专利名称：游梁式抽油机恒功率控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种游梁式抽油机恒功率控制装置。该装置使抽油机系统工作特性变得柔和，以实现在不影响油田产量的前提下降低异步电机的选型容量，提高异步电机工作效率。另一方面，将异步电机的两种工作状态进行统一考虑，使其发电状态维持时间尽量缩短，降低甚至消除变频器内能耗制动单元的释放电阻上的功率消耗，以节约能源。
背景技术：
在目前的石油开采中，广泛采用游梁式抽油机。这种抽油机是一种大惯量周期性可变负载，造成在游梁式抽油机运行一个冲程的过程中，异步电机输出功率变化范围很大，而平均功率却相对较小，为了满足这种特定负载的需要，在选择电机容量时，需要以满足抽油机最大功率需求为原则，使得抽油机系统普遍存在大马拉小车现象，造成抽油机系统运行效率低下，同时增加了系统成本。而用能量只能单向传递的传统变频器作为异步电机的控制装置，大量的再生能量消耗在制动电阻上，造成能源浪费。
发明内容
为解决上述技术问题，提供了一种游梁式抽油机恒功率控制装置，结合异步电机工作特性，通过分析游梁式抽油机作为负载的特殊性，人为构造抽油机在不同冲程的工作特性曲线，通过在线实时调整电机转速，使得功率曲线尽量向平均功率值压缩，减小抽油机系统运行过程中的功率波动，使抽油机系统的运行特性变得柔和，从而可以降低异步电机选型容量，提高系统工作效率；另一方面，将异步电机的两种工作状态进行统一考虑，使其发电状态维持时间尽量缩短，降低甚至消除释放电阻上的功率消耗，以节约能源，带来显著的经济效益。
为实现本实用新型目的的方案是一种游梁式抽油机恒功率控制装置，其组成包括恒功率控制模块1、电压检测模块2、电流检测模块3、键盘输入模块4、显示器5、变频器6及异步电机7。其特征是电压检测模块2的输入端与装置输入线并联，电流检测模块3的输入端与装置的电源输入线相串联，二者的输出端与恒功率控制模块1的联接端子J2相连，用于输入电压、电流的检测信号；键盘输入模块4、显示器5与恒功率控制模块1通过联接端子J1相连，用于响应相应的按键操作，以及显示电量；恒功率控制模块1与变频器6相连，将转速信号的数字量转化为模拟量后，传送给变频器，带动异步电机7旋转；恒功率控制模块1、电压检测模块2、电流检测模块3、键盘输入模块4、显示器5、与变频器6安装在同一箱体内。
电压检测模块2包括降压电阻R1、线性霍尔传感器、采样电阻RV、射极跟随器IC1A、真有效值计算电路IC2以及过零比较电路IC3A；电网电压经降压电阻与线性霍尔传感器输入端相连，线性霍尔传感器输出端与采样电阻并联，经射极跟随器IC1A与真有效值计算芯片IC2输入端、过零比较电路IC3A的输入端并联，以获得电压检测信号，进行电压的有效值计算及产生电压的同步信号。
电流检测模块3包括线性霍尔传感器、采样电阻RI、射极跟随器IC4A、真有效值计算电路IC5以及过零比较电路IC6A；电网输入线与线性霍尔传感器输入端串联，线性霍尔传感器输出端与采样电阻RI经射极跟随器IC4A与真有效值计算芯片IC5输入端、过零比较电路IC6A的输入端并联，以获得电流检测信号，进行电流的有效值计算及产生电流的同步信号。
恒功率控制模块1包括微处理器IC7，锁存器IC8，程序存储器IC10，译码电路IC9，D/A转换电路IC11，IC12A及晶振X1。微处理器IC7与程序存储器IC10经锁存器IC8相连，实现数据总线与程序总线的分时复用；晶振X1与微处理器IC7相连，为其提供时钟；译码电路IC9一端与微处理器IC7相连，另一端与程序存储器IC10相连，还有一端与D/A转换芯片IC11的使能端相连。
在直流母线正负极并联能耗制动单元以释放再生能量；包括功率模块、能耗电阻以及电压控制电路；功率模块与能耗电阻串联后并联在直流母线上。电压控制电路通过检测直流母线电压，控制功率模块开关。
游梁式抽油机恒功率控制装置的工作原理是电压检测模块2、电流检测模块3与恒功率控制模块1中的微处理器IC7相连，由微处理器IC7中的A/D转换电路将电压、电流的有效值转换为数字量，再由软件计算获得抽油机系统的瞬时功率，再根据瞬时功率与人工特性曲线的期望功率的差值由模糊控制算法获得此时的电机转速给定信号，由D/A转换芯片将数字量转换为模拟量，传送给变频器，驱动异步电机运行。在变频器的直流环节接有能耗制动单元，包括功率模块IGBT和能耗电阻以及电压控制电路。根据直流母线电压的波动判断是否产生再生能量。当直流母线电压大于某一阈值时，开启功率模块，将异步电机回馈的能量由能耗电阻释放掉，而在直流母线电压小于该阈值时，认为是异步电机处于电动状态，无再生能量产生，关闭功率模块。为了防止在阈值附近出现振荡现象，产生高频开关信号损坏功率模块，硬件电路采用滞环控制方式。
本实用新型所具有的优点该装置在不影响油田产量的前提下，将异步电机的选型容量降低至原来的80％左右。另一方面，使异步电机发电状态维持时间尽量缩短，减小再生能量，降低甚至消除释放电阻上的功率消耗，这种控制方式与传统变频器相比，节能达20％左右。在设备一次性投资和持续性使用方面均带来了显著的经济效益。
图1为游梁式抽油机恒功率控制装置整体框图。
图2为抽油机系统功率曲线图。
图3为人工构造的抽油机系统功率曲线图。
图4为实施例的电压检测模块的电路原理图。
图5为实施例的电流检测模块的电路原理图。
图6为实施例的恒功率控制模块的电路原理图。
具体实施方式
在变频器以某一恒定速度指令运行时，整个抽油机系统的功率曲线如图2所示，由此图可看出，在抽油机运行一个冲程的过程中，异步电机输出功率变化范围很大，而平均功率却相对较小，其中负功率是异步电机产生的再生能量。如果通过人工构造功率特性曲线图3，并采用模糊控制算法，根据负载情况在线调整转速，即在负载较大时适当降低转速，而在负载较小时适当提高转速，使抽油机的实际工作曲线尽量趋近于人工特性工作曲线，即可实现抽油机系统的恒功率控制。下面进行详细说明。
功率的闭环控制(1).功率计算由于抽油机系统一个冲程时间远大于电周期时间，为简化软件，这里将一个电周期的平均功率作为抽油机系统的瞬时功率。
瞬时功率的表达式为p＝3UIcos 1其中U为一个电周期的电压有效值。I为一个电周期的电流有效值，cos为功率因数。
硬件电路主要实现电压、电流的信号转换，采用线性霍尔传感器作为检测元件。采集到的电压、电流信号一方面给真有效值芯片进行有效值计算，另一方面给过零比较电路以获得同步信号。将这些信号输入微处理器IC7，由微处理器IC7中的A/D转换模块将模拟电压转化为数字量，再由软件根据式1完成瞬时功率的计算，平均功率的计算采用双重平均值算法，即先计算一个冲程瞬时功率的平均值，再将多个冲程的功率平均值进行平均。
(2).构造人工特性工作曲线先将游梁式抽油机恒功率控制装置工作在变频器状态，即功率环不起作用，相当于一台传统变频器，将0-50赫兹频率范围等分50份，在50个频率点上分别进行长时间工作，并记录各频率点的平均功率，即可获得人工特性曲线。
(3).功率的模糊控制算法针对抽油机系统特点以及要实现的控制功能，采用模糊控制算法，依据采样数据和模糊专家数据库，获得了优良的控制性能。这里将抽油机系统的瞬时功率作为输入变量，某一转速下的平均功率作为给定量，而转速输出信号作为输出变量。算法对瞬时功率进行实时计算，当瞬时功率大于平均功率时，适当减小转速给定，以降低系统功率；当瞬时功率小于平均功率时，适当提高转速给定，一方面补偿因瞬时功率大于平均功率时要降低转速所造成的时间损失，另一方面能够有效减少异步电机产生的再生能量。
(4).功率的闭环控制功率闭环控制单元首先要获得人工工作特性曲线。在系统开始运行后，首先将检测到的电压、电流有效值信号进行A/D转换，再由同步信号获得系统功率因数，根据式1经计算获得瞬时功率。再由转速给定信号查人工工作特性曲线得平均功率，最后由模糊算法得调整后的转速信号，由D/A转换电路转换为模拟量后传送给变频器。
变频器介绍变频器是游梁式抽油机恒功率控制装置的电能转换环节，利用一片DSP芯片采用全数字化方式实现异步电机的变频驱动控制。DSP芯片首先接收由恒功率控制模块发出的转速信号，以VVVF的方式计算为实现SVPWM所需的电压空间矢量幅值及相角，再由SVPWM算法计算各空间电压矢量作用时间，获得IPM智能功率模块的开关信号，最后将开关信号输出给IPM智能功率驱动模块，驱动异步电机运行。
在变频器的直流环节接有能耗制动单元，包括功率模块IGBT和能耗电阻以及电压控制电路。功能实现无需微处理器干预，全部由硬件电路完成。根据直流母线电压的波动判断是否产生再生能量。当直流母线电压大于某一设定的阈值时，开启功率模块，将异步电机回馈的能量由能耗电阻释放掉，而在直流母线电压小于该阈值时，认为是异步电机处于电动状态，无再生能量产生，关闭功率模块。为了防止在设定的阈值附近出现震荡现象而产生高频开关信号损坏功率模块，采用滞环控制方式。
再生能量的处理图2中的负功率即为抽油机带动异步电机旋转时产生的再生能量，而产生负功率的过程属于瞬时功率小于平均功率的过程，由前述可知，在瞬时功率小于平均功率时，装置会自动提升异步电机转速，因此，在补偿因瞬时功率大于平均功率时要降低转速所造成的时间损失的同时，也减小了再生能量，而本装置带有的制动单元能够将产生的再生能量迅速消耗掉，这种处理方式与传统变频器相比，节能达20％左右，节能效果显著。
以下是发明人给出的实施例。
如图4所示，电压检测模块2包括降压电阻R1、线性霍尔传感器、采样电阻RV、射极跟随器IC1A、真有效值计算电路IC2以及过零比较电路IC3A。电网电压经降压电阻R1与线性霍尔传感器输入端相连，线性霍尔传感器输出端与采样电阻RV并联，经射极跟随器IC1A与真有效值计算芯片IC2输入端、过零比较电路IC3A的输入端并联，以获得电压检测信号，进行电压的有效值计算及产生电压的同步信号。真有效值计算电路包括专用真有效值芯片IC2及用于建立采样时间的电容CV。该电路使用非常简单，只需输入电压周期信号，经过一个周期即可实时获得该信号的有效值。过零比较电路由比较器IC3A及电阻RV1、RV2、RV3组成，将电压周期信号通过过零比较即可获得与电压周期信号相同相位的方波信号。
如图5所示，电流检测模块3包括线性霍尔传感器、采样电阻RI、射极跟随器IC4A、真有效值计算电路IC5以及过零比较电路IC6A。电网输入线与线性霍尔传感器输入端串联，线性霍尔传感器输出端与采样电阻RI经射极跟随器IC4A与真有效值计算芯片IC5输入端、过零比较电路IC6A的输入端并联，以获得电流检测信号，进行电流的有效值计算及产生电流的同步信号。真有效值计算电路包括专用真有效值芯片IC5及用于建立采样时间的电容CI。该电路使用非常简单，只需输入电流周期信号，经过一个周期即可实时获得该信号的有效值。过零比较电路由比较器IC6A及电阻RI1、RI2、RI3组成，将电流周期信号通过过零比较电路即可获得与电流周期信号相同相位的方波信号。
图6为恒功率控制模块电路原理图。恒功率控制模块1包括微处理器IC7，译码电路IC9，程序存储器IC10，锁存器IC8、D/A转换电路及晶振X1。D/A转换电路包括D/A转换芯片IC11和运算放大器IC12A。微处理器IC7与程序存储器IC10经锁存器IC8相连，实现数据总线与程序总线的分时复用；晶振X1与微处理器IC7相连，为其提供时钟；译码电路IC9一端与微处理器IC7相连，另一端与程序存储器9相连，还有一端与D/A转换芯片IC11的使能端相连。联接端子J2用于与电压检测模块、电流检测模块的连接，J1用于连接键盘和显示器。J3用于与变频器的信号输入端相连。在按下运行键时，微处理器IC7先接收电压检测信号，并经过A/D转换将其转化为数字量，接着接收电流检测信号，并经过A/D转换将其转化为数字量。电压、电流同步信号分别接到微处理器IC7的两个高速输入口，根据两个信号的跳沿相隔时间计算功率因数，根据式1由软件计算获得瞬时功率，再由模糊控制算法获得此时的转速给定信号，经过D/A转换电路转换为模拟量，传送给变频器驱动异步电机工作。变频器首先接收由恒功率控制模块发出的转速信号，以VVVF的方式计算为实现SVPWM所需的电压空间矢量幅值及相角，再由SVPWM算法计算各空间电压矢量作用时间，获得开关时间信号，最后将开关时间信号输出给IPM智能功率驱动模块，驱动异步电机运行。在变频器的直流环节接有能耗制动单元，包括功率模块IGBT、能耗电阻以及电压控制电路。功能实现无需微处理器干预，全部由硬件电路完成。根据直流母线电压的波动判断是否产生再生能量。当直流母线电压大于某一设定的阈值时，开启功率模块，将异步电机回馈的能量由能耗电阻释放掉，而在直流母线电压小于该阈值时，认为是异步电机处于电动状态，无再生能量产生，关闭功率模块。为了防止在阈值附近出现震荡现象而产生高频开关信号损坏功率模块，采用滞环控制方式。
权利要求1.一种游梁式抽油机恒功率控制装置，其组成包括恒功率控制模块(1)、电压检测模块(2)、电流检测模块(3)、键盘输入模块(4)、显示器(5)、变频器(6)及异步电机(7)；其特征是电压检测模块(2)、电流检测模块(3)的输入端与游梁式抽油机恒功率控制装置输入端相连，输出端与恒功率控制模块(1)的联接端子J2相连，用于输入电压、电流的检测信号；恒功率控制模块(1)与键盘输入模块(4)、显示器(5)通过联接端子J1相连，用于响应相应的按键操作，以及电量显示；恒功率控制模块(1)与变频器(6)的信号输入端相连，将转速信号的数字量转化为模拟量后，传送给变频器，带动异步电机(7)旋转；恒功率控制模块(1)、电压检测模块(2)、电流检测模块(3)、键盘输入模块(4)、显示器(5)与变频器(6)安装在同一箱体内。
2.如权利要求1所涉及的一种游梁式抽油机恒功率控制装置，其特征是电压检测模块(2)包括降压电阻R1、线性霍尔传感器、采样电阻RV、射极跟随器IC1A、真有效值计算电路IC2以及过零比较电路IC3A；电网电压经降压电阻R1与线性霍尔传感器输入端相连，线性霍尔传感器输出端与采样电阻RV并联，经射极跟随器IC1A与真有效值计算芯片IC2输入端、过零比较电路IC3A的输入端并联，以获得电压检测信号，进行电压的有效值计算及产生电压的同步信号。
3.如权利要求1所涉及的一种游梁式抽油机恒功率控制装置，其特征是电流检测模块(3)包括线性霍尔传感器、采样电阻RI、射极跟随器IC4A、真有效值计算电路IC5以及过零比较电路IC6A；电网输入线与线性霍尔传感器输入端串联，线性霍尔传感器输出端与采样电阻RI经射极跟随器IC4A与真有效值计算芯片IC5输入端、过零比较电路IC6A的输入端并联，以获得电流检测信号，进行电流的有效值计算及产生电流的同步信号。
4.如权利要求1所涉及的一种游梁式抽油机恒功率控制装置，其特征是恒功率控制模块(1)包括微处理器IC7，锁存器IC8，程序存储器IC10，译码电路IC9，D/A转换电路IC11，IC12A及晶振X1；微处理器IC7与程序存储器IC10经锁存器IC8相连，实现数据总线与程序总线的分时复用；晶振X1与微处理器IC7相连，为其提供时钟；译码电路IC9一端与微处理器IC7相连，另一端与程序存储器IC10相连，还有一端与D/A转换芯片(IC11)的使能端相连。
5.如权利要求1所涉及的一种游梁式抽油机恒功率控制装置，其特征是在变频器的直流母线正负极并联能耗制动单元以释放再生能量；包括功率模块、能耗电阻以及电压控制电路；功率模块与能耗电阻串联后并联在直流母线上；电压控制电路通过检测直流母线电压，控制功率模块开关。
专利摘要本实用新型涉及一种游梁式抽油机恒功率控制装置。其组成包括恒功率控制模块1、电压检测模块2、电流检测模块3、键盘输入模块4、显示器5、变频器6及异步电机7。针对游梁式抽油机系统目前普遍存在的大马拉小车问题，该装置实现了对抽油机系统进行功率闭环控制，使游梁式抽油机系统运行特性变得柔和，抑制了系统功率波动，减小了电机负载对电网的冲击。通过该装置的应用，在不影响油田产量的前提下降低了游梁式抽油机拖动用电机的选型容量，提高了工作效率，节约了能源。该装置一次性投资少，长期使用经济效益显著，具有性能价格比高的特征。
文档编号H02P27/04GK2819642SQ200520021579
公开日2006年9月20日 申请日期2005年9月7日 优先权日2005年9月7日
发明者孙力, 吴凤江, 高晗璎, 康尔良, 赵克, 王有琨, 刘大为, 严冬 申请人:孙力, 吴凤江