CN101876239B - 一种抽油机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽油机系统，所述系统包括拖动电机、传动部件、配重和抽油杆，所述拖动电机通过传动部件带动抽油杆上下往复运动，所述抽油机系统还包括控制模块，拖动电机的轴上设有位置检测模块，电机的电源输入侧设有电流传感器，所述控制模块接收所述位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息和电流传感器输出的电机电流信息，对拖动电机实现闭环控制，并且在电机运行过程中判断电机的做功状态，在做负功时关断电机。本发明具有节能、无级调速、可软启动以及过载能力强等优点。

Description

一种抽油机系统

技术领域

本发明涉及一种应于油田的抽油系统，尤其是一种抽油机系统。

背景技术

抽油机，尤其是游梁式抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低。

游梁式抽油机包括电机拖动系统、四连杆机构和驴头，游梁式抽油机工作时，电机通过皮带传动驱动减速器，带动四连杆机构实现驴头上下摆动，由驴头带动抽油杆使井下活塞泵做上下往复运动完成抽油工作。

油田抽油机在工作时，负载变化大，且呈周期性变化。具体来说，抽油机在运行时，位于四连杆机构曲柄上的平衡配重块在不同时刻处于不同的位置，因此，抽油杆的拉力也就不同。由于抽油机上受到的拉力对于电机而言为，其为电机的负载。由于电机负载的变化，电机所需要的转矩也相应地发生变化，并且会出现抽油杆和平衡配重块带动电机转的情况，即由负载来拖动电机，从而电机做负功，处于发电状态。

目前，在抽油机上使用的拖动电机有三相异步电机、永磁同步电机、变频器控制的异步电机等等。三相异步电机在抽油机上应用最多，但是其效率低、过载能力低，能耗高，目前正在逐步被其他节能电机取代。永磁同步电机的效率较高，但是抽油机负载变化大，使转子磁场和定子磁场不同步，永磁同步电机容易退磁。变频器是目前抽油机上使用较多的一种节能方式，变频器控制的异步电机能调节电机转速、降低启动力矩，实现电机软启动，但是异步电机的效率不高，过载能力低，并且变频器工作在20Hz以下频率时，效率更低，因此能耗仍较高。

目前，抽油机上使用的拖动电机在运行过程中都存在做负功即发电的现象，这是由抽油机的负载决定的，目前的电机都无法避免这个现象。对于普通电机，其发出的电回馈到电网，因不能被利用从而对电网产生污染。另外有些电机使用了变频器，通过变频器将电机发出的电通过电阻消耗掉，使这部分电能被浪费掉。专利号为02243532.8、03214443.1、200520090313.7和200720049142.2的专利申请分别介绍了变频器，虽然使用变频器可以调节电机转速、降低启动力矩，实现电机软启动，但是仍然不能解决由于做负功带来的能耗高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种抽油机系统，解决由于电机在运行过程中做负功的问题，从而降低耗能，提高总体效率和过载能力。

为此，本发明提供了一种抽油机系统，包括拖动电机、传动部件、配重和抽油杆，所述拖动电机通过传动部件带动抽油杆上下往复运动，所述抽油机系统还包括控制模块，拖动电机的轴上设有位置检测模块，电机的电源输入侧设有电流传感器，所述控制模块接收所述位置检测模块输出的代表拖动电机轴的旋转位置的信息和电流传感器输出的电机电流信息，对拖动电机实现闭环控制，并且在电机运行过程中判断电机的做功状态，在做负功时关断电机；其中，所述控制模块包括数据处理单元、电机驱动单元；所述位置检测模块为编码器；所述数据处理单元为MCU；所述闭环控制为：编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈；角度指令减去角度反馈，得到角度误差，通过PID控制器对角度进行PID控制，得到速度指令，角度的PID控制叫做位置环，位置环输出的是速度指令，传递给速度环；角度反馈通过微分器得到速度反馈，速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令I_{q_ref}；速度的PID控制叫做速度环；电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械环输出电流指令I_{q_ref}给电流环。

具体地，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机电流信号和位置检测模块输出的电机位置的信息，经过数据处理，输出控制信号给所述的电机驱动单元，所述电机驱动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

另外，所述数据处理单元包括电机运行控制子单元和省电控制子单元，省电控制子单元根据位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息和电流传感器输出的电机电流信号进行计算，判断电机的做功状态，如果做正功，则发指令给电机运行控制子单元，由电机运行控制子单元控制电机驱动单元驱动电机工作；如果做负功，向电机驱动单元发送关断指令，关断电机驱动单元的输出。

所述电机运行控制子单元进一步包括机械环控制子单元、电流环控制子单元和PWM控制信号产生子单元；所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和位置检测模块输出的电机轴的旋转角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号；所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。

此外，所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

本发明实施例的抽油机系统实现了以下优点：

1.节能。控制模块能实时检测和控制电机的转矩和转速，当电机做负功时可以关断电机，让抽油杆和平衡配重块自由运动带动电机转，此时如果电机转速过高，则运行电机，控制电机在最高转速以下；如果电机转速低于设定转速则运行电机，控制电机在设定转速运行。通过这种电机做负功时关断的控制方式，可以减少电机做负功，实现节能。电机采用永磁交流同步电机，电机的效率高，进一步降低能耗，同时伺服控制器能控制电机的转子磁场和定子磁场完全同步，使永磁电机不容易退磁。

2.无级调速。电机转速可以在零至最高速之间任意调节，调速范围十分宽泛，方便调节抽油机冲次。

3.软启动。可任意设定启动过程中的加速度，实现抽油机的软启动，可以有效降低启动过程中的电机电流(即转矩)，使启动过程中电气和机械系统不受任何冲击，实现了大惯量机械负载真正意义上的柔性、平滑启动。

4.过载能力强，一般来说，短时间可以达到三倍过载，在抽油机启动时可以提供大转矩，并与软启动结合，解决以往抽油机电机“大马拉小车”问题，降低抽油机选配电机的功率。

附图说明

图1是抽油机系统结构的示意图；

图2是电机拖动系统控制简图；

图3是电机拖动系统中数据处理单元的控制结构原理图。

图4是另一电机拖动系统中数据处理单元中电机运行控制子单元的结构原理图；

图5是机械环的框图；

图6是只有速度环的情况下的机械环的框图；

图7是电流环的框图；

图8是PWM信号产生模块的框图；

图9是IPM原理图；

图10是抽油机伺服拖动系统省电模式的控制流程图；以及

图11是抽油机伺服拖动系统省电模式电机状态转换图。

具体实施方式

下面参照附图具体说明本发明的实施例。

图1是抽油机系统的结构示意图，图2是电机拖动系统控制简图。如图1所示，抽油机系统包括拖动电机2、传动部件3、配重4(和抽油杆5，拖动电机1通过传动部件2带动抽油杆5上下往复运动。抽油杆5由配重4来平衡。抽油机系统还包括控制模块1，在具体实施时，可以实施为一控制箱的形式，如图1所示。拖动电机的轴上设有位置检测模块，电机的电源输入侧设有电流传感器，该控制模块1接收所述位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息和电流传感器输出的电机电流信息，对拖动电机实现闭环控制，并且在电机运行过程中判断电机的做功状态，在做负功时关断电机。

如图2所示，控制模块包括数据处理单元和电机驱动单元组成，具体来说，所述数据处理单元可以实施为MCU，所述电机驱动单元为IPM模块。MCU接收输入的指令信号、电流传感器采集的拖动电机输入电流信号和位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息，经过数据处理，输出PWM信号给IPM，IPM根据PWM信号输出三相电压给电机，从而实现对电机的精确控制。整个系统是一个闭环的控制系统，控制周期短(一个控制周期只有几十个微秒)，响应快，精度高。

另外，本发明实施例中的数据处理单元包括电机运行控制子单元和省电控制子单元，如图3所示，为电机拖动系统中数据处理单元包括电机运行控制子单元和省电控制子单元的控制结构原理图，省电控制子单元根据位置检测模块输出的代表拖动电机角度的信息和电流传感器输出的电机电流信号进行计算，判断电机的做功状态，如果做正功，则发指令给电机运行控制子单元，由电机运行控制子单元控制电机驱动单元驱动电机工作；如果做负功，向电机驱动单元发送关断指令，如信号EN，关断电机驱动单元(即IPM)的输出。其中，位置检测模块直接输出的是电机的角度信息，因此，通过一同步口接收即可。

电机运行控制子单元包含机械环控制子单元、电流环控制子单元和PWM控制信号产生子单元；

所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号(包括设定指令和省电控制子单元发来的指令)和位置检测模块输出的电机轴的旋转角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；

所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号；

所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。

图4是电机拖动系统中数据处理单元中电机运行控制子单元的结构原理图，此时，控制器中包括用于处理来自于位置检测模块的电压信号的信号处理电路；其他部分与图3相同，因此，在此不再重复说明。

图5是机械环的框图。如图5所示，机械环根据角度指令和编码器的角度反馈，经过控制计算，计算出电流指令，传递给电流环。机械环包含位置环和速度环，位置环输出速度指令，速度环输出电流指令。

角度指令为控制程序设定的指令或者根据设定指令计算出来。编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈。角度指令减去角度反馈，得到角度误差，通过PID控制器对角度进行PID控制，得到速度指令，角度的PID控制叫做位置环，位置环输出的是速度指令，传递给速度环。角度反馈通过微分器得到速度反馈，速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令I_{q_ref}。速度的PID控制叫做速度环。电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械环输出电流指令I_{q_ref}给电流环。

图6是只有速度环的情况下的机械环的框图。在有些情况下，不需对拖动电机进行位置控制，只需要进行速度控制，因此机械环中没有位置环，只有速度环。速度指令为控制程序设定的指令。编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈，角度反馈通过微分器得到速度反馈。速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令I_{q_ref}。速度的PID控制叫做速度环。电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械环输出电流指令I_{q_ref}给电流环。

图7是电流环的框图。电流环根据机械环输出的电流指令和电流传感器的电流反馈，经过控制计算，产生加给PWM信号产生模块的三相电压占空比。

电流传感器可以为3个或者2个。电流传感器为3个时，每一个电流传感器分别检测电机U、V、W三相中一相电流的大小。电流传感器将检测的三相电流信号传递给CPU，CPU经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，从而获得电机的三相电流大小。正常情况下拖动电机的三相电流之和为零，当拖动电机出现某些异常时，如拖动电机漏电，三相电流之和不为零。当电流传感器出现故障或者电流A/D采样故障时，也可能造成CPU获得的三相电流值之和不为零，可以以此作为一个项系统检测依据，出现上述故障时及时报警。

电流传感器为2个时，检测电机U、V、W三相中两相电流的大小。电流传感器将检测的两相电流信号传递给CPU，CPU经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，获得拖动电机的两相电流大小。由于拖动电机的三相电流之和为零，所以根据两相电流大小，可以计算出第三相电流大小。这样只用两个电流传感器就能满足拖动电机系统的需要，降低了成本。

机械输出的电流指令为I_{q_ref}，为q轴的电流指令。电流传感器输出的信号传递给MCU，经过A/D采样，得到电流反馈。如果电流传感器为三个，则直接得到三相电流反馈I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}，如果电流传感器为两个，则得到直接得到两相电流反馈，另一相电流反馈根据三相电流反馈之和为零，计算得到。三相电流反馈I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}经过3-＞2变换，得到d，q轴的电流反馈I_{d_fb}，I_{q_fb}。一般将d轴的电流指令I_{d_ref}控制为0。分别将d，q轴的电流指令减去d，q轴的电流反馈，得到d，q轴的电流误差I_{d_err}和I_{q_err}，通过PID控制器分别对d，q轴电流进行PID控制，得到d，q轴的指令电压U_{d_ref}，U_{q_ref}。指令电压U_{d_ref}，U_{q_ref}经过2-＞3变换，得到三相指令电压，即为三相电压占空比U_{a_占空比}，U_{b_占空比}，U_{c_占空比}。三相占空比为电流环的输出，传递给PWM信号产生模块。

上述3-＞2变换的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\θ}}_e& \cos ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ {-\sin \mathrm{\θ}}_e& -\sin ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$

3-＞2变换将电流传感器反馈的拖动电机三相电流，经过坐标变换，变换为d，q轴电流。式中I_a，I_b，I_c为反馈的三相电流，在电流环框图中对应为I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}。式中I_d，I_q为变换后的d，q轴电流，在电流环框图中对应为I_{d_fb}，I_{q_fb}。式中θ_e为拖动电机的电角度，其中：θ_e＝p×θ_r，p为拖动电机的极对数，θ_r为拖动电机的机械角度，θ_r为控制框图中的角度反馈，通过角度求解算法得到。

2-＞3变换的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}& \\ \cos {\mathrm{\θ}}_e& -\sin {\mathrm{\θ}}_e\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]$

3-＞2变换将d，q轴电压转换为拖动电机的三相电压。式中U_d，U_q为d，q轴电压，在电流环框图中对应为U_{d_ref}，U_{q_ref}。式中U_a，U_b，U_c为计算出来的需加给拖动电机的三相电压，在电流环框图中对应为U_{a_占空比}，U_{b_占空比}，U_{c_占空比}。式中θ_e为拖动电机的电角度。

图8是PWM信号产生模块的框图。PWM信号产生模块根据电流环计算出来的三相电压占空比，以及控制程序设定的控制周期和死区时间，产生六路PWM信号，传递给IPM，控制IPM内部的六个IGBT。控制周期和死区时间是在编写控制程序的时候设定好的，一般在程序运行的过程中不作改变。设置死区的原因是IPM内部同一相上下桥臂IGBT不能同时导通，同时导通则会损坏IGBT，因此必须有一个关断死区，保证同一相上下桥臂IGBT不会同时导通。

图9是IPM原理图。IPM内部有六个功率开关管(IGBT)，六个IGBT可以分为三组，分别对应U、V、W三相，每一相有两个IGBT，分别称之为上、下桥臂。PN之间的电压为控制器的母线电压，输入到控制器的交流电，经过整流、滤波变换为直流电，P、N分别为直流电的正负极。PWM信号产生模块产生的六路PWM信号，分别控制IPM内部的六个IGBT。以U相为例，如果PWM_U为导通信号，则U相上桥臂导通，U相输出的电势为P极电势，如果PWM_U(带上划线的)为导通信号，则U相下桥臂导通，U相输出的电势为N极电势。当PWM_U和PWM_U(带上划线的)都为关断时，电流通过续流二极管流动。当电流流向电机时，电流通过下桥臂的续流二极管从N极流向电机，此时U相电势输出的电势为N极电势；当电流从电机流出时，电流通过上桥臂的续流二极管从电机流向P极，此时U相输出的电势为P极电势。

本发明还提供了一种应用在抽油机上的省电控制方法，其中，在抽油机工作时，检测拖动电机的做功状态，判断电机是否做负功，如果做负功，则停止向拖动电机供电。

图10是抽油机伺服拖动系统省电模式的控制流程图。如图10所示，用在抽油机上的省电控制方法具体包括如下步骤：

步骤S000，控制电机按设定转速匀速运行；

步骤S100，在抽油机工作时，检测拖动电机的做功状态，判断电机是否做负功，如果是，则转向下一步骤，如果不做负功，则转向S000；

步骤S200，关断IPM，停止向电机供电；

步骤S300，检测电机的转速，如果转速过低，则向电机供电，返回步骤S000，控制电机按设定转速匀速运行；

步骤S400，判断转速是否达到最高转速，如果已达到最高转速，则转向下一步骤；

步骤S500，控制电机在该最高转速运行；

步骤S600，判断电机是否做负功，如果做负功，返回步骤S500；如果做正功，则返回步骤S200。

其中，在步骤S100中，检测拖动电机的做功状态的具体步骤如下：首先，通过位于电机轴上的位置检测模块获得电机的转速的大小和方向；

通过位于电机电源输入侧的电流传感器输出的电机电流信号获得电机的转矩；

判断转矩和转速的方向是否一致，如果一致，则做正功，如果不一致，做负功。

其中，电机的转速的大小和方向通过计算连续两次测得的位置差及对应位置的时间间隔得到。

另外，电机的转矩通过如下方法获得，将电流传感器输出的三相电流转换为电机的d轴和q轴电流，将q轴电流乘以矩转系数便得到电机的转矩。

图11是抽油机伺服拖动系统省电模式电机状态转换图。如图11所示，拖动电机共有三种状态：设定转速运行状态、关断状态、最高转速运行状态。在实际的抽油系统中，拖动电机大部分或者全部时间都工作在设定转速运行状态，这和抽油机负载有关。如果负载拖动电机运行，电机做负功，则关断电机，电机的状态转换到关断状态。在关断状态下，如果电机转速低于设定转速，则控制运行电机，转换到设定转速运行状态；如果电机转速高于最高转速，则控制电机运行，转换到最高转速运行状态。在最高转速运行状态下，如果电机做正功，则转换到关断状态。

在本发明中，电机的位置信息通过位置检测模块获得，所述的位置检测模块可以为光电式编码器，也可以为磁电式编码器，对于编码器中感应元件输出信号的处理电路可以位于编码器本身，也可以位于系统的控制模块中。通过编码器精确地采集电机轴的位置信息，可以精确地检测到电机的做功情况。

以上参照附图详细描述了本发明的实施例，然而本发明并不局限于所述实施例，而是在不脱离权利要求书的范围的情况下，可以做出各种变化和改进。

Claims (5)

1.一种抽油机系统，包括拖动电机、传动部件、配重和抽油杆，所述拖动电机通过传动部件带动抽油杆上下往复运动，其特征在于，还包括控制模块，拖动电机的轴上设有位置检测模块，电机的电源输入侧设有电流传感器，所述控制模块接收所述位置检测模块输出的代表拖动电机轴的旋转位置的信息和电流传感器输出的电机电流信息，对拖动电机实现闭环控制，并且在电机运行过程中判断电机的做功状态，在做负功时关断电机；其中，所述控制模块包括数据处理单元、电机驱动单元；所述位置检测模块为编码器；所述数据处理单元为MCU；所述闭环控制为：编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈；角度指令减去角度反馈，得到角度误差，通过PID控制器对角度进行PID控制，得到速度指令，角度的PID控制叫做位置环，位置环输出的是速度指令，传递给速度环；角度反馈通过微分器得到速度反馈，速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令I_{q_ref}；速度的PID控制叫做速度环；电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械环输出电流指令I_{q_ref}给电流环。

2.如权利要求1所述的抽油机系统，其特征在于，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机电流信号和位置检测模块输出的电机位置的信息，经过数据处理，输出控制信号给所述的电机驱动单元，所述电机驱动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

3.如权利要求2所述的抽油机系统，其特征在于，所述数据处理单元包括电机运行控制子单元和省电控制子单元，省电控制子单元根据位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息和电流传感器输出的电机电流信号进行计算，判断电机的做功状态，如果做正功，则发指令给电机运行控制子单元，由电机运行控制子单元控制电机驱动单元驱动电机工作；如果做负功，向电机驱动单元发送关断指令，关断电机驱动单元的输出。

4.如权利要求3所述的抽油机系统，其特征在于，所述电机运行控制子单元进一步包括机械环控制子单元、电流环控制子单元和PWM控制信号产生子单元；

所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和位置检测模块输出的电机轴的旋转角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；

所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号；

所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。

5.如权利要求2所述的抽油机系统，其特征在于，所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。

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