專利名稱：油田抽油機用電機控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及油田抽油機，特別涉及一種油田抽油機用電機控制系統。
背景技術：
對于低能、低產油田， 一般通過注水方式進行壓油入井，由抽油機把油從地 層中提升上來。因此，電費在這種油田的開采成本中占了相當大的比例。然而，井 下油層的情況很復雜油井有富油井和貧油井之分；油質有稀油和稠油之別；油中 還含有砂、蠟、水、氣等成份；抽油機油泵磨損后的活塞與襯套之間會產生間隙造 成漏失；上述因素都使得抽油機電機的負載在時刻發生著變化。我國大多數油田均 采用工頻供電的交流感應電機，由于定子頻率不可變，使得系統存在啟動電流沖擊、 功率因數和運行效率低等缺點。
游梁式抽油機(俗稱"磕頭機")是油田廣泛應用的傳統抽油設備，通常由 普通交流異步電動機直接拖動。其曲柄帶以配重平衡塊帶動抽油桿，驅動井下抽油 泵做固定周期的上下往復運動，把井下的油送到地面。在一個沖次內，隨著抽油桿 的上升/下降，而使電機相應工作在電動/發電狀態，即上升過程電機從電網吸收能 量電動運行；下降過程電機的負載性質為位勢負載，加之井下負壓等使電動機處于 發電狀態，把機械能量轉換成電能回饋到電網。
由于抽油機屬位能性負載，尤其當配重不平衡時，在抽油機工作的一個沖程 周期中，會出現電動機處于再生制動工作狀態(發電狀態)，再生能量反饋到直流 母線中間環節。由于電機控制器不能向三相交流電網回饋電能，反饋到直流母線的 再生能量只能對濾波電容器充電而使直流母線電壓升高，產生泵生電壓。泵生電壓 過高時將會對濾波電容器和功率開關器件構成威脅，為了保護電容器及功率開關器 件的安全，所以傳統交流異步電機匹配變頻器都設置了直流母線電壓過壓保護停機 功能。
對于抽油機工作中出現的泵生電壓現象，傳統方法往往采用能耗方法，由分流電阻和開關管組成的泵生電壓限制電路或在變頻器中增加制動橋臂，利用制動電 阻以發熱形式進行泵生電壓瀉放的方法。這種將回饋能量消耗在電阻上的耗能方法 對節能十分不利，尤其是在大容量或者大慣量拖動系統中，能量的損失較大。對于 北方寒冷地區的抽油機，為了在冬季增加原油的流動性和防止結臘，對井口回油管 采用中頻電加熱裝置進行電加熱，通過變頻器與中頻電加熱裝置共用整流電路及直 流母線，將電動機回饋到直流母線上的再生能量用于中頻加熱器，防止了直流母線 電壓的泵升。
電機電能回饋系統是近幾年發展非常迅速的一門技術，該系統運用多臺電機 及其控制系統的直流母線并網技術，能將電動機在制動或存在位能時，通過控制電 動機運行于發電狀態將電能回饋給直流電網，并直接供其它作電動運行的電機系統 使用，達到節約電能效果。該設備己廣泛應用于大樓電梯、建筑用起重機、港口的 門吊、塔吊、行車等起重類工具。
實用新型內容
本實用新型的目的，就是為了解決目前的油田抽油機電耗太高的問題，提 供一種采用電機電能回饋系統的油田抽油機用電機控制系統。
本實用新型的技術方案是 一種油田抽油機用電機控制系統，包括多臺電 機，各電機分別與各抽油機傳動相連，其特點是，所述的電機為永磁電機，還 包括一個三相整流柜、 一個超級電容器和與多臺電機配套的多臺逆變器；三相 整流柜外接三相工頻交流電網并輸出電壓幅值可變的直流電源，該直流電源的 正極端與超級電容器的正極端連接，負極端與超級電容器的負極端連接；超級 電容器輸出直流電源，該直流電源的正極端分別與各逆變器的正極端連接，負 極端分別與各逆變器的負極端連接；各逆變器的三相輸出端分別與各電機的三 相輸入端連接；多臺永磁電機分別通過與其配套的逆變器進行直流并網，在油 田抽油機抽油桿下降時，將抽油桿下降位能轉換成電能儲存到超級電容器中， 在油田抽油機抽油桿提升時，從超級電容器中獲取電能產生提升動力。
所述的永磁電機采用矢量控制變頻調速。
所述的超級電容器為萬法級高效超級電容器。
所述的多臺抽油機同時工作時， 一部分抽油機的抽油桿處于提升狀態，另一部分抽油機的抽油桿處于下降狀態，抽油桿處于下降狀態的抽油機通過配套 的電機控制系統將抽油桿下降位能轉換成電能儲存到超級電容器中，抽油桿處 于提升狀態的抽油機通過配套的電機控制系統從超級電容器中獲取電能產生 提升動力。
本實用新型的油田抽油機用電機控制系統由于采用了以上技術方案，使其 具有以下的優點和特點
(1) 對于同一井場上有多口油井的場所，采用共用直流母線系統方案， 即若干臺抽油機用電機及其控制系統共用一臺整流器，將其直流母線聯結在一 起，利用各電機及其控制系統的回饋能量不可能在同時發生的原理，將某一臺 電機及其控制系統的回饋能量作為其它系統的動力，既節約了能量，又限制了 泵升電壓的上升幅度。同時，由于采用了在直流回路中解決電機回饋電能的并 網技術，與工頻電網完全隔離，避免了由于大量并網逆變器造成的影響電網質 量以及電網安全，系統的控制復雜程度遠低于交流并網系統，系統的可靠性和 穩定性大大提高。
(2) 采用超級電容器進行再生能量儲存，電動狀態時再釋放給電動機做 功。近年來由于萬法級高效超級電容器的研發成功和大量推廣應用，使得這種 儲能方法成為可能，特別在大容量或者負載慣量大的系統中，可通過在直流母 線中并入超級電容器來限制泵升電壓。
(3) 采用交流永磁電機作為能量轉換和執行部件。交流永磁電機與交流 異步電機相比較，在運行效率上整個區域高3 5%，從而大大提高了能源利用
效率。采用直流并網能量回饋系統，三相交流電網提供的能量為電機及其控制
系統的損耗能量。交流永磁電機及其控制系統的峰值效率高達93%以上，效率 大于80%的高效區遠大于50%，使得整個系統的運行效率大大提高。
圖1為本實用新型油田抽油機用電機控制系統的結構示意圖; 圖2為本實用新型中的單臺永磁電機及其控制系統原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
參見圖1，本實用新型的油田抽油機用電機控制系統，包括多臺永磁電機
Ml、 M2、……、Mn， 一個三相整流柜1、 一個超級電容器2和多臺逆變器C1、 C2、……、Cn。各臺永磁電機分別與各抽油機傳動相連并采用矢量控制變頻調 速。三相整流柜1外接三相工頻交流電網并輸出電壓幅值可變的直流電源，該 直流電源的正極端與超級電容器2的正極端連接，負極端與超級電容器2的負 極端連接；超級電容器2為萬法級高效超級電容器，它輸出直流電源，該直流 電源的正極端分別與各逆變器的正極端連接，負極端分別與各逆變器的負極端 連接；各逆變器的三相輸出端分別與各電機的三相輸入端連接。系統工作時， 三相工頻交流電通過三相整流柜1中的整流器、濾波電容器變換為直流電壓， 該直流電壓同時可供多臺逆變器，驅動多臺永磁電機工作。當某一臺永磁電機 作電動工作時，電網通過逆變器向永磁電機負載供電；當某一臺永磁電機處于 制動狀態時，逆變器將回饋電能直接反饋至直流電網，供其它電機系統利用， 從而形成一個電能循環系統。
本實用新型采用永磁驅動電機及其控制系統作為其能量變換執行部件。永 磁驅動電機采用矢量控制變頻調速技術，具有功率密度大、調速范圍寬、轉矩 脈動低等特點，十分適合于油田抽油機的變工況場合，可大大提高運行效率。 單臺永磁電機及其控制系統的電路連接關系如圖2所示。
圖2中，P、 N分別為連接直流電網的正極端和負極端，Cd為逆變器內置 濾波電容，采用多個4700uF/450VDC的鋁電解電容并聯；三相逆變電路采用三 菱公司PM600DSA060 IPM功率模塊組成三相橋臂；三相逆變電路輸出電壓和 頻率可調的三相交流電，驅動永磁電機運行；位置傳感電路用于實時檢測永磁 電機的轉子位置，位置傳感器采用型號為旋轉變壓器；電機三相電流采樣電路 用于檢測永磁無刷電機三相電流，采用LEM公司BLF500-S7型號，電流傳感 器布置永磁電機三相輸入端，電流傳感器輸出信號首先由二階低通有源濾波電 路進行濾波處理，經偏置電路將電流的交流信號偏置成直流信號，最后送電機 控制電路；電壓信號檢測電路用于檢測直流母線電壓，電壓信號經一階有源低 通濾波電路處理后，送放大電路，然后送電機控制單元；電機控制電路接收轉 子位置信號、三相電流信號、電壓信號，并根據來自CAN總線的控制指令產
6生六路PWM信號；PWM信號經過驅動電路將驅動信號隔離電路送三相逆變電
路功率模塊，驅動永磁電機運行。
永磁電機驅動系統既能充分挖掘永磁電機本體的潛力，提高電機運行效 率，又能兼顧不同應用場合負載性能的特點，使系統與負載之間獲得最佳的匹 配，達到整個運行區域內高效率和高性能。引入永磁電機作為調速系統，可根 據井下狀態調節抽油機沖程頻次及分別調節上、下行程的速度，在提高泵的充 滿系數的同時減少泵的漏失，以獲得最大出油量。尤其是采用矢量變頻調速既 無啟動沖擊，又可解決選型保守、線路較長等所致的功率因數偏低等問題，獲 得節能增效的同時又能提高整機壽命。尤其是油泵的壽命，減少機械故障提高 可靠性。
本實用新型采用永磁電機作為驅動電機，有以下優點和特點
(1) 大大提高了功率因數，減小了交流電網供電電流，從而減輕了電網 及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的"增容"開支；
(2) 運行矢量控制變頻調速控制技術，依照抽油機系統慣性大小，調節
抽油機的起動扭矩，合理控制加減速時間，確保起動時不引起過載保護動作。
(3) 由于實現啟動時轉矩平穩控制，對電動機、變速箱、抽油機都避免 了過大的機械沖擊，延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效 率；
(4) 通過對抽油機曲柄配重塊的調整，降低沖擊電流至電機額定電流之 內，針對永磁驅動電機的轉矩、功率等參數，選配適當容量的電機控制器，確 保系統長期穩定運行；
(5) 可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度， 一方面達到節能 目的，同時還可以增加原油產量。
本實用新型采用超級電容器作為能量儲存部件。超級電容根據電化學雙電 平理論研制而成，是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的物理二次 電源。超級電容器具有功率密度大、充放電時間短、大電流充放電特性好、壽命 長以及低溫特性優于蓄電池等優點，在電動車輛獲得了很好的應用。在超級電容車 中，超級電容的作用就相當于普通內燃機汽車中的燃油發動機，是一種能量儲存裝 置。目前在城市市區運行的公交車，以超級電容為唯一能源的電動汽車， 一次充電續駛里程可達20公里以上，充電時間12 15分鐘。
超級電容器用于油田抽油機用永磁電機節能控制系統中， 一方面可作為直流 母線電網的濾波電容，另一方面可將永磁電機處于下降位能反饋時的再生制動能量 儲存起來，待電動狀態時再釋放給電動機做功。這種電能儲存方法對整個系統的節 能十分有利，且能量型超級電容器的儲能能力十分驚人。某抽油機電動機的平均功 率以30kW計算，回饋功率以50%計算為15kW，在一個沖程周期中發電狀態為 3s，則回饋能量Ed=45kJ。若采用單體容量為80000F的超級電容器，單體電壓等 級為1.5V，電壓范圍為L1 1.9V，直流電網正常工作電壓為600V，則超級電容器 的串聯個數400，超級電容器組的容量為200F。正常工作時直流母線電壓(Us) 小于600V，設置保護電壓(Usm)為760V，則超級電容器可存儲能量為△ Es=l/2C(Usm2—Us2)=l/2x200x(7602—6002)=21760kJ，該容量可同時滿足存儲483 套系統的回饋能量需求。因此，在大容量或者負載慣量大的系統中，可通過直流母 線并聯超級電容器來限制泵升電壓。
本實用新型采用同一個三相整流柜，能夠適合于多臺永磁電機同時運行， 通過控制電機在制動(減速)或系統存在位能時，運行于發電狀態，由相應的 電機控制器直接反饋至直流電網，并供給其他電機使用；當制動反饋能力不足 時，通過整流器由三相交流電網提供補充；直流回路中并聯超級電容器，當制 動回饋能量過多時，可儲存在超級電容器中，大大降低了傳統的變頻器濾波電 容容量不足造成的過壓保護現象。該系統是一種典型的二次能量利用和電機能 量優化分配的節能系統。
權利要求1. 一種油田抽油機用電機控制系統，包括多臺電機，各電機分別與各抽油機傳動相連，其特征在于所述的電機為永磁電機，還包括一個三相整流柜、一個超級電容器和與多臺電機配套的多臺逆變器；三相整流柜外接三相工頻交流電網并輸出電壓幅值可變的直流電源，該直流電源的正極端與超級電容器的正極端連接，負極端與超級電容器的負極端連接；超級電容器輸出直流電源，該直流電源的正極端分別與各逆變器的正極端連接，負極端分別與各逆變器的負極端連接；各逆變器的三相輸出端分別與各電機的三相輸入端連接；多臺永磁電機分別通過與其配套的逆變器進行直流并網，在油田抽油機抽油桿下降時，將抽油桿下降位能轉換成電能儲存到超級電容器中，在油田抽油機抽油桿提升時，從超級電容器中獲取電能產生提升動力。
2. 根據權利要求l所述的油田抽油機用電機控制系統，其特征在于所 述的永磁電機采用矢量控制變頻調速。
3. 根據權利要求l所述的油田抽油機用電機控制系統，其特征在于所 述的超級電容器為萬法級高效超級電容器。
專利摘要一種油田抽油機用電機控制系統，包括多臺永磁電機、一個三相整流柜、一個超級電容器和多臺逆變器；三相整流柜外接三相工頻交流電網并輸出直流電源，該直流電源的正極端與超級電容器的正極端連接，負極端與超級電容器的負極端連接；超級電容器的正極端分別與各逆變器的正極端連接，負極端分別與各逆變器的負極端連接；各逆變器的三相輸出端分別與各電機的三相輸入端連接。本實用新型通過多臺永磁電機的直流并網運行，將油田抽油機抽油桿下降位能發電的能量提供給提升電動的永磁電機使用，從而大大提高了整個系統的運行效率。
文檔編號H02P21/00GK201298820SQ200820151630
公開日2009年8月26日 申請日期2008年8月4日 優先權日2008年8月4日
發明者張舟云, 俊 貢 申請人:上海電驅動有限公司