速度的分布，可降低最大惯性负荷，提高最小惯性负荷，降低抽油机载荷的波动程度，保护了抽油机设备。并且，变速驱动方式能使曲柄转矩峰值降低，降低电机额定功率，实施时可以选用小功率电机，使小功率电机在较高的负荷下运行，达到节能效果。
[0055]此外，从功率曲线对比可知(见图4、5)，不仅功率波动大幅度减小，而且基本消除了负功，抽油机减速箱消除了 “背击”现象，延长减速箱的工作寿命。
[0056]本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0057]本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0058]这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0059]这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0060]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种抽油机拖电机节能控制设备系统，其特征在于，包括: 开关磁阻电机和节能控制器； 节能控制器包括:操作显示电路、控制电路、驱动电路和功率电路；其中，操作显示电路连接控制电路，控制电路连接开关磁阻电机、驱动电路和功率电路；驱动电路连接功率电路；功率电路连接开关磁阻电机； 操作显示电路用于调节开关磁阻电机的转速以调节开关磁阻电机输出功率； 控制电路用于调节操作显示电路输出信号以达到开关磁阻电机运行要求； 驱动电路用于根据控制电路输出信号产生开关磁阻电机驱动信号； 功率电路用于对开关磁阻电机驱动信号进行整流及驱动控制； 开关磁阻电机用于按功率电路输出信号运行，向控制电路反馈功率信号； 控制电路还用于根据功率电路输出信号及开关磁阻电机反馈功率信号进一步调节操作显不电路输出信号。
2.如权利要求1所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，开关磁阻电机为定子、转子双凸极可变磁阻电动机，且定子、转子极数不同。
3.如权利要求1所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，定子、转子均由硅钢片叠压而成，转子上无绕组及永磁体，定子上有绕组。
4.如权利要求1所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，节能控制器还包括:控制电源，控制电源分别与控制电路和功率电路连接，用于向控制电路和功率电路提供电源。
5.如权利要求4所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，功率电路还连接外接电源。
6.如权利要求1所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，操作显示电路提供开关磁阻电机转速调节按键。
7.如权利要求1所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，操作显示电路提供起停机按键、换向按键和电参数显示按键其中之一或任意组合。
8.如权利要求1至7任一项所述的抽油机拖动电机节能控制设备系统，其特征在于，操作显不电路具体用于在开关磁阻电机输出功率高于第一阈值时，降低开关磁阻电机的转速；在开关磁阻电机输出功率低于第二阈值时，提高开关磁阻电机的转速；第一阈值高于第二阈值。
【文档编号】H02P6/08GK103888034SQ201410078501
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】辛宏, 朱天寿, 慕立俊, 曾亚勤, 黄伟, 甘庆明, 李明, 杨海涛, 张磊, 韩二涛, 李明江 申请人:中国石油天然气股份有限公司