专利名称：直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电传动装置的控制设备，专用于油田抽油机拖动的变频器中。
背景技术：
目前，抽油机为刚性拖动，系统运动独立于负载，使得驴头运动接近刚性的简谐运动，减速器峰值扭矩大，扭矩不均衡程度高，冲击负荷大，整体的动力学性能较差。表现出来的是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，在选择电机额定功率时，需要以满足抽油机最大功率为原则，其结果造成电机运行效率低和极大的能源浪费，增加了系统成本。而现有的抽油机变频调速装置的节能效果又不是十分显著，况且不能实时的跟踪负载功率的变化而改变变频器的输入功率和输出功率即电动机的输入功率，致使上述缺陷一直得不到扭转。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决抽油机拖动电机的负载利用率普遍较低，能源浪费较大的问题，采用了CHMOS高性能16位单片机80C196KC技术来实时检测抽油机变频调速装置变频器的输入功率或输出功率，在线实时调整电机的转速，人为构造出人工抽油机拖动特性曲线，使其尽量向平均功率值趋近，达到功率变化平稳，降低最大功率，提升最小功率，从而可以降低电机的额定功率，提高系统的工作效率的目的。即在功率较大时，适当的降低电机转速；在功率较小时，适当提高电机的转速，一方面使系统具有较高工作效率，另一方面也保证了抽油机的冲程冲次基本不变。这样就会使系统功率的变化趋势变缓，从而实现系统的柔性拖动控制。变频器在正常工况下，会根据电位器的设定，在一定的频率上工作。本装置的检测系统将检测出变频器的输入电压和输入电流或输出电流和输出电压。控制装置根据检出的电压和电流计算出变频器在控制装置启动后的一段时间内的输入或输出平均功率，随后再根据程序的设定，直接控制变频器的给定频率的变化即输入功率或输出功率的变化，使变化的输入功率或输出功率尽量向平均功率值趋近。使抽油机在运行过程中功率变化平稳，降低最大功率，提升最小功率，降低电机额定功率，提高系统的工作效率。显示系统则显示出变频器输入端或输出端的实时电压、电流、功率、变频器的给定频率、频率变化调整的范围。
本实用新型的技术解决方案是这样实现的一种直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，包括变频器，其特征在于还包括检测模块电路、按键模块电路、中央处理模块电路、显示模块电路、输出模块电路和控制量输入模块电路，其中所述的检测模块电路与中央处理模块电路电连接，通过对变频器输入电流和输入电压或输出电流和输出电压的检测，将其信号经有效值转换后送入中央处理单元；按键模块电路与中央处理模块电路电连接，将按钮的命令信号通过光电耦合器送入中央处理单元；中央处理单元通过对程序的读写和信号处理将其结果和显示量加以输出；显示模块电路与中央处理单元电连接，通过驱动电路和显示块来显示电压、电流、功率、频率及其变化范围；输出模块电路接受中央处理单元的结果输出，通过数码转换为模拟信号送入变频器，对其转数进行控制；模拟量输入模块电路有两个输出端，一端连接中央处理单元，一端接输出模块电路，将电位器输出的0～10V模拟量经运算放大电路送入中央处理单元和/或对变频器的基准频率进行控制。
所述的检测模块电路由电流传感器、电压传感器、有效值转换电路和所组成，检测信号经放大和转换后输出电压信号VAD和电流信号1AD，进入中央处理单元。
所述的按键模块电路由按键输入与控制电路和光电耦合器所组成，其中所述的按键包括停机键、运行键、选择键、增加键和减速键，按键命令通过光电耦合器将其送入中央处理单元。
所述的中央处理模块电路由单片机IC1和程序存储器IC3组成，完成程序的读写、各种信号的处理、显示量和各种处理结果的输出。
所述的显示模块电路由专用数码管显示电路和显示块组成，完成对八位LED数码管TOF-5461AH的驱动和显示控制。
所述的输出模块电路由数码转换器、单片多路开关和变频器模拟信号输入端所组成，其中的数码转换器接受中央处理单元输出的模拟信号并将其经多路开关输入至变频器。
所述的控制量输入模块电路由电位器和运算放大器所组成，其中的电位器输出端一支接运算放大器，一支接输出模块电路，将其输出的模拟信号经运算放大器送入中央处理单元和/或经单片多路开关送入变频器模拟量输入端。
与现有技术相比较，本实用新型的优点是显而易见的，主要表现在可以使抽油机系统实现无冲击运行，降低峰值负荷；可以大幅度降低抽油机装机功率；降低抽油机的型号；使电机拖动功率趋于平稳，节能效果显著。柔性拖动与变频拖动和工频拖动运行状况对比，平均单井峰值负荷分别下降6.8％，11.2％；峰值电流分别下降12.7％，30.6％；有功功率分别下降19.9％，22.2％。
图1是电压传感器的线路示意图。
图2是电流传感器的线路示意图。
图3是电压有效值转换电路示意图。
图4是电流有效值转换电路示意图。
图5是按键模块电路示意图。
图6是光电耦合器的电路示意图。
图7是专用数码管显示电路示意图。
图8是数模转换器电路示意图。
图9是电位器输入电路示意图。
图10是单片多路开关电路示意图。
图11是中央处理模块电路示意图。
图12是本实用新型的系统结构框图。
图13是本实用新型控制面板的示意图。
图14是本实用新型的操作程序流程图。
图12是本实用新型的说明书摘要附图。
图中1、电流传感器 2、有效值转换器 3、电压传感器4、有效值转换器 5、按钮输入与控制器 6、光电耦合器 7、程序存储器8、专用数码管显示电路 9、显示块 10、数码转换器 11、单片多路开关12、变频器输入端 13、运算放大器 14、电位器 100、检测模块电路200、按键模块电路 300、中央处理模块电路 400、显示模块电路500、输出模块电路 600、控制量输出模块电路。
具体实施方式
如图1～图14所示，一种直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，包括变频器，其特征在于还包括检测模块电路、按键模块电路、中央处理模块电路、显示模块电路、输出模块电路和控制量输入模块电路，其中所述的检测模块电路是KV50/AP型磁平衡式电压传感器，利用CON4的1，4角接入测量端，测量电压时，被测电压通过电阻R1；R2；R3；R4；R5与传感器连接。输出电流VIN与被测电压成正比。该模块中还包括KT150A型磁平衡式电流传感器，输出电流IIN正比于被测电流。电压传感器输出的电压VIN经LF353运算放大器IC12A进入有效值转换电路AD536，其输出电压VAD则进入单片机80C196KC；电流传感器输出的电流IIN经LF353运算放大器IC12B进入有效值转换电路AD536，其输出电流IAD也进入单片机80C196KC。
所述的按键模块电路由停机键(复位键)CON1、运行键CON2、选择键CON3、增加键CON4、减小键CON5组成。当有按键信号输入时，信号通过光电耦合器进入单片机80C196KC。
所述的显示模块电路接受单片机输出显示的内容，通过3线串行接口传送数据进入八位串行共阴LED数码管动态扫描驱动电路MAX7219，使用3个接口DIN、LCK、LOAD，完成对八位LED数码管TOF-5461AH的显示控制和驱动。
所述的中央处理模块电路包括单片机80C196KC和程序存储器28C64，单片机根据采集的电流量和电压量计算出平均功率，并实时检测瞬时功率，依据程序的设定输出数字量AD0-AD7，数字信号进入数模转换电路DAC0832，将输出的数字量转化成0-10V的模拟量CVDA。
所述的控制量输入模块电路由电位器和运算放大器组成，电位器输出电压值CVIN经两个运放LF353进入单片机80C196KC，电位器的另一输出端接单片多路开关。单片多路开关CD4051是一种单端8通道开关，可由P1.5信号在X1，X2通道中选择一个，使输入和输出X接通。数模转换器DAC0832输出的模拟量CVDA和电位器输出电压量CVIN，根据程序的设定选择输出量。输出的模拟量进入变频器的模拟量输入端子，实现对变频器的转速亦即功率的控制。
权利要求1.一种直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，包括变频器，其特征在于还包括检测模块电路(100)、按键模块电路(200)、中央处理模块电路(300)、显示模块电路(400)、输出模块电路(500)和控制量输入模块电路(600)，其中所述的检测模块电路(100)与中央处理模块电路(300)电连接，通过对变频器输入电压和输入电流或输出电流和输出电压的检测，将其信号经有效值转换后送入中央处理单元；按键模块电路(200)与中央处理模块电路(300)电连接，将按钮的命令信号通过光电耦合器送入中央处理单元；中央处理单元通过对程序的读写和信号处理将其结果和显示量加以输出；显示模块电路(400)与中央处理单元电连接，通过驱动电路和显示块来显示电压、电流、功率、频率及其变化范围；输出模块电路(500)接受中央处理单元的结果输出，通过数码转换为模拟信号送入变频器，对电动机的转数进行控制；模拟量输入模块电路(600)有两个输出端，一端连接中央处理单元，一端接输出模块电路，将电位器输出的0～10V模拟量经运算放大电路送入中央处理单元和/或对变频器的基准频率进行控制。
2.根据权利要求1所述的直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，其特征在于所述的检测模块电路由电流传感器(1)、电压传感器(3)、有效值转换电路(2)和(4)所组成，检测信号经放大和转换后输出电压信号VAD和电流信号IAD，进入中央处理单元。
3.根据权利要求1或2所述的直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，其特征在于所述的按键模块电路由按键输入与控制电路(5)和光电耦合器(6)所组成，其中所述的按键包括停机键、运行键、选择键、增加键和减速键，按键命令通过光电耦合器将其送入中央处理单元。
4.根据权利要求1或2所述的直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，其特征在于所述的中央处理模块电路(300)由单片机IC1和程序存储器IC3组成，完成程序的读写、各种信号的处理、显示量和各种处理结果的输出。
5.根据权利要求1或2所述的直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，其特征在于所述的显示模块电路(400)由专用数码管显示电路(8)和显示块(9)组成，完成对八位LED数码管TOF-5461AH的驱动和显示控制。
6.根据权利要求1或2所述的直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，其特征在于所述的输出模块电路(500)由数码转换器(10)、单片多路开关(11)和变频器模拟信号输入端(12)所组成，其中的数码转换器接受中央处理单元输出的模拟信号并将其经多路开关(11)输入至变频器。
7.根据权利要求1或2所述的直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，其特征在于所述的控制量输入模块电路(600)由电位器(14)和运算放大器(13)所组成，其中的电位器输出端一支接运算放大器，一支接输出模块电路，将其输出的模拟信号经运算放大器送入中央处理单元和/或经单片多路开关送入变频器模拟控制输入端。
专利摘要本实用新型公开了一种直控式抽油机柔性拖动变频调速控制装置，包括变频器，其特征在于还包括检测模块、按键模块、中央处理模块、显示模块、输出模块和控制量输入模块电路，其中所述的检测模块和按键模块电路分别将电流、电压检测信号和按键命令送入中央处理单元；中央处理单元将其结果和显示量加以输出或显示，同时将其转换为模拟信号送入变频器的模拟控制输入端；模拟量输入模块电路有两个输出端，其一连接中央处理单元，另端则接输出模块电路，将电位器输出的0～10V模拟量送入中央处理单元和/或对变频器的基准频率进行控制。中央处理单元依据程序可将其输出的模拟信号和/或电位器输出的模拟信号择一地送入变频器，实现对拖动电机的变频控制。
文档编号H02P27/04GK2845309SQ20052014581
公开日2006年12月6日 申请日期2005年12月13日 优先权日2005年12月13日
发明者孙洪志, 张佳民, 陈军 申请人:盘锦北申智能控制有限公司