CN101645689A - 油田抽油机用电机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种油田抽油机用电机控制系统，包括多台永磁电机、一个三相整流柜、一个超级电容器和多台逆变器；三相整流柜外接三相工频交流电网并输出直流电源，该直流电源的正极端与超级电容器的正极端连接，负极端与超级电容器的负极端连接；超级电容器的正极端分别与各逆变器的正极端连接，负极端分别与各逆变器的负极端连接；各逆变器的三相输出端分别与各电机的三相输入端连接。本发明通过多台永磁电机的直流并网运行，将油田抽油机抽油杆下降位能发电的能量提供给提升电动的永磁电机使用，从而大大提高了整个系统的运行效率。

Description

油田抽油机用电机控制系统

技术领域

本发明涉及油田抽油机，特别涉及一种油田抽油机用电机控制系统。

背景技术

对于低能、低产油田，一般通过注水方式进行压油入井，由抽油机把油从地层中提升上来。因此，电费在这种油田的开采成本中占了相当大的比例。然而，井下油层的情况很复杂：油井有富油井和贫油井之分；油质有稀油和稠油之别；油中还含有砂、蜡、水、气等成份；抽油机油泵磨损后的活塞与衬套之间会产生间隙造成漏失；上述因素都使得抽油机电机的负载在时刻发生着变化。我国大多数油田均采用工频供电的交流感应电机，由于定子频率不可变，使得系统存在启动电流冲击、功率因数和运行效率低等缺点。

游梁式抽油机(俗称“磕头机”)是油田广泛应用的传统抽油设备，通常由普通交流异步电动机直接拖动。其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个冲次内，随着抽油杆的上升/下降，而使电机相应工作在电动/发电状态，即上升过程电机从电网吸收能量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电动机处于发电状态，把机械能量转换成电能回馈到电网。

由于抽油机属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在抽油机工作的一个冲程周期中，会出现电动机处于再生制动工作状态(发电状态)，再生能量反馈到直流母线中间环节。由于电机控制器不能向三相交流电网回馈电能，反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，产生泵生电压。泵生电压过高时将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁，为了保护电容器及功率开关器件的安全，所以传统交流异步电机匹配变频器都设置了直流母线电压过压保护停机功能。

对于抽油机工作中出现的泵生电压现象，传统方法往往采用能耗方法，由分流电阻和开关管组成的泵生电压限制电路或在变频器中增加制动桥臂，利用制动电阻以发热形式进行泵生电压泻放的方法。这种将回馈能量消耗在电阻上的耗能方法对节能十分不利，尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大。对于北方寒冷地区的抽油机，为了在冬季增加原油的流动性和防止结腊，对井口回油管采用中频电加热装置进行电加热，通过变频器与中频电加热装置共用整流电路及直流母线，将电动机回馈到直流母线上的再生能量用于中频加热器，防止了直流母线电压的泵升。

电机电能回馈系统是近几年发展非常迅速的一门技术，该系统运用多台电机及其控制系统的直流母线并网技术，能将电动机在制动或存在位能时，通过控制电动机运行于发电状态将电能回馈给直流电网，并直接供其它作电动运行的电机系统使用，达到节约电能效果。该设备己广泛应用于大楼电梯、建筑用起重机、港口的门吊、塔吊、行车等起重类工具。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决目前的油田抽油机电耗太高的问题，提供一种采用电机电能回馈系统的油田抽油机用电机控制系统。

本发明的技术方案是：一种油田抽油机用电机控制系统，包括多台电机，各电机分别与各抽油机传动相连，其特点是，所述的电机为永磁电机，还包括一个三相整流柜、一个超级电容器和与多台电机配套的多台逆变器；三相整流柜外接三相工频交流电网并输出电压幅值可变的直流电源，该直流电源的正极端与超级电容器的正极端连接，负极端与超级电容器的负极端连接；超级电容器输出直流电源，该直流电源的正极端分别与各逆变器的正极端连接，负极端分别与各逆变器的负极端连接；各逆变器的三相输出端分别与各电机的三相输入端连接；多台永磁电机分别通过与其配套的逆变器进行直流并网，在油田抽油机抽油杆下降时，将抽油杆下降位能转换成电能储存到超级电容器中，在油田抽油机抽油杆提升时，从超级电容器中获取电能产生提升动力。

所述的永磁电机采用矢量控制变频调速。

所述的超级电容器为万法级高效超级电容器。

所述的多台抽油机同时工作时，一部分抽油机的抽油杆处于提升状态，另一部分抽油机的抽油杆处于下降状态，抽油杆处于下降状态的抽油机通过配套的电机控制系统将抽油杆下降位能转换成电能储存到超级电容器中，抽油杆处于提升状态的抽油机通过配套的电机控制系统从超级电容器中获取电能产生提升动力。

本发明的油田抽油机用电机控制系统由于采用了以上技术方案，使其具有以下的优点和特点：

(1)对于同一井场上有多口油井的场所，采用共用直流母线系统方案，即若干台抽油机用电机及其控制系统共用一台整流器，将其直流母线联结在一起，利用各电机及其控制系统的回馈能量不可能在同时发生的原理，将某一台电机及其控制系统的回馈能量作为其它系统的动力，既节约了能量，又限制了泵升电压的上升幅度。同时，由于采用了在直流回路中解决电机回馈电能的并网技术，与工频电网完全隔离，避免了由于大量并网逆变器造成的影响电网质量以及电网安全，系统的控制复杂程度远低于交流并网系统，系统的可靠性和稳定性大大提高。

(2)采用超级电容器进行再生能量储存，电动状态时再释放给电动机做功。近年来由于万法级高效超级电容器的研发成功和大量推广应用，使得这种储能方法成为可能，特别在大容量或者负载惯量大的系统中，可通过在直流母线中并入超级电容器来限制泵升电压。

(3)采用交流永磁电机作为能量转换和执行部件。交流永磁电机与交流异步电机相比较，在运行效率上整个区域高3～5％，从而大大提高了能源利用效率。采用直流并网能量回馈系统，三相交流电网提供的能量为电机及其控制系统的损耗能量。交流永磁电机及其控制系统的峰值效率高达93％以上，效率大于80％的高效区远大于50％，使得整个系统的运行效率大大提高。

附图说明

图1为本发明油田抽油机用电机控制系统的结构示意图；

图2为本发明中的单台永磁电机及其控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明的油田抽油机用电机控制系统，包括多台永磁电机M1、M2、……、Mn，一个三相整流柜1、一个超级电容器2和多台逆变器C1、C2、……、Cn。各台永磁电机分别与各抽油机传动相连并采用矢量控制变频调速。三相整流柜1外接三相工频交流电网并输出电压幅值可变的直流电源，该直流电源的正极端与超级电容器2的正极端连接，负极端与超级电容器2的负极端连接；超级电容器2为万法级高效超级电容器，它输出直流电源，该直流电源的正极端分别与各逆变器的正极端连接，负极端分别与各逆变器的负极端连接；各逆变器的三相输出端分别与各电机的三相输入端连接。系统工作时，三相工频交流电通过三相整流柜1中的整流器、滤波电容器变换为直流电压，该直流电压同时可供多台逆变器，驱动多台永磁电机工作。当某一台永磁电机作电动工作时，电网通过逆变器向永磁电机负载供电；当某一台永磁电机处于制动状态时，逆变器将回馈电能直接反馈至直流电网，供其它电机系统利用，从而形成一个电能循环系统。

本发明采用永磁驱动电机及其控制系统作为其能量变换执行部件。永磁驱动电机采用矢量控制变频调速技术，具有功率密度大、调速范围宽、转矩脉动低等特点，十分适合于油田抽油机的变工况场合，可大大提高运行效率。单台永磁电机及其控制系统的电路连接关系如图2所示。

图2中，P、N分别为连接直流电网的正极端和负极端，Cd为逆变器内置滤波电容，采用多个4700uF/450VDC的铝电解电容并联；三相逆变电路采用三菱公司PM600DSA060 IPM功率模块组成三相桥臂；三相逆变电路输出电压和频率可调的三相交流电，驱动永磁电机运行；位置传感电路用于实时检测永磁电机的转子位置，位置传感器采用型号为旋转变压器；电机三相电流采样电路用于检测永磁无刷电机三相电流，采用LEM公司BLF500-S7型号，电流传感器布置永磁电机三相输入端，电流传感器输出信号首先由二阶低通有源滤波电路进行滤波处理，经偏置电路将电流的交流信号偏置成直流信号，最后送电机控制电路；电压信号检测电路用于检测直流母线电压，电压信号经一阶有源低通滤波电路处理后，送放大电路，然后送电机控制单元；电机控制电路接收转子位置信号、三相电流信号、电压信号，并根据来自CAN总线的控制指令产生六路PWM信号；PWM信号经过驱动电路将驱动信号隔离电路送三相逆变电路功率模块，驱动永磁电机运行。

永磁电机驱动系统既能充分挖掘永磁电机本体的潜力，提高电机运行效率，又能兼顾不同应用场合负载性能的特点，使系统与负载之间获得最佳的匹配，达到整个运行区域内高效率和高性能。引入永磁电机作为调速系统，可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上、下行程的速度，在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失，以获得最大出油量。尤其是采用矢量变频调速既无启动冲击，又可解决选型保守、线路较长等所致的功率因数偏低等问题，获得节能增效的同时又能提高整机寿命。尤其是油泵的寿命，减少机械故障提高可靠性。

本发明采用永磁电机作为驱动电机，有以下优点和特点：

(1)大大提高了功率因数，减小了交流电网供电电流，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损，可省去大量的“增容”开支；

(2)运行矢量控制变频调速控制技术，依照抽油机系统惯性大小，调节抽油机的起动扭矩，合理控制加减速时间，确保起动时不引起过载保护动作。

(3)由于实现启动时转矩平稳控制，对电动机、变速箱、抽油机都避免了过大的机械冲击，延长了设备的使用寿命，减少了停产时间，提高了生产效率；

(4)通过对抽油机曲柄配重块的调整，降低冲击电流至电机额定电流之内，针对永磁驱动电机的转矩、功率等参数，选配适当容量的电机控制器，确保系统长期稳定运行；

(5)可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度，一方面达到节能目的，同时还可以增加原油产量。

本发明采用超级电容器作为能量储存部件。超级电容根据电化学双电平理论研制而成，是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。超级电容器具有功率密度大、充放电时间短、大电流充放电特性好、寿命长以及低温特性优于蓄电池等优点，在电动车辆获得了很好的应用。在超级电容车中，超级电容的作用就相当于普通内燃机汽车中的燃油发动机，是一种能量储存装置。目前在城市市区运行的公交车，以超级电容为唯一能源的电动汽车，一次充电续驶里程可达20公里以上，充电时间12～15分钟。

超级电容器用于油田抽油机用永磁电机节能控制系统中，一方面可作为直流母线电网的滤波电容，另一方面可将永磁电机处于下降位能反馈时的再生制动能量储存起来，待电动状态时再释放给电动机做功。这种电能储存方法对整个系统的节能十分有利，且能量型超级电容器的储能能力十分惊人。某抽油机电动机的平均功率以30kW计算，回馈功率以50％计算为15kW，在一个冲程周期中发电状态为3s，则回馈能量Ed＝45kJ。若采用单体容量为80000F的超级电容器，单体电压等级为1.5V，电压范围为1.1～1.9V，直流电网正常工作电压为600V，则超级电容器的串联个数400，超级电容器组的容量为200F。正常工作时直流母线电压(Us)小于600V，设置保护电压(Usm)为760V，则超级电容器可存储能量为：ΔEs＝1/2C(Usm²-Us²)＝1/2×200×(760²-600²)＝21760kJ，该容量可同时满足存储483套系统的回馈能量需求。因此，在大容量或者负载惯量大的系统中，可通过直流母线并联超级电容器来限制泵升电压。

本发明采用同一个三相整流柜，能够适合于多台永磁电机同时运行，通过控制电机在制动(减速)或系统存在位能时，运行于发电状态，由相应的电机控制器直接反馈至直流电网，并供给其他电机使用；当制动反馈能力不足时，通过整流器由三相交流电网提供补充；直流回路中并联超级电容器，当制动回馈能量过多时，可储存在超级电容器中，大大降低了传统的变频器滤波电容容量不足造成的过压保护现象。该系统是一种典型的二次能量利用和电机能量优化分配的节能系统。

Claims (4)

1.一种油田抽油机用电机控制系统，包括多台电机，各电机分别与各抽油机传动相连，其特征在于：所述的电机为永磁电机，还包括一个三相整流柜、一个超级电容器和与多台电机配套的多台逆变器；三相整流柜外接三相工频交流电网并输出电压幅值可变的直流电源，该直流电源的正极端与超级电容器的正极端连接，负极端与超级电容器的负极端连接；超级电容器输出直流电源，该直流电源的正极端分别与各逆变器的正极端连接，负极端分别与各逆变器的负极端连接；各逆变器的三相输出端分别与各电机的三相输入端连接；多台永磁电机分别通过与其配套的逆变器进行直流并网，在油田抽油机抽油杆下降时，将抽油杆下降位能转换成电能储存到超级电容器中，在油田抽油机抽油杆提升时，从超级电容器中获取电能产生提升动力。

2.根据权利要求1所述的油田抽油机用电机控制系统，其特征在于：所述的永磁电机采用矢量控制变频调速。

3.根据权利要求1所述的油田抽油机用电机控制系统，其特征在于：所述的超级电容器为万法级高效超级电容器。

4.根据权利要求1所述的油田抽油机用电机控制系统，其特征在于：所述的多台抽油机同时工作时，一部分抽油机的抽油杆处于提升状态，另一部分抽油机的抽油杆处于下降状态，抽油杆处于下降状态的抽油机通过配套的电机控制系统将抽油杆下降位能转换成电能储存到超级电容器中，抽油杆处于提升状态的抽油机通过配套的电机控制系统从超级电容器中获取电能产生提升动力。

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