专利名称：有杆抽油机的一种风电混合驱动方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油开采中的动力驱动方法及其装置，特别涉及有杆抽油机的一种驱动方法及其装置。
背景技术：
我国在石油开采中所投入的游梁式有杆抽油机的数量在10万台以上，其电动机装机总容量在3500MW，年耗电量已逾百亿千瓦/时，而抽油机效率仅为25.96％，因此石油系统是节电重点行业。在现有抽油机节电技术中，采用变频器装置对电动机的拖动系统进行改造是首选方案之一。尽管它具有可显著提高功率因素、减少供电电流、实现软启动、缓解机械冲击和提高生产效率的优点，但是其对冲击电流和再生能量的处理问题一直没有很好解决；而且这种变频装置及其驱动方法仅能以减少电能的消耗为节能手段，不能利用风力等自然资源。根据有关气象资料，我国主要油田均处在风能丰富地区，因此可以充分利用风能资源作为电力资源的补充，驱动抽油机工作。
发明内容
本发明的目的是为有杆抽油机的电机提供一种风、电混合驱动、电能回馈的方法及其装置，可以充分利用采油矿场丰富的风力资源，节约电能、大幅降低采油成本。
为实现以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的有杆抽油机的一种风电混合驱动方法，首先将风力机叶轮产生的风能通过其竖轴传递到超越离合器，然后由超越离合器单向将风能产生的输入功率输入差动齿轮箱的垂直输入轴，由固定于垂直输入轴的输入齿轮与行星架齿轮的啮合进行功率分流或者进行功率合流；所述的功率分流是将输入功率分为通过电机侧齿轮轴进入电机轴的功率流和通过抽油侧齿轮轴进入皮带轮的功率流；所述的功率合流是将输入功率与电机侧齿轮轴进入的电能功率流合并为抽油侧齿轮轴的功率流到皮带轮。
上述方法中，当风能产生的输入功率大于电机的额定功率时，输入功率沿垂直输入轴进入差动齿轮箱，由输入齿轮与行星架齿轮的啮合进行功率分流，一路功率流通过固定在行星架齿轮上的行星轴带动一对行星齿轮与电机侧齿轮的啮合流出电机侧齿轮轴到电机轴，使电机处于发电状态，然后通过与电机电连接的逆变器进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电(电能回馈)；另一路功率流通过行星齿轮与抽油侧齿轮的啮合流出抽油侧齿轮轴到皮带轮，驱动抽油机抽油。当风能产生的输入功率小于电机的额定功率时，用控制器控制逆变器使电机电动，让电机轴产生的电能功率流流入差动齿轮箱电机侧齿轮轴，通过电机侧齿轮啮合行星齿轮，行星齿轮再啮合抽油侧齿轮，流出抽油侧齿轮轴到皮带轮；与此同时，流入差动齿轮箱垂直输入轴的风能输入功率，通过输入齿轮与行星架齿轮的啮合与电能功率流合流为混合功率流，由抽油侧齿轮轴输出给皮带轮，驱动抽油机抽油(风电混合驱动)。
有杆抽油机的一种风电混合驱动装置，包括与抽油机的平衡曲柄由皮带连接的皮带轮、电机，所述的电机与皮带轮之间设置有差动齿轮箱，差动齿轮箱的垂直输入轴由超越离合器与风力机的竖轴固联，差动齿轮箱的抽油侧齿轮轴与皮带轮固联，差动齿轮箱的电机侧齿轮轴与电机轴固联；所述电机与逆变器的一端电连接，逆变器的另一端由馈线连接到输电线，逆变器的控制输入端连接控制器。
上述风电混合驱动装置中，差动齿轮箱包括与垂直输入轴固联的输入齿轮、与输入齿轮啮合的行星架齿轮，行星架齿轮内垂直设置一行星轴，该行星轴上下固联一对行星齿轮，行星齿轮与电机侧齿轮、抽油侧齿轮相互啮合，电机侧齿轮、抽油侧齿轮分别与电机侧齿轮轴、抽油侧齿轮轴固联。超越离合器包括与风力机竖轴固联的星轮、与差动齿轮箱的垂直输入轴固联的外环，星轮和外环之间的楔形空腔内设置有被推杆顶紧的滚柱。
本发明的有益效果是采用一个两自由度的差动齿轮箱，一方面可以方便地输入风能来发电和抽油；另一方面可以通过双向逆变器实现因游梁式抽油机剧烈变动载荷引起对电机的冲击电流进行吸收和能量的回收，这样可以最大限度地提高抽油机的节能效果。本发明的另一个优点是，采用的垂直轴风力机结构简单、成本低、安装方便，因此可以降低设备整体造价。
图1为本发明有杆抽油机的风电混合驱动装置安装示意图。
图2为图1的A-A向视图。
图3是本发明方法原理图。
图4是图1中的差动齿轮箱的结构图。
图5是图1中电机控制部分的结构图。
图6是图1中的超越离合器的结构图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述如图1、图2、图3所示，有杆抽油机的一种风电混合驱动方法，首先将风力机4叶轮1产生的风能通过竖轴2传递到超越离合器6，然后由超越离合器6单向将风能产生的输入功率Pw输入差动齿轮箱7的垂直输入轴18，由固定于垂直输入轴18的输入齿轮19与行星架齿轮17的啮合进行功率分流或者进行功率合流，所述的功率分流是将输入功率Pw分为功率流Pm和Po，功率流Pm通过电机侧齿轮轴16进入电机轴41，功率流Po通过抽油侧齿轮轴15进入皮带轮8；所述的功率合流是将输入功率Pw与功率流Pm合并为功率流Po通过抽油侧齿轮轴15进入皮带轮8。
当风能产生的输入功率Pw大于电机11的额定功率时，输入功率Pw沿垂直输入轴18进入差动齿轮箱7，由输入齿轮19与行星架齿轮17的啮合进行功率分流，一路功率流Pm通过固定在行星架齿轮17上的行星轴53带动行星齿轮20、23与电机侧齿轮21的啮合流出电机侧齿轮轴16到电机轴41，使电机11处于发电状态，然后通过与电机11电连接的逆变器12进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电；另一路功率流Po通过行星齿轮20、23与抽油侧齿轮22的啮合流出抽油侧齿轮轴15到皮带轮8，驱动抽油机10抽油。
当风能产生的输入功率Pw小于电机11的额定功率时，用控制器13控制逆变器12使电机11电动，让电机轴41的功率流Pm流入差动齿轮箱7电机侧齿轮轴16，通过电机侧齿轮21啮合行星齿轮20、23，行星齿轮20、23再啮合抽油侧齿轮22，流出抽油侧齿轮轴15到皮带轮8；与此同时，流入差动齿轮箱7垂直输入轴18的输入功率Pw，通过输入齿轮19与行星架齿轮17的啮合与功率流Pm合流为功率流Po，由抽油侧齿轮轴15输出给皮带轮8，驱动抽油机10抽油。
有杆抽油机的一种风电混合驱动装置，包括与抽油机10的平衡曲柄由皮带9连接的皮带轮8、电机11，电机11与皮带轮8之间设置有差动齿轮箱7，差动齿轮箱7的垂直输入轴18由超越离合器6与风力机4的竖轴2固联，差动齿轮箱7的抽油侧齿轮轴15与皮带轮8由键固联，差动齿轮箱7的电机侧齿轮轴16与电机轴41由联轴器固联；所述电机11与逆变器12的a端电连接，所述逆变器12的b端由馈线14连接到输电线49，逆变器12的控制输入端c连接控制器13。
风力机4采用D型垂直轴驱动方式，包括竖轴2、安装在竖轴2上的具有自动过载保护和迎风功能的叶轮1，竖轴2顶部安装有向心轴承3，并有拉索与地面固联；底部安装有推力轴承5，并通过反向止动的超越离合器6垂直安装在差动齿轮箱7上，该结构只允许竖轴2单向转动。本发明混合驱动装置安装在游梁式抽油机10附近。差动齿轮箱7通过皮带轮8、皮带9与抽油机10的减速器相联后驱动抽油机10的曲柄工作。也可将差动齿轮箱7和减速器做成整体，省掉皮带传动。
如图4所示，差动齿轮箱7包括与垂直输入轴18固联的输入齿轮19、与输入齿轮19啮合的行星架齿轮17，所述的行星架齿轮17内垂直设置一行星轴53，该行星轴53上下固联一对轴线重合的行星齿轮20、23，行星齿轮20、23与电机侧齿轮21、抽油侧齿轮22相互啮合，电机侧齿轮21、抽油侧齿轮22采用相同模数与齿数，并分别与处在同一水平线上的电机侧齿轮轴16、抽油侧齿轮轴15固联。滚动轴承51与52、54与55、56与57分别支撑抽油侧齿轮轴15、电机侧齿轮轴16和垂直输入轴18，并且成对使用。行星齿轮20、23通过行星齿轮轴53安装在行星架齿轮17上。电机侧齿轮21、抽油侧齿轮22分别通过花键与电机侧齿轮轴16、抽油侧齿轮轴15固联。电能Pm通过电机侧齿轮轴16流入或流出(双向)差动齿轮箱7，而机械能Po总是通过抽油侧齿轮轴15输出到皮带轮8。其中输入或输出差动齿轮箱7的电能Pm的大小由输入差动齿轮箱7的风能Pw与输出差速器7的机械能Po决定。
如图5所示，控制系统由逆变器12和控制器13组成，通过控制器13的可编程电路及双向变频逆变器12共同作用来完成电机11的转速和电能Pm的功率流向(即发电和电动两种状态)的控制，从而实现对差动齿轮箱7转速的恒速或变速控制，并可通过电机11实现发电与电动两种工作状态，以降低抽油机的电能消耗。逆变器12为四象限运行的IGBT有源逆变器，由电网侧逆变器25与电机侧逆变器26背靠背安装，其输出端b与电网输电线49相连，输出电压、频率和相位与输电线49一致。该逆变器12具有鉴相、鉴频器和锁相环控制功能。
控制器13包括对称设置的信号采集电路28和40、分别与信号采集电路28、40采集输出信号连接的前级处理电路30和38、由信号线33、37分别与前级处理电路30、38输出连接的DSP数字处理芯片31和36、分别与DSP数字处理芯片31和36输出信号连接的外围扩展控制电路29和39、为各电路模块供电的电源模块32，DSP数字处理芯片31和36之间由串行及并网信号通讯线34与接口电路35连接；信号采集电路28、40的输入端分别与电网侧采样传感器组24、电机侧采样传感器组27信号连接；外围扩展控制电路29和39的控制输出信号分别连接至电网侧逆变器25、电机侧逆变器26的输入端c、d。电机侧采样传感器27可以采集电机11的转速、电流及电压等；电网侧采样传感器24可以采集电网侧逆变器25交流侧电网电压与电流、直流侧电压与电流等。由以上控制系统，可方便实现调整电机的转速和功率Pm的流向。
如图6所示，超越离合器6包括可与风力机4竖轴2固联的星轮42、与差动齿轮箱7的垂直输入轴18固联的外环43，星轮42和外环43之间的楔形空腔内设置有被推杆45顶紧的滚柱44。滚柱44数目一般为3到8个，本实施例用了5个圆柱滚柱。每个滚柱都被弹簧46及推杆45以推力向前推进而处于半楔紧状态。星轮42为主动件且做逆时针转动时，超越离合器6处于接合状态，风力机4的能量通过星轮42传动到差动齿轮箱7，从而驱动抽油机10工作。当星轮42与外环43均作逆时针转动，且星轮42的转速比外环43的慢，则超越离合器6分离，从而保证了风能的单向输入，即由叶轮1→竖轴2→超越离合器6→差动齿轮箱7。通过超越离合器6保证了风能Pw总是通过垂直输入轴18单向输入到差速器7中，超越离合器6的星轮42与风力机4竖轴2下端通过键相联；超越离合器6的外环43与差动齿轮箱7的垂直输入轴18焊接为一个整体。
权利要求
1.有杆抽油机的一种风电混合驱动方法，其特征是，首先将风力机(4)叶轮(1)产生的风能通过竖轴(2)传递到超越离合器(6)，然后由超越离合器(6)单向将风能产生的输入功率(Pw)输入差动齿轮箱(7)的垂直输入轴(18)，由固定于垂直输入轴(18)的输入齿轮(19)与行星架齿轮(17)的啮合进行功率分流或者进行功率合流，所述的功率分流是将输入功率(Pw)分为功率流(Pm)和(Po)，功率流(Pm)通过电机侧齿轮轴(16)进入电机轴(41)，功率流(Po)通过抽油侧齿轮轴(15)进入皮带轮(8)；所述的功率合流是将输入功率(Pw)与功率流(Pm)合并为功率流(Po)通过抽油侧齿轮轴(15)进入皮带轮(8)。
2.根据权利要求1所述的有杆抽油机的一种风电混合驱动方法，其特征是，当风能产生的输入功率(Pw)大于电机(11)的额定功率时，输入功率(Pw)沿垂直输入轴(18)进入差动齿轮箱(7)，由输入齿轮(19)与行星架齿轮(17)的啮合进行功率分流，一路功率流(Pm)通过固定在行星架齿轮(17)上的行星轴(53)带动行星齿轮(20)、(23)与电机侧齿轮(21)的啮合流出电机侧齿轮轴(16)到电机轴(41)，使电机(11)处于发电状态，然后通过与电机(11)电连接的逆变器(12)进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电；另一路功率流(Po)通过行星齿轮(20)、(23)与抽油侧齿轮(22)的啮合流出抽油侧齿轮轴(15)到皮带轮(8)，驱动抽油机(10)抽油。
3.根据权利要求1所述的有杆抽油机的一种风电混合驱动方法，其特征是，当风能产生的输入功率(Pw)小于电机(11)的额定功率时，用控制器(13)控制逆变器(12)使电机(11)电动，让电机轴(41)的功率流(Pm)流入差动齿轮箱(7)电机侧齿轮轴(16)，通过电机侧齿轮(21)啮合行星齿轮(20)、(23)，行星齿轮(20)、(23)再啮合抽油侧齿轮(22)，流出抽油侧齿轮轴(15)到皮带轮(8)；与此同时，流入差动齿轮箱(7)垂直输入轴(10)的输入功率(Pw)，通过输入齿轮(19)与行星架齿轮(17)的啮合与功率流(Pm)合流为功率流(Po)，由抽油侧齿轮轴(15)输出给皮带轮(8)，驱动抽油机(10)抽油。
4.有杆抽油机的一种风电混合驱动装置，包括与抽油机(10)的平衡曲柄由皮带(9)连接的皮带轮(8)、电机(11)，其特征是，所述的电机(11)与皮带轮(8)之间设置有差动齿轮箱(7)，所述的差动齿轮箱(7)的垂直输入轴(18)由超越离合器(6)与风力机(4)的竖轴(2)固联，差动齿轮箱(7)的抽油侧齿轮轴(15)与皮带轮(8)固联，差动齿轮箱(7)的电机侧齿轮轴(16)与电机轴(41)固联；所述电机(11)与逆变器(12)的(a)端电连接，所述逆变器(12)的(b)端由馈线(14)连接到输电线(49)，逆变器(12)的控制输入端(c)、(d)连接控制器(13)。
5.根据权利要求4所述的有杆抽油机的一种风电混合驱动装置，其特征是，所述的差动齿轮箱(7)包括与垂直输入轴(18)固联的输入齿轮(19)、与输入齿轮(19)啮合的行星架齿轮(17)，所述的行星架齿轮(17)内垂直设置一行星轴(53)，该行星轴(53)上下固联一对行星齿轮(20)、(23)，行星齿轮(20)、(23)与电机侧齿轮(21)、抽油侧齿轮(22)相互啮合，电机侧齿轮(21)、抽油侧齿轮(22)分别与电机侧齿轮轴(16)、抽油侧齿轮轴(15)固联。
6.根据权利要求4所述的有杆抽油机的一种风电混合驱动装置，其特征是，所述的超越离合器(6)包括可与风力机(4)竖轴(2)固联的星轮(42)、可与差动齿轮箱(7)的垂直输入轴(18)固联的外环(43)，所述的星轮(42)和外环(43)之间的楔形空腔内设置有被推杆(45)顶紧的滚柱(44)。
全文摘要
本发明公开了有杆抽油机的一种风电混合驱动方法，首先将风力机叶轮产生的风能通过其竖轴传递到超越离合器，然后由超越离合器单向将风能产生的输入功率输入差动齿轮箱的垂直输入轴，由固定于垂直输入轴的输入齿轮与行星架齿轮的啮合进行功率分流或者进行功率合流；所述的功率分流是将输入功率分为通过电机侧齿轮轴进入电机轴的功率流和通过抽油侧齿轮轴进入皮带轮的功率流；所述的功率合流是将输入功率与电机侧齿轮轴进入的电能功率流合并为抽油侧齿轮轴的功率流到皮带轮。
文档编号F04B49/00GK1807888SQ20061004177
公开日2006年7月26日 申请日期2006年2月9日 优先权日2006年2月9日
发明者穆安乐, 刘宏昭 申请人:西安理工大学