油井一体化控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种油井一体化控制装置，该装置包括控制抽油机电机的变频电路以及为抽油杆加热的中频电路，中频电路与变频电路之间通过控制电路来实现抽油机电机产生的回馈电能的回馈途径，中频电路与变频电路共用一套整流电路和滤波电路，还包括电压比较单元，电压比较单元的输入端分别连接变频电路与中频电路，采集变频电路中整流/回馈单元以及逆变/整流单元中的电压与中频电路的电压，对变频电路和中频电路的电压经过比较，通过输出端连接控制电路，控制回馈电能的回馈途径，回馈途径包括通过中频电路向抽油杆供电，和通过变频电路返回工频电网。节约了一套整流电路，中频加热所需的电能不仅能从电网中获得，还能捕获到抽油机的再生电能。
【专利说明】油井一体化控制装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油开采控制领域，尤其涉及一种油井一体化控制装置。
【背景技术】
[0002]辽河油田在石油开采中，稠油井的比例占有较大比重。这类井的原油粘度高，凝固点高，密度大，含蜡量高，难以开采。对此类油井的开采一般都需要二种电力装备，一种是由变频器对抽油机电机进行供电、调速，抽油机的作用是把原油通过空心抽油杆从地下提升上来。另一种是要对空心抽油杆进行加热，即目前国内普遍采用的“稠油热采”工艺，使用工频或中频电源给空心抽油杆供电、加热，使提上来的稠油变稀，可实现稠油的顺利开采，两种电力装备缺一不可。
[0003]目前存在的问题有:1、抽油机正常运行时，抽油杆始终处于上下往复运动中，当抽油杆向下运动的半个周期，因抽油杆动能与平衡块的势能差，会出现电动机被拖动旋转的转速超过同步转速的现象，此时电动机变为发电机，发出的交流电能通过自己的逆变器(此时起整流作用)变成直流电能，这部分电能如何处理，目前有两种方式:一种是增加回馈装置，把这部分直流电能再逆变成交流电，返回到电力线路中去，由于未经处理，污染了电网。另一种是增加能耗制动单元，白白地把这个能量消耗掉。这两种方法都是我们不希望的。
[0004]2、由变频器给抽油机供电并能对电机进行调速的这套系统，由于工艺需要长时间运行，且运行条件、环境恶劣，电子元器件易损等现象，往往造成停机，无备用回路可用，影响了正常生产
[0005]3、给空心抽油杆加热的方式经历了两个阶段:一是采用工频单相电源加热，因为它耗电大、效率低、且能造成工频三相不平衡，故它很快被放弃。二是采用单一功能的中频电源加热，它克服了上述缺点，利用中频的集肤效应加热，使运行效率有所提高，但仍然不能把加热效率和节能效果这个综合指标提到最佳状态。
[0006]4、变频器和中频加热电源这二台设备，从电子单元部件的功能来讲，有共同之处，但它们却没能形成有机的联系，各自的潜力不能获得充分的发挥，使得油井用电的整体性能得不到提高。
实用新型内容
[0007]针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种变频与工频结合并能使抽油机在运行过程中所产生再生电能可以充分的加以利用的油井一体化控制装置。
[0008]本实用新型是这样实现的，该装置包括控制抽油机电机的变频电路以及为抽油杆加热的中频电路，所述中频电路与变频电路之间通过控制电路来实现抽油机电机产生的回馈电能的回馈途径，中频电路与变频电路共用一套整流电路和滤波电路，该装置还包括电压比较单元，所述电压比较单元的输入端分别连接变频电路与中频电路，采集变频电路中整流/回馈单元以及逆变/整流单元中的电压与中频电路的电压，对变频电路和中频电路的电压经过比较，通过输出端连接控制电路，控制回馈电能的回馈途径，回馈途径包括通过中频电路向抽油杆供电，和通过变频电路返回工频电网。
[0009]进一步地，所述变频电路与工频电网之间连接有滤波单元，用于过滤掉从抽油机电机回馈电能的高次谐波。
[0010]进一步地,所述控制电路连接在变频电路和中频电路的直流环节之间。
[0011]进一步地，所述控制电路包括主回路和控制回路，所述主回路由直流接触器、串联二极管及其配套电路元件组成，控制回路与电压比较单元的输出端连接。
[0012]进一步地，所述变频电路包括整流/回馈单元和逆变/整流单元，来自工频电网的交流电依次通过整流/回馈单元的整流和逆变/整流单元的逆变对抽油机电机实现变频控制；抽油机电机产生的回馈电能依次通过逆变/整流单元的整流和整流/回馈单元的逆变反馈回工频电网；所述的中频电路与变频电路共用整流/回馈单元，无回馈电能时，工频电网通过中频电路整流/回馈单元向中频电路提供电压；该装置还包括从工频电网直接通过工频设备单元与抽油机电机连接。
[0013]进一步地，所述整流/回馈单元和逆变/整流单元均采用双PWM控制分别用来控制整流和逆变过程。
[0014]本实用新型与现有技术相比，有益效果在于:将变频电路和中频电路的结合，节约了一套整流电路，这样中频加热所需的电能不仅能从电网中获得，还能捕获到抽油机的再生电能用于加热空心抽油杆。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型实施例提供的设备模块框图；
[0016]图2是本实用新型实施例提供的电能流向框图；
[0017]图中，I滤波单元；2整流/回馈单元；3变频电路的直流环节；4逆变/整流单元；5工频设备单元；6抽油机电机；7控制电路；8中频电路的直流环节；9中频逆变单元；10环形中频变压器；11油井空心抽油杆；12电压比较单元。
【具体实施方式】
[0018]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0019]如图1所示，一种油井一体化控制装置，由二个负载，二种电路，一种回馈功能和一个电压比较单元组合在一起的一体化控制装置。二个负载是:抽油机电机6和油井空心抽油杆11 ;二种电路是:变频电路由整流/回馈单元2、变频电路的直流环节3、和逆变/整流单元4，整流/回馈单元2通过滤波单元I与工频电网连接；中频电路包括中频电路的直流环节8、中频逆变单元9以及环形中频变压器10，中频电路的直流环节8与变频电路的直流环节3之间连接控制电路7，中频电路与变频电路共用整流/回馈单元2、变频电路的直流环节3,分别实现变频与加热。
[0020]抽油机电机6在运行过程中能产生回馈电能，回馈电能有两个处理途径，一个是利用它给油井空心抽油杆11供电，那就要改变正常的中频电路路径，形成一条新的中频回馈路径，即从抽油机电机6经过逆变/整流单元4、变频电路的直流环节3和中频电路的直流环节8加中频逆变单元9、环形中频变压器10，送到空心抽油杆。另一个处理途径是当中频回路中频逆变单元9出现故障时，空心抽油杆11被停止供电，那抽油机电机6在运行时周期性发出的回馈能量就应返回到工频电网中去，其路径是从抽油机电机6经过逆变/整流单元4、变频电路的直流环节3、整流/回馈单元2加上滤波单元1，送到工频电网；
[0021]一个电压比较单元12是为完成上述组合而设置的，电压比较单元12的两输入端分别连接变频电路与中频电路，采集变频电路与中频电路的电压，比较变频电路与中频电路的电压，通过输出端连接控制电路7，控制回馈电能的回馈途径用以实现该装置运行的要求。
[0022]整流/回馈单元2具备整流和回馈两种功能，逆变/整流单元4具备逆变和整流两种功能，这两个单元的功率器件均采用IGBT，都是采用双PWM来控制的，双PWM的作用是，通过它的控制既可以实现对抽油机的变频控制，又可以确保抽油机在运行过程中所产生回馈能量得以利用。中频逆变单元9的功率器件也是采用IGBT，并用PWM控制。滤波单元1、变频电路的直流环节3、中频电路的直流环节8均为常规RLC电路它具有双向流通的特性，滤波单元I的主要作用是滤掉从抽油机回馈能量的高次谐波，变频电路的直流环节3、中频电路的直流环节8的作用是用电容存储电能。
[0023]具体地来讲，变频电路包括整流/回馈单元2和逆变/整流单元4，来自工频电网的交流电依次通过整流/回馈单元2的整流和逆变/整流单元4的逆变对抽油机电机6实现变频控制；抽油机电机6产生的回馈电能依次通过逆变/整流单元4的整流和整流/回馈单元2的逆变反馈回工频电网；中频电路与变频电路共用整流/回馈单元2，无回馈电能时,工频电网通过中频电路整流/回馈单元2向中频电路提供电压；该装置还包括从工频电网直接通过工频设备单元5与抽油机电机6连接。整流/回馈单元2和逆变/整流单元4均采用双PWM控制分别用 来控制整流和逆变过程。
[0024]中频电路与变频电路之间通过控制电路7控制来实现抽油机电机产生的回馈电能的回馈途径，中频电路与变频电路共用滤波单元I ;整流/回馈单元2和变频电路的直流环节3，电压比较单元接受来自变频电路与中频电路的电压信号，并根据电压比较的结构输出至控制电路的控制回路，回馈途径包括通过中频电路向抽油杆供电，和通过变频电路返回工频电网。控制电路7连接在变频电路和中频电路的直流环节之间。控制电路7包括主回路和控制回路，主回路由直流接触器、串联二极管及其配套电路元件组成，通过电压比较单元和控制电路控制回路完成控制直流接触器的闭合和打开达到控制控制电路的回馈电能的回馈途径，主回路为由两路直流接触器串联二极管的结构组成，与中频电路与变频电路的连接使得一路在直流接触器闭合时，导通此路的二极管，此时另一路断开时，中频电路通过工频电网来供电，相反，则中频电路通过回馈的电能供电。
[0025]如图2所示，具体的控制过程为:当电压比较单元12检测到经过整流/回馈单元2的整流电压1^大于抽油机电机6产生的回馈电压Uh时，电压比较单元12向控制电路7发出比较信号，中频电路通过工频电网的电能对油井空心抽油杆11加热；
[0026]当检测到经过整流/回馈单元2的整流电压U V』、于抽油机电机6产生的回馈电压Uh时，电压比较单元12向控制电路7通过改变直流接触器串联二极管的导通情况，中频电路接受抽油机电机产生的反馈电能；[0027]当检测到中频电压U z为零时，电压比较单元向控制电路7实现关闭中频电路通道，抽油机电机6产生的回馈电能通过整流/回馈单元2向工频电网反馈。
[0028]当检测到经过整流/回馈单元2整流电压U B为零时，电压比较单元通过输出的电压比较值至控制电路7控制工频设备单元与工频电网连通。
[0029]当检测到抽油机电机6产生的回馈电压Uh为零时，电压比较单元通过输出的电压比较值至控制电路7控制工频设备单元5与工频电网连通。
[0030]上述的电压比较单元通过检测电压的电路对整流电压U _回馈电压U H进行检测。同样电压比较单元与工频设备单元5之间的控制关系为通过主回路和控制回路来实现工频设备单元5与工频电网的连接与断开。
[0031]控制电路可以采用现有技术中的通过远程控制，满足上述的条件可实现上述两路导通的电路。
[0032]本实用新型详细的组合工作过程如下所示:
[0033]变频与回馈组合:
[0034]变频的作用是，抽油机电机6获得软启动，对电网和设备的冲击小，调速能提高泵效，增加原油产量等。变频电路采用的是滤波单元1、整流/回馈单元2和逆变/整流单元4，通过变频的控制对抽油机电机6获得软启动。
[0035]把抽油机电机6工作过程中的再生电能，用逆变/整流单元4中的整流功能以及变频器的直流电路3的滤波电容上产生的泵升电压，再通过整流/回馈单元2的回馈电路转化为同电网频率与相位均完全一致的交流电压，从而可直接返回到电网。
[0036]故变频的整流和逆变功能采用的整流/回馈单元2的整流功能和逆变/整流单元4的逆变功能，而再生能源通过逆变/整流单元4的整流功能和整流/回馈单元2的逆变(回馈)功能将再生电能进行反馈会电网，共用一套，整流/回馈单元2和逆变/整流单元4分别自带的PWM控制电路分别完成变频调速和回收再生电能的功能。把变频器能够节约的电能和再生电能回收的电能叠加达到峰值。
[0037]回馈与中频加热组合:
[0038]正常、完整的中频加热装置是将三相50HZ工频交流电经过三相不控整流桥，整流成电压脉动的直流，再通过电容将脉动的直流滤波成光滑平稳的直流电，送到逆变单元和环形中频变压器将直流电变成单相频率可调的交流电供给油井的空心抽油杆。
[0039]本实用新型中，需将对现有技术中的单元结构做必要的调整:首先去掉三相不控整流，与变频器里的全控整流桥单元2连接，该全控整流桥单元2将承担抽油机电机6和对空心抽油杆11加热两个负荷，节省了一个整流单元；其次在全控整流桥单元2前增加滤波单元1，它能滤除再生回馈到电网中的电压和电流谐波量，减少了对电网的污染；第三，把抽油机工作过程中的再生电能，用逆变/整流单元4传送到变频器的直流电路3上，该环节的滤波电容上就产生泵升电压，为利用这个泵升电压的电量，需通过控制电路7加到中频加热的直流环节8上，这样中频加热所需的电能不仅能从电网中获得，还能捕获到抽油机的再生电能用于加热空心抽油杆。
[0040]变频与工频组合:
[0041]考虑到整流/回馈单元2和逆变/整流单元4故障的几率比较大，设置了工频设备单元5做为备份单元，以保证对抽油机的供电。此时应分清两种故障状态:一是整流/回馈单元2故障，抽油机通过工频设备单元5照常工作，油井空心抽油杆11虽然不能从电网取得电能，但还能从抽油机的再生电量，通过逆变/整流单元4、变频电路的直流环节3、控制电路7、中频电路的直流环节8、中频逆变单元9、环形中频变压器10获得。二是逆变/整流单元4故障，抽油机通过工频设备单元5照常工作，空心抽油杆11的加热只能从工频电网，通过滤波单元I ;整流/回馈单元2 ;变频电路的直流环节3 ;控制电路7、中频电路的直流环节8、中频逆变单元9、环形中频变压器IO获得电能。
[0042]正常运行时:抽油机处于变频调速，油井空心抽油杆11处于中频加热，这时控制电路7起作用，只要回馈电压Uh大于从电网来的整流后的整流电压Ub，中频加热就由再生电量供给。
[0043]变频故障:当整流/回馈单元2和逆变/整流单元4发生故障时，迅速切换到工频设备单元5，抽油机在工频下正常运行。这时中频加热如何供电，要分清上述的两种故障状态，就要取决于变频电路的直流环节3中的回馈电压Uh是否存在，若有，就用再生电量；若无，就用电网电量。
[0044]中频故障:当中频环节出现故障时，停止对油井空心抽油杆11的加热，同时封闭控制电路7，这时抽油机发出的再生电量，只有通过逆变/整流单元、变频电路的直流环节
3、整流/回馈单元2、滤波单元I返回到电网，实现能量的回馈。
【权利要求】
1.一种油井一体化控制装置，其特征在于，该装置包括控制抽油机电机的变频电路以及为抽油杆加热的中频电路，所述中频电路与变频电路之间通过控制电路来实现抽油机电机产生的回馈电能的回馈途径，中频电路与变频电路共用一套整流电路和滤波电路，该装置还包括电压比较单元，所述电压比较单元的输入端分别连接变频电路与中频电路，采集变频电路中整流/回馈单元以及逆变/整流单元中的电压与中频电路的电压，对变频电路和中频电路的电压经过比较，通过输出端连接控制电路，控制电路包括主回路和控制回路，所述主回路由直流接触器、串联二极管及其配套电路元件组成，控制回路与电压比较单元的输出端连接，通过对直流接触器、串联二极管的导通实现控制回馈电能的回馈途径，回馈途径包括通过中频电路向抽油杆供电，和通过变频电路返回工频电网。
2.按照权利要求1所述的油井一体化控制装置，其特征在于，所述变频电路与工频电网之间连接有滤波单元，用于过滤掉从抽油机电机回馈电能的高次谐波。
3.按照权利要求1所述的油井一体化控制装置，其特征在于，所述控制电路连接在变频电路和中频电路的直流环节之间。
4.按照权利要求1所述的油井一体化控制装置，其特征在于，所述变频电路包括整流/回馈单元和逆变/整流单元，来自工频电网的交流电依次通过整流/回馈单元的整流和逆变/整流单元的逆变对抽油机电机实现变频控制；抽油机电机产生的回馈电能依次通过逆变/整流单元的整流和整流/回馈单元的逆变反馈回工频电网；所述的中频电路与变频电路共用整流/回馈单元，无回馈电能时，工频电网通过中频电路整流/回馈单元向中频电路提供电压；该装置还包括从工频电网直接通过工频设备单元与抽油机电机连接。
5.按照权利要求4所述的油井一体化控制装置，其特征在于，所述整流/回馈单元和逆变/整流单元均采用双PWM控制分别用来控制整流和逆变过程。
【文档编号】H02J3/38GK203800617SQ201420148750
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】宋景龙, 姚禹详 申请人:辽宁浩方天成智能系统有限公司