CN102606112B - 一种抽油机 - Google Patents

Abstract

一种抽油机，其包括主框架，抽油杆，配重体，设在该主框架顶部的平台，布置在该平台上的电机、多级减速器、复绕轮和通过导向轮支架可枢转地安装在该平台上的导向轮，通过该电机通过该多级减速器与该复绕轮(5)相连接来驱动该复绕轮，其中复绕轮上设有2n个用于配重体牵引绳的第一孔和2n个用于抽油杆悬绳的第二孔，还开设有2m个螺旋槽，螺旋槽、第一孔、第二孔的位置和数目配置成使抽油杆悬绳和/或配重体牵引绳在运行过程能互不干涉地缠绕在螺旋槽中并且它们对复绕的力矩始终反向。这种抽油机具有节能效果显著，结构紧凑并且方便维护的优点。还提供一种适用于本发明的抽油机的控制系统和控制方法。

Description

一种抽油机

技术领域

本发明涉及抽油机领域，尤其涉及一种轮筒式抽油机。

背景技术

非自喷井采油广泛使用游梁式曲柄平衡抽油机。这种类型的抽油机抽油方式已有百年历史，其用电能耗高，工况效率低，机械冲击力强，水泥和钢材用量大。为了降低采油成本，节能降耗减排已成为世界采油业当前如何增效的重大课题。

在中国发明专利申请03102663.X中公开了一种双拖动抽油机，其中支架顶部设有一个或多个上导向轮，并且在支架的底部还设有下导向轮。上导向轮固定安装在支架上，位于支架侧的上导向轮占据了抽油杆上方的空间，因此在进行修井作业时，需要将上导向轮拆走才有可能让出抽油杆上方的空间，这种导向轮的拆卸费时费力。在有些情况下，即使将上导向轮拆走，也很难让出修井所需的空间。因此，在修井时需要将抽油机整机移走。

在申请人于2007年2月14日提交的中国专利申请号200710063926.5中公开了一种抽油机，其具有可分合式导向轮，在需要修井时，通过人力扳动导向轮支架绕平行于抽油杆的轴线转动，而使导向轮离开油杆上方，从而让出修井空间。这种抽油机虽然解决了上述申请中存在的缺点，但需要人力扳动导向轮支架，费时费力。另外，这种抽油机还存在复绕轮体积较大、换向平稳性不够的缺点。

因此，当前对节能效果好、维护方便、运行平稳且结构紧凑的抽油机存在需要。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的不足，提供一种改进的抽油机，其具有采油成本低、节能效果显著、结构紧凑且方便维护的优点。

一种轮筒式抽油机，其包括主框架，抽油杆，配重体，设在主框架顶部的平台，布置在该平台上的电机、减速器、复绕轮和导向轮，该电机通过多级减速器与复绕轮相连接来驱动该复绕轮，其特征是，所述复绕轮的轮周上设有沿平行于该复绕轮的轴线的直线间隔排列的2n个第一孔，n为自然数，其分为左右对称的n个左侧第一孔和n个右侧第一孔，从每个所述第一孔各引出一根配重体牵引绳与配重体上的紧固器相连接构成配重运行牵引系统；复绕轮的轮周上还设有沿平行于该复绕轮的轴线的直线间隔排列的2n个第二孔，其分为左右对称的n个左侧第二孔和n个右侧第二孔，从每个所述第二孔各引出一根抽油杆悬绳经过该导向轮并通过牵引器与该抽油杆相连接构成抽油杆运行牵引系统，其中每个第一孔和每个第二孔沿复绕轮的轴向和周向错开布置；复绕轮还沿其周向开设有2m圈螺旋槽，其中m圈螺旋槽位于该复绕轮的左半部分，另外m圈螺旋槽位于该复绕轮的右半部分，其中位于左半部分和位于右半部分的螺旋槽的旋向相反，m为自然数且m＞n，第一孔和第二孔布置在螺旋槽内，使得在运行过程中抽油杆悬绳和/或配重体牵引绳互不干涉缠绕在螺旋槽中且对所述复绕轮的力矩始终反向。如此设计，使复绕轮具有较小的宽度，并且电机作功仅是改变抽油杆和配重体不断在相互重力场作用下往复改变运行的上、下行方向，并克服轮筒式复绕轮轮周与钢丝绳盘绕表面之间的摩擦力，大大提高了能量利用率。

按照本发明的一个优选方案，2n个第一孔和2n个第二孔沿该复绕轮的周向以夹角120度错开布置。另外，所述抽油杆悬绳和配重体牵引绳在所述螺旋槽中的缠绕圈数取决于抽油机的冲程和复绕轮的直径。例如，当抽油机的冲程为8米时，可以采用n＝2，m＝8，即在复绕轮上开设用于配重体牵引绳的4个第一孔，和用于抽油杆悬绳的4个第二孔，并在复绕轮上开设有16圈螺旋槽，其中复绕轮轮周的左侧8圈螺旋槽，右侧8圈螺旋槽，其中，左侧8圈螺旋槽左旋，右侧8圈螺旋槽右旋。然而，左侧8圈螺旋槽右旋，右侧8圈螺旋槽左旋也落在本发明的范围内。抽油杆悬绳和配重体牵引绳在运行过程中在螺旋槽中的缠绕长度大于抽油机的冲程。有利的是，抽油杆悬绳和配重牵引绳的长度设计成当抽油杆悬绳全绕在所述螺旋槽中时，配重牵引绳全离开螺旋槽。

在上述方案中，从4个第一孔延伸出的4根配重体牵引绳可以由一根母绳如此构成，其中母绳的一端通过可调固定器固定在4个第一孔靠近该复绕轮一端的第一个第一孔处并且该母绳的另一端从该第一个第一孔引出，随后该母绳的另一端经该第一个第一孔相邻的第二个第一孔穿入该复绕轮内并从与该第二个第一孔相邻的第三个第一孔引出，然后再穿入与该第三个第一孔相邻的第四个第一孔并通过可调固定器固定于此处，从而形成4根长度相同的配重体牵引绳。如此配置的配重牵引绳在长时间使用中，可以方便自我调整各牵引绳自身的松紧，母绳都有动滑轮顺绳调节器，具有自我修正调节松弛度的功能。

类似地，从4个第二孔延伸出的4根抽油杆悬绳由一根母绳如此构成，其中母绳的一端通过可调固定器固定在所述4个第二孔中靠近该复绕轮一端的第一个第二孔处并且该母绳的另一端从该第一个第二孔引出，随后该母绳的另一端经该第一个第二孔相邻的第二个第二孔穿入该复绕轮内并从与该第二个第二孔相邻的第三个第二孔引出，然后再穿入与该第三个第二孔相邻的第四个第二孔并通过固定调节器固定于此处，从而形成4根长度相同的抽油杆悬绳。有利的是，在第二个第二孔和第三个第二之间还设有抽油杆悬绳顺绳调节器，由此可以方便地调整抽油杆悬绳的松紧程度。

按照本发明的一个方案，复绕轮在其筒体内部的至少一端，优选在一端嵌有内齿圈，该内齿圈与多级减速器的输出齿轮轴相啮合，而该多级减速器的输入端通过联轴器与电机的输出轴相连接。本发明中的内齿圈和输出齿轮轴之间的内齿啮合传动在刚性、强度、可靠性方面接近传统的游梁式抽油机，改善了传统的外齿传动的力学结构，并且传动系统的工作环境得到改善，并且维护简单。再者，通过将内齿圈在一端嵌入轮筒式复绕轮，不仅减小了设备的体积，转动惯量相应降低，还大大降低了造价。另外，在本发明中采用轮筒式复绕轮，使得电机换向工作控制机械回转能力加强，同时使电机和控制器的综合性能提高，并且做到匹配运行。

另外，在本发明中，和传统的外啮合齿数比1∶1相比，所述内齿圈和所述输出齿轮轴的啮合齿数比明显增加，例如为1∶2.5，这样使得传动系统的传动比更合理。从而使传动的机械力矩增加，并且使传动机构的刚性增加。另外，该多级减速器的输入端通过联轴器与电机的输出轴相连接，在联轴器和该多级减速器的输入端之间配设有失电刹车盘，形成机械传动系统和电力传动系统。

按照本发明的优选方案，在复绕轮筒体内部的两端各装有一组平面涡卷弹簧，这两组平面涡卷弹簧的卷绕方向相反，在抽油机的冲程处于最高点或最低点时，其中仅一组平面涡卷弹簧处于储能状态，所述弹簧的可伸展长度大于抽油杆的冲程。采用如此配置的平面涡卷弹簧，能消除内齿啮合传动中存在打齿现象，并能减小双面齿面磨损，降低电机、复绕轮轮筒的同时机械换向惯量和冲击力的作用，实现机械平滑换向。

根据本发明的进一步的方案，还包括导向轮支架，该导向轮支架一端可枢转地安装在该平台上，另一端悬臂伸出平台外并装有该导向轮，通过复绕轮的转动来驱动该导向轮支架和该导向轮在与该平台所在平面垂直的平面内相对该平台向上枢转。在一个方案中，设有用于需要将抽油杆悬绳与抽油杆断开而向上枢转导向轮时将导向轮支架可松开地连接到复绕轮主体的连接机构，该连接机构包括布置在该导向轮支架上的第一连接部、设置该复绕轮上的第二连接部，和将该第一连接部和该第二连接部可松开地相连的连接绳，在复绕轮转动时由连接绳拉动导向轮支架向上枢转，进而拉动导向轮向上枢转。作为替代方案，上述连接机构包括布置在导向轮支架上连接部，用于在需要向上枢转导向轮时将抽油杆悬绳可松开地固定连接到导向轮支架来取代连接绳，从而在复绕轮转动时由抽油杆悬绳拉动导向轮支架向上枢转，进而拉动所述导向轮向上枢转。如此配置，使得在修井时，将抽油杆顶端换上修井机的作业牵引器后，通过电机驱动复绕轮，而复绕轮又带动导向轮相对平台向上枢转，抽油机的牵引器和抽油杆悬绳在导向轮内槽中一起被后拉上扬垂立，从而便捷地让出修井空间，而不需人工手动操作。

有利的是，本发明中的抽油机还包括靠近抽油杆布置在平台上的导向轮调整定位凸部，其构造成能与设置在导向轮支架上的凹部相配合来固定该导向轮并调整该导向轮相对该平台的仰角。由此一来，在修井完毕后，可以实现导向轮复位下放位置准确。在这里，调整定位凸部是螺纹安装在平台两侧的两个螺栓，所述凹部为设置在导向轮支架两侧的凹槽，通过旋拧螺栓可以调整导向轮的仰角，从而有利于导向轮向上枢转。按照本发明的一个优选方案，所述仰角为6度～12度，通过调整仰角还能起到对导向轮相对井口前、后位置的微调。另外，导向轮调整定位凸部和设置在其下方的凹部的相互配合还能防止导向轮左右偏移，从而提高了结构稳定性。

在本发明中，抽油机的主框架配置成立筒式主框架，其具有立筒腔室和门，用于控制电机的电控柜布置在立筒腔室内，并且配重体以及配重体牵引绳延伸入立筒腔室内。立筒式主框架的高度取决于抽油时抽油杆冲程的长度。立筒式主框架选用的钢材材质厚度应该适度考虑增强井架刚性强度，电控柜置于主框架开门的背面，属室内工况。改善了现有电控柜的野外工况环境，加强了防盗与安全。有利的是，电控柜的控制面板外挂布置在门外平视位置，从而便于操作人员操作。

另外，在本发明中，配重运行牵引系统的配重配置成略小于抽油杆运行牵引系统的重量。当抽油机正常生产工作时所述电机正、反转运行电流差优选在1-2安培之间。

本发明的另一个目的是提供一种用于上述抽油机的控制系统，其可实现换向运行时的机械、电机相互配合的柔性过渡换向，减少对机械机构的冲击力、提高机械、电机和控制器的长期运行强度耐用等级。

因此，本发明提供这样一种用于抽油机的控制系统，其包括设定值通路单元、位置控制单元、速度控制单元、传感器和驱动单元；该设定值通路单元用于输入电机的铭牌参数，该位置控制单元将位置速度指令和来自传感器的反馈脉冲数为偏差计数，位置控制将偏差计数量转换成修正位置的速度指令，由速度控制单元处理后送驱动单元对电机进行驱动，从而实现对抽油杆在泵腔体内空间任意位置的控制，并且该速度控制单元用于分别控制抽油杆的上行速度、下行速度以及冲次；传感器用于电机运行状态闭环反馈给位置控制单元和速度控制单元；其中，该控制系统还包括连接到驱动单元的能量回馈单元，其由鉴相器、鉴频器、锁相环、交流电抗器组成，用于将来自驱动单元的多余电流能量的相位呈180°回馈至电网。

按照本发明的优选方案，速度控制单元包括PID控制器，通过对其中的比例增益、积分增益、速度反馈的滤波时间常数的设定，将速度控制比设定为1∶4000以上，实现零速转矩的伺服控制。

根据本发明的控制系统能对两种不同类型的电机进行控制，如通过控制器的参数设定、切换控制对象(负载)交流感应电机和永磁同步电机，并且均能实现其功率因素和的效果控制。

本发明又一个目的是提供一种用于控制上述抽油机的控制方法，其通过控制永磁同步电机或交流感应电机来实现换向运动时对抽油机的冲次、冲程可精细、精准的调控和多层安全保护。

因此，本发明提供一种用于控制抽油机的方法，其包括以下步骤

a.利用通路单元来选择驱动模式、程序模式、用途选择、自学习；

b.从闭环反馈的传感器获取反馈信号，形成位置指令和速度指令；

c.将上述指令给定值输入驱动单元：驱动单元中电流控制器实现自然解耦及坐标矢量变换；

d.在操控面板触摸屏上完成抽油机的工况运行；

e.控制系统超调、超值限定保护和操控系统所布设的传感器共同形成多层安全保护；

f.通过id＝0控制来保持d轴电流为0；

g.进行最大转矩电流比控制和最大转矩磁链比控制；

h.通过采用弱磁控制，避免电流控制器饱和，拓宽电机调速范围，使电机运行在额定转速以上，还可保持一定的输出功率恒定；

i.进行控制，使逆变器的容量可以得到充分的利用；

j.进行最大效率控制，在任意的转速、转矩下，负载的驱动电流铜损和铁损接近相等，此时电机的效率达到最大，并通过引入能量回馈单元，将多余的电流能量回馈至电网，从而使抽油机整体电控系统的控制效率最大。

在本发明中，还包括控制电机带动抽油杆上下运动的步骤，其中每一上、下冲程经历加速段、匀速段、减速段和零速段，实现抽油杆的下行速度低于上行速度。

本发明还进一步规定，使用交流感应电机作为动力时，速度控制单元的速度控制比在1∶5000以上，使用永磁同步电机作为动力时，速度控制装置的速度控制比在1∶4000以上。电机在正、反向的交换瞬间有0.1秒的切换停顿时间。

上述控制系统及控制方法针对本发明涉及的抽油机工况产生显著节能降耗、提高产能的效果，它与油井地下动态负荷相匹配，并有完善的保护功能；有数据采集和存储记忆功能，工业级联网和短信通信功能，能量回馈功能。以及遥控遥测功能；并能适应油田的工况环境要求，操作简单，智能化程度高。

附图说明

本发明的完整而能实现的内容，包括对本领域技术人员来说是最佳的实施方式，以下结合附图作了更详细的阐述，其中：

图1为根据本发明抽油机的一个实施例的侧视图，示出了处于工作位置和修井位置的导向轮；

图2为图1所示的抽油机在工作位置时的侧视图；

图3为图1所示抽油机的前视图；

图4为布置在复绕轮中的平面涡卷弹簧装置的示意图；

图5示出了抽油杆悬绳全绕在复绕轮上的示意图；

图6示出了配重体牵引绳全绕在复绕轮上的示意图；

图7为图1所示抽油机的工作平台的俯视图；

图8为抽油杆悬绳、配重体牵引绳、导向轮和复绕轮的位置关系示意图；

图9为根据本发明的轮筒式抽油机系统的结构示意图，其中该抽油机系统电机控制系统和机械抽油系统；

图10a示出了感应电机在不受控制的情况下，电机输出轴正、反切换运动的物理曲线；

图10b是在不被控制的情况下，复绕轮的正、反切换运动的物理曲线；

图10c是在不被控制的情况下，变速器输出齿轮轴与复绕轮的筒体的内齿啮合正、反切换运行物理特性曲线；

图11a是复绕轮筒体内部的平面涡卷弹簧的物理特性曲线，其中正反作用力同时产生；

图11b是感应电机、永磁同步电机被控后输出轴正/反切换时的S特性；

图11c是游梁式抽油机的工况曲线；

图12是本发明的控制系统对抽油杆的冲程形成D的上V1、下V2运行控制示意图；

图13是本发明的用于控制抽油机能量回馈单元及控制系统框图。

附图标记一览表

1-抽油杆，2-抽油杆悬绳，3-牵引器，4-导向轮，5-轮筒式复绕轮，6-多级减速器，7-内齿圈，8-顶部支架平台，9-立筒式主框架，10-配重体牵引绳，11-配重体，12-控制柜，13-平面涡卷弹簧，14-电控室门，15-复绕轮支架，16-配重体牵引绳紧固器，17-配重体导轨孔，18-多级减速器输出轴，19-复绕轮轴，20-导向轮支架，21-导向轮轴承，22-导向轮调整定位凸部，23-悬绳导孔，24-抽油杆悬绳固定调节器，25-传感器，26-制动器，27-电机，28-联轴器，29-螺旋槽，30-顶部平台密封罩，31-设定值通路单元，32-位置控制单元，33-速度控制单元，34-驱动单元，35-能量回馈单元，无线通信单元。

具体实施方式

图1至图3示出了本发明抽油机的一个优选实施例。参见图1，本发明中的轮筒式抽油机主要包括立筒式主框架9，抽油杆1，配重体11，设在该主框架顶部的平台8，布置在该平台8上的电机27、多级减速器6、悬臂伸出平台外的导向轮4、和复绕轮5，该电机通过该多级减速器6与该复绕轮5相连接来驱动该复绕轮。在该实施例中，主框架9具有立筒腔室和门14，用于控制电机的控制柜12布置在该立筒腔室内，并且配重体11以及配重体牵引绳16延伸入该立筒腔室内。本领域技术人员应当明白，立筒式主框架9的高度取决于抽油时冲程的长度。立筒式主框架9选用的钢材材质厚度应该适度考虑增强井架刚性强度，控制柜12置于主框架的门14的背面，属室内工况。由此一来，除改善了现有控制柜的野外工况环境外，还加强了防盗与安全。有利的是，控制柜的控制面板外挂布置在门14外操作人员平视位置，从而便于操作控制。

在一个更优选的实施例中，为了降低立筒式主框架9的高度，在该立筒腔室内与配重体相对的下方设有凹坑，使得配重体11在向下运行过程中，能延伸入凹坑内，从而在抽油杆冲程不变的情况下，可以在一定程度上降低立筒式主框架9的高度。

在本发明中，复绕轮如此构造和设置，参见图5和图6，分别示出了抽油杆悬绳全绕在轮筒式复绕轮上和配重体牵引绳全绕在轮筒式复绕轮上的示意图。为了清楚起见，图5中省略了配重牵引绳，而图6中省略了抽油杆悬绳。从图5中还可以看出，在本发明的一个优选实施例中，例如复绕轮的直径D＝1米，冲程为8米时，复绕轮5的轮周上设有2n＝4个沿平行于复绕轮轴线的直线间隔排列的第二孔5b，左右对称地分成位于复绕轮左侧的两个左侧第二孔和位于复绕轮右侧的两个右侧第二孔，从每个第二孔5b各引出一根抽油杆悬绳2，抽油杆悬绳2延伸经过导向轮4并通过牵引器3与抽油杆1相连接构成抽油杆运行牵引系统。从图7中可以看出，轮筒式复绕轮5的轮周上设有2n＝4个沿平行于复绕轮轴线的直线间隔排列的第一孔5a，类似地分成2个左侧第一孔和2个右侧第一孔，从每个第一孔5a各引出一根配重体牵引绳10，配重体牵引绳10与该配重体11上的紧固器16相连接构成配重运行牵引系统。在示出的实施例中，用于配重体牵引绳10的4个第一孔5a比相应的用于抽油杆悬绳2的4个第二孔更靠近轮筒式复绕轮的中间部分。然而，用于抽油杆悬绳2的4个第二孔5b比用于配重体牵引绳10的4个第一孔5a更靠近复绕轮的中间部分也落在本发明的保护范围内。

在上述实施例中，复绕轮5具有沿其周向布置的2m＝16圈螺旋槽29，其中8圈螺旋槽位于该复绕轮5的左半部分并且左旋，而另外8圈螺旋槽位于该复绕轮5的右半部分并且右旋，四个第一孔5a分别布置在16圈螺旋槽中的4圈螺旋槽内，而4个第二孔布置在所述16圈螺旋槽中的另外4圈螺旋槽内。如此设置，使得从所述第一孔5a出来的一组4根配重体牵引绳10和从所述第二孔5b出来的一组4根抽油杆悬绳2在抽油机运行过程中互不干涉地容纳在相应的螺旋槽中。也就是说，一组配重体牵引绳10和一组抽油杆悬绳2共用复绕轮5上的这些螺旋槽29，配重体牵引绳离开螺旋槽时，抽油杆悬绳占据相应的螺旋槽而不会出现相互干涉。如此设计，使得复绕轮的宽度大大减小，从而自身转动惯量大大降低，同时降低了抽油机的结构体积和用料。并且采用多根抽油悬绳和多根配重体牵引绳，大大增强了运行稳定性。当其中一根绳松弛或出现其它故障时，不会影响抽油机系统的正常运行。

参见图8，四个第一孔5a和四个第二孔5b沿该复绕轮周向的夹角设计为110度～145度，优选为120度，如此设计使得在运行过程中，配重体牵引绳10和抽油杆悬绳2的互不干扰并且相对复绕轮5的力矩始终相反。本领域技术人员应当理解，所述第一孔或第二孔的数目为除4之外的偶数也落在本发明的范围内，例如2，6，8等等。上述配置大大提高了抽油杆和配重体的运行稳定性，在其中一根绳出现松弛的情况下，也不影响配重体或抽油杆的运行。

在本发明中，在孔数一定的情况下，螺旋槽的数目和配重牵引绳或抽油杆悬绳要卷绕的圈数有关，而卷绕圈数又取决于复绕轮的直径和冲程。本领域技术人员应当明白，为了使抽油机系统正常运行，配重牵引绳或抽油杆悬绳在复绕轮上的缠绕长度大于抽油机的冲程。在一个方案中，抽油杆悬绳2和配重牵引绳10的长度可以设计成当抽油杆悬绳绕满螺旋槽29中时，所述配重牵引绳10全离开螺旋槽。

在抽油机运行时，例如电机正转时带动轮筒式复绕轮5顺时针转动，四根抽油杆悬绳2盘绕到轮筒复绕轮上，由此拉动抽油杆1向上运动，此时盘绕在轮筒式复绕轮5上的螺旋槽内的配重体牵引绳10因配重体11的重力作用向下运动；在电机反转时，带动轮筒式复绕轮5逆时针转动，配重体牵引绳10盘绕到轮筒式复绕轮5并拉动配重体11上行，而这时盘绕在轮筒式复绕轮5轮周上的悬绳2在抽油杆1的重力和电机27反转的合力作用而向下。

电机27的正转、反转作功仅是改变抽油杆1与配重体11在相互重力场的作用下往复上下运动的上、下行方向，克服轮筒复绕轮5轮周与牵引绳和悬绳的摩擦力等因素，上、下行运动方向中的相互平稳对称均利用各自系统的自重落体产生的重力场势能，往复改变运行方向靠电机27的正、反电动势并利用自然引力作用和机械配重的对称性，在机械传动发明设计上充分利用势能与动能之间的互为转换紧密配合，加之电机数字化控制技术完成了数控技术对抽油机的冲次和冲程的精确度控制，平衡转矩与最大转矩之间的对负载(载荷)需求的转矩跟随控制。平衡转矩是常态工作时的工况，而最大转矩出现在修井时的卸载和装载工作的工况，及井下沙卡时克服沙卡而由电机跟随控制输出的最大转矩。这个转矩为配重体11单边被提起到装载位的1.5倍转矩。此时，配重体11方向向下的重力还未计在内。

在轮筒复绕轮的轮周内分别有配重体牵引钢丝绳紧固孔17和抽油杆牵引钢丝绳固调节器及过渡滑轮。配重体11中间由一根钢丝绳作为固定导向绳11’(参见图2)，两对上、下水平的滑轮浮悬于绳体的表面，作用是配合配重体11的上行、下行“轨迹”，配重体11的上行、下行位置过超，受上、下行程限位开关控制和报警停车。

按照本发明的一个优选实施例，复绕轮的筒体内部的一端嵌有内齿圈7，该内齿圈7与具有第一传动比的多级减速器6的输出齿轮轴18相啮合，形成齿圈和齿轮轴的第二传动比。这种设计，改善了齿轮传动的力学机构和工作环境，使得传统系统不仅结构紧凑，并且和传统的内齿传动相比，造价大大降低。另外，这种内齿传动齿啮合数增加，增大了机械力矩传递并且使齿间的磨损减小，延长了齿轮轴和内齿圈的使用寿命。

参见图7，多级减速器6的输入端与通过联轴器28与电机27的输出轴相连，并且在联轴器28和多级减速器6的输入端之间配设有失电刹车盘26(即制动器)，形成机械传动系统和电力传动系统。在这里，多级减速器6固定放置在立筒框架平台上，而电机27固定在位于平台上的电机支架上，与多级减速器联轴器水平对接锁定。

在抽油机的运行过程中，配重体运行牵引系统(参见图1)与抽油杆运行牵引系统(参见图2)呈自身动平衡态势。为了使多级减速器6和轮筒式复绕轮5的内嵌齿圈的第一传动和第二传动在运行与换向时，有更加平稳运行效果，在轮筒复绕轮5筒体内部的两端分别装有一组平面涡卷弹簧13(参见图4)，在抽油机的冲程处于最高点或最低点时，其中仅一组平面涡卷弹簧13处于储能状态，并且所述弹簧的伸展长度大于抽油杆的冲程。在复绕轮筒体内的两组平面涡卷弹簧反向安装，参见图11a，在电机正向转动时，其中一组弹簧储能，而另一组弹簧释能，从而产生作用与反作用力的力矩，大大改善换向冲击。平面涡卷弹簧的设置有助于辅助电机27平滑换向，机械与电控相配柔性跟随。更加减少电机27频繁换向所产生的电损和机损(联轴器)效果更加节电，同时提高电机27、电控元件、机械部件耐用度等。

在本发明中，有利的是，导向轮4通过导向轮支架20可在与平台8所在平面垂直的平面内相对该平台8向上枢转地安装在该平台8上，并且，该导向轮4通过转动复绕轮5被驱动相对平台8向上枢转。具体来说，在导向轮支架20和复绕轮5的筒体上设有挂环，在修井过程中，断开抽油杆和抽油杆悬绳，需要而向上向后扬起导向轮时，将挂绳分别挂在导向轮支架和复绕轮筒体上，从而将两者可松开地相连接。这种配置使得通过电机27驱动复绕轮5转动，从而通过挂绳拉动导向轮支架20向上枢转，进而使导向轮5能被后拉上扬，从而便捷地让出修井空间，而无需人工拆去导向轮或者移走整机，大大节省了修井的费用和时间。在向上枢转导向轮5的过程中，优选通过点动控制电机驱动复绕轮转动。另外，还优选在平台上设有挡板(未示出)，用于限定导向轮的向上枢转的角度。

另外，按照本发明的优选方案，还参见图2，在平台8的靠近抽油杆的一端还布有导向轮调整定位圆顶螺栓22，在这里该定位圆顶螺栓22是分别安装在平台8两侧，其与导向轮支架20两侧上的凹口或凹槽相配合将导向轮4固定就位，并能防止导向轮支架20左右偏移，增强了结构稳定性。通过旋拧圆顶螺栓，可以调整圆顶螺栓的高度，从而调整导向轮4相对平台8的仰角。将导向轮4布置成相对平台8成一定的仰角，能使导向轮更容易地向上枢转。在本发明中，仰角例如为6度～12度，优选为8～10度，更优选为9度，另外通过调整仰角的大小，还可以调整导向轮与井口的相对位置。

本发明还提供一种用于上述抽油机的控制系统，该系统结构主要具有抽油驱动装置，其用来驱动抽油杆上行、下行的动作；抽油机控制装置，其用来控制所述抽油驱动装置。参见图9，其包括设定值通路单元31、位置控制单元32、速度控制单元33、驱动单元34、能量回馈单元35、无线通信单元36和传感器25。

在本发明中，设定值通路单元31用于对执行电机运行状态，用来对电机铭牌参数设入值的正确默认，选择驱动模式、程序模式、自学习、用途选择；位置控制单元32用来将指令脉冲数与传感器反馈脉冲数进行比较，为偏差计数，位置控制将偏差计数量转换成修正位置的速度指令，由速度控制单元33处理后送驱动单34元进行对电机驱动，其效果为对抽油杆在泵腔体内空间任意位置的控制，即冲程的空间任意位置控制，可理解为原点的位置任意设定，使得油杆运行回位精准，修井后油杆原点位置可在新的聚油区最佳点设定。另外，上述速度控制单元33应用PID控制器，从而速度的设置值就是位置控制单元运算的结果，用来最终对抽油杆上、下行程速度的分别控制及其对冲次(每分钟抽油杆上、下一回为1冲次)的多少控制。

在该系统中，驱动单元34的基本组成部分是一个变频器系统。在图13中示出了根据本发明用于控制抽油机的能量回馈单元及控制系统，该系统的可其实现对图12中示出的抽油机的工况曲线(调S字曲线获取)实时跟随伺服控制，减轻对机械结构的冲击力。对轮筒复绕轮正、反转动惯量处置，提高机械、电机、和控制器的长期运行强度、耐用等级。

另外，根据本发明的控制系统还包括能量回馈单元35，其由鉴相器、鉴频器、锁相环、交流电抗器组成，用于将发电电流的相位呈180°回馈至电网。能量回馈单元的频率、相位、电压与电网一致，能把剩余的能量再利用。解决了现有的游梁式抽油机自发电污染电网的问题。另外，本系统优选具有无线通信单元36，采用工业级中、英文短信收发，用于将采集到信息传送到显示装置。

交流永磁同步电机是典型的机电一体化电机，不但包括自身，还涉及控制系统。另外，本发明采用电机基频的设计、电压的等级设计等都是针对抽油机的实际工况所设计的专用电机。永磁体放置电机转子为内嵌入式。

在发明中，用于抽油机的控制方法主要包括以下步骤：

a.利用通路单元来选择驱动模式、程序模式、用途选择、自学习；

b.从闭环反馈的传感器获取反馈信号，形成位置指令和速度指令；

c.将上述指令给定值输入驱动单元：驱动单元中电流控制器实现自然解耦及坐标矢量变换；

d.在操控面板触摸屏上完成抽油机的工况运行；

e.控制系统超调、超值限定保护和操控系统所布设的传感器共同形成多层安全保护；

f.通过id＝0控制来保持d轴电流为0；

g.进行最大转矩电流比控制和最大转矩磁链比控制；

h.通过采用弱磁控制，避免电流控制器饱和，拓宽电机调速范围，使电机运行在额定转速以上，还可保持一定的输出功率恒定；

i.进行控制，使逆变器的容量可以得到充分的利用；

j.进行最大效率控制，在任意的转速、转矩下，负载的驱动电流铜损和铁损接近相等，此时电机的效率到最大，并通过引入能量回馈单元，将多余的电流能量回馈至电网，从而使抽油机整体电控系统的控制效率最大。

抽油机控制系统的综合数控效果是针对抽油机在生产中实际的工况，即冲次、冲程、换向三大要素实现精细、精确的实时控制，可获取综合效率的最佳效果。

图12为对抽油杆的冲程行程D的上下运行速度V1、V2的控制曲线，其中C1，C3为加速段；E1，E2为匀速段；C2，C4为减速段；Z为零速段；D为冲程及T/m代表一个冲次。首先确认设定最终冲程值9(冲程值可小数点位细分)，再设定上行速度V1和下行速度V2的速度值；下行速度V2慢于上行速度V1，以加长油泵内液量聚集的填充时间，提高产液量。V1、V2的速度可调实际是对电机正、反转速分别设定输出频率与S字特性控制。

本发明关于控制系统对冲程的控制，可以对抽油杆1上、下止点的复位回原点的精确位置控制。冲程的长度可任意调整，个位数后0-9位的细分。前提是在立筒式框架9的高度允许的情况下实施，尽管控制回路在现场已设定锁固冲程的程序。为安全考虑在立筒式框架9上端适当位置，放置了上止点、下止点强制安全行程开关。

关于控制系统对冲次的控制，电机27正、反转为抽油杆上行、下行的一次运行周期(T/m)，每分钟单位时间内运行周期的次数多少即冲次。可通过对电机27每分钟换向的正、反转不同转速控制多少回实现。主要是针对电机27每分钟转换的正转、反转的转速控制。正、反转不同转速决定了控制冲次和抽油杆1上行和下行的速度，控制抽油杆1的下行速度慢于上行速度，这种运动形式提高油泵内腔体的液量充填的时间，以此提高充填率，此种上、下行分速度运行功能是传统式抽油机无法实现的。

此外，控制系统提供了换向柔性的控制。电机27在正、反向的交替换向瞬间，要求控制器控制电机27有0.1s的延迟时间，使多极减速器6(第一传动比)内多组齿轮及复绕轮内嵌齿圈(第二传动比)在正、反的齿间柔性啮合，以防齿轮正、反交替换向长期连续运行在硬连接过程中，因过冲力造成打齿现象，控制装置对电机27的换向柔性控制功能，加之机械平面涡卷弹簧装置在换向时起到作用与反作用力和储能特性、平滑缓冲特征均收到实用效果。

图10a示出了感应电机在不受控制的情况下，电机输出轴正、反切换运动的物理曲线；图10b是在不被控制的情况下，复绕轮的正、反切换运动的物理曲线；图10c是在不被控制的情况下，变速器输出齿轮轴与复绕轮的筒体的内齿啮合正、反切换运行物理特性曲线；图11a是复绕轮筒体内部的平面涡卷弹簧的物理特性曲线，其中正反作用力同时产生；图11b是感应电机、永磁同步电机被控后输出轴正/反切换时的S特性。通过在复绕轮内设置平面涡卷弹簧、平面复绕轮筒体内的内齿圈和变速器输出轴的内啮合传动，以及通过本发明的控制系统对本发明抽油机的控制，最后能够使本发明的轮筒式抽油机获得图11c所示的游梁式抽油机的工况曲线。

综合以上特点和性能说明轮筒式抽油机在生产过程将产生如下有益效果：

1、节电率高：本发明的抽油机结构将原有传统的游梁式抽油机的圆周运动变直线做功使机械传动效率大大提高，无用功的能耗为零，节电率在50-70％之间。

2、减少电网的装机容量和对电网的污染：抽油机的功率因素在0.88--1之间，(执行电机的类型不同，功率因素有所不同)由于无功功率的大幅下降，有效降低了配电路线损耗，提高了变压器的容量和供电品质。在不增加原有电网装机容量的情况下，仅增加输电线路即可即可再增加成倍的抽油机数量。

3、高精度调节配重，省时、省力，最终实效基本消除了电动机因外作用自身产生电动势再生发电的耗损。

4、方便调整配重、冲次、冲程，实行抽油生产的优化管理，收到对优化采油需要自动间歇抽油的效果。间歇抽油的间隔时间可任意设定，由控制管理系统自动完成。这样可以大量减少做多种无用功的耗费，减少泵体磨损次数，增加原有泵体的使用寿命，同时达到节电效果。

5、可任意调节油杆的上、下行的速度，调上行速度快，下行速度慢的结果是，上行加快出液量的速度，下行慢使油泵腔体内充油液的时间加长。再次提高泵效。

6、轮筒抽油机在空间、时间、工况实时处理方面，突显数字技术方面的直观和随意客观的集中控制和管理，优选最佳的抽油提取方案在现场轻松实施。

7、轮筒抽油机的动力系统，可采用两种类型的电机及相应的闭环伺服控制系统。可实现换向运动时的机电柔性过度换相。加速、匀速、减速、零速的控制特性。并做到合理的分配电功率的大小，转矩、速度和位置的编程和管理优化控制。

8、可手持显示示功图，方便直观报出各种故障，以便诊断故障和方便维修。

9、采用工业级GSM中文(英文)短信单元，监控时间形式，即报、巡报、查报监控暂停内容、冲程、冲次、温升、电流、电压、电度表度数、示功图、P值、S值等。

10、采用能量回馈装单元，剩余的能量回馈至电网，前提是控制频率，相位电压与电网一致。

本发明人也尝试过交流感应电机的伺服控制系统和交流永磁同步电机的直接转矩控制系统(DTC)。由磁通和转矩调节器直接输出所需要的电压矢量值，形成永磁同步电机d轴电枢电流为0的控制效果。但直接转矩控制针对定子磁链，不追求励磁电流和转矩电流的精确解耦，好处是加快转矩动态响应，省去坐标变换，算法简单。其结果产生转矩有脉动低速性能不好，精确调速范围小。因此采用本专利所述的控制系统对转子磁链的矢量控制，实现精确解耦。

另专利前述的高性能矢量控制系统可对感应电机和永磁同步电通用使用。控制系统的负载是感应电机时，通过设定值和修改参数，可得到转差频率矢量控制，交流感应电机的转矩主要取决于电动机的转差频率，控制转差频率就可以控制转矩，同时适度增大速度控制比(增益)使矢量控制系统具有电机在零速转矩下运行的功能。前提是速度控制比1∶4000以上，闭环控制。本专利实际采用的是永磁同步伺服系统的控制方法：转矩的控制即：电机的d、q轴数学模型，矢量控制的电流控制方法主要有：id＝0控制，最大转矩控制、弱磁控制、控制、最大效率控制。

虽然上文中已一定程度上详细对本发明的多个实施例进行了描述，应当理解，以上描述是示范性而非限制性的。在不背离本发明的精神或范围的情况下，本领域内的普通技术人员可对公开的实施例做出多种改变。

Claims (15)

1.一种抽油机，其包括主框架(9)，抽油杆(1)，配重体(11)，设在该主框架顶部的平台(8)，布置在该平台(8)上的电机(27)、减速器(6)、导向轮(4)和复绕轮(5)，该电机通过该减速器(6)与该复绕轮(5)相连接来驱动该复绕轮，其特征是，所述复绕轮(5)的轮周上设有沿平行于该复绕轮的轴线的直线间隔排列的2n个第一孔(5a)，其分为左右对称的n个左侧第一孔和n个右侧第一孔，从每个所述第一孔(5a)各引出一根配重体牵引绳(10)与该配重体(11)上的紧固器(16)相连接构成配重运行牵引系统；所述复绕轮(5)的轮周上还设有沿平行于该复绕轮的轴线的直线间隔排列的2n个第二孔(5b)，其分为左右对称的n个左侧第二孔和n个右侧第二孔，从每个所述第二孔(5b)各引出一根抽油杆悬绳(2)经过该导向轮(4)并通过牵引器(3)与该抽油杆(1)相连接构成抽油杆运行牵引系统，其中每个所述第一孔(5a)和每个所述第二孔(5b)沿该复绕轮(5)的轴向和周向错开布置；所述复绕轮(5)还沿其周向开设有2m圈螺旋槽，m为自然数且m﹥n，其中m圈螺旋槽位于该复绕轮(5)的左半部分，另外m圈螺旋槽位于该复绕轮(5)的右半部分，位于左半部分和位于右半部分的螺旋槽的旋向相反，所述第一孔(5a)和所述第二孔(5b)如此间隔布置在相应的螺旋槽内，使得至少一部分螺旋槽在运行过程中供所述抽油杆悬绳(2)和所述配重体牵引绳(10)共用，所述抽油杆悬绳(2)和/或所述配重体牵引绳(10)互不干涉地绕进或绕出所述至少一部分螺旋槽且它们对所述复绕轮的力矩始终反向。

2.根据权利要求1所述的抽油机，其特征是，所述抽油杆悬绳(2)和配重体牵引绳(10)在所述螺旋槽中的缠绕圈数取决于抽油机的冲程和复绕轮的直径，并且所述抽油杆悬绳(2)和配重体牵引绳(10)在所述螺旋槽中的缠绕长度大于抽油机的冲程。

3.根据权利要求2所述的抽油机，其特征是，所述抽油杆悬绳(2)和所述配重牵引绳(10)的长度设计成当抽油杆悬绳(2)绕满所述螺旋槽中时，所述配重牵引绳(10)全离开所述螺旋槽。

4.根据权利要求1所述的抽油机，其特征是，所述第一孔(5a)和所述第二孔(5b)沿该复绕轮的周向以夹角120度错开布置。

5.根据权利要求1所述的抽油机，其特征是，当n＝2，m＝8时，从4个所述第一孔延伸出的4根配重体牵引绳由一根母绳如此构成，其中该母绳的一端通过可调固定器固定在所述4个第一孔(5a)中靠近该复绕轮(5)一端的第一个第一孔处并且该母绳的另一端从该第一个第一孔引出，随后该母绳的另一端经该第一个第一孔相邻的第二个第一孔穿入该复绕轮(5)内并从与该第二个第一孔相邻的第三个第一孔引出，然后再穿入与该第三个第一孔相邻的第四个第一孔并通过可调固定器固定于此处，从而形成4根长度相同的配重体牵引绳(10)。

6.根据权利要求5所述的抽油机，其特征是，从4个第二孔延伸出的4根抽油杆悬绳由一根母绳如此构成，其中该母绳的一端通过可调固定器固定在所述4个第二孔(5b)中靠近该复绕轮(5)一端的第一个第二孔处并且该母绳的另一端从该第一个第二孔引出，随后该母绳的另一端经该第一个第二孔相邻的第二个第二孔穿入该复绕轮(5)内并从与该第二个第二孔相邻的第三个第二孔引出，然后再穿入与该第三个第二孔相邻的第四个第二孔并通过固定调节器(24)固定于此处，从而形成4根长度相同的抽油杆悬绳(10)。

7.根据权利要求1所述的抽油机，其特征是，所述复绕轮(5)在其筒体内部的至少一端嵌有内齿圈(7)，该内齿圈(7)与所述减速器(6)的输出齿轮轴(18)相啮合，而该减速器(6)的输入端通过联轴器(28)与电机(27)的输出轴相连接。

8.根据权利要求7所述的抽油机，其特征是，在该复绕轮(5)筒体内部的两端各装有一组平面涡卷弹簧(13)，这两组平面涡卷弹簧(13)的卷绕方向相反，在抽油机的冲程处于最高点或最低点时，其中仅一组平面涡卷弹簧处于储能状态，所述弹簧的可伸展长度大于抽油杆的冲程。

9.根据权利要求7或8所述的抽油机，其特征是，还包括导向轮支架(20)，该导向轮支架(20)一端可枢转地安装在该平台上，另一端悬臂伸出该平台(8)外并装有该导向轮，通过所述复绕轮(5)的转动来驱动该导向轮支架(20)和该导向轮(4)在与该平台(8)所在平面垂直的平面内相对该平台(8)向上枢转。

10.根据权利要求9所述的抽油机，其特征是，还包括靠近该抽油杆(1)布置在该平台(8)上的导向轮调整定位凸部(22)，其构造成能与设置在导向轮下方的凹部相配合来固定该导向轮(4)并调整该导向轮(8)相对该平台的仰角，该仰角为6度～12度。

11.根据权利要求1所述的抽油机，其特征是，所述主框架(9)配置成立筒式主框架，其具有立筒腔室，门(14)和用于控制电机(27)的电控柜(12)，所述电控柜(12)布置在该门(14)的背面并且该电控柜的控制面板被外挂在门外平视位置，并且所述配重体(11)以及配重体牵引绳(10)延伸入该立筒腔室内。

12.一种用于根据权利要求1至11中任一项所述的抽油机的控制系统，其包括设定值通路单元(31)、位置控制单元(32)、速度控制单元(33)、传感器(25)和驱动单元(34)；该设定值通路单元(31)用于输入电机的铭牌参数，该位置控制单元(31)将位置速度指令和来自传感器(25)的反馈脉冲数为偏差计数，位置控制将偏差计数量转换成修正位置的速度指令，由速度控制单元(33)处理后送驱动单元(34)对电机进行驱动，从而实现对抽油杆在泵腔体内空间任意位置的控制，并且该速度控制单元(33)用于分别控制抽油杆的上行速度、下行速度以及冲次；传感器(25)用于电机运行状态闭环反馈给位置控制单元和速度控制单元；其中，该控制系统还包括连接到驱动单元(34)的能量回馈单元(35)，其由鉴相器、鉴频器、锁相环、交流电抗器组成，用于将来自驱动单元(34)的多余电流能量的相位呈180°回馈至电网。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其特征是，所述速度控制单元(33)包括PID控制器，通过对其中的比例增益、积分增益、速度反馈的滤波时间常数的设定，将速度控制比设定为1：4000以上，实现零速转矩的伺服控制。

14.一种控制根据权利要求1至11中任一项所述的抽油机的方法，其包括以下步骤：

a.利用通路单元来选择驱动模式、程序模式、用途选择、自学习；

b.从闭环反馈的传感器获取反馈信号，形成位置指令和速度指令；

c.将上述指令给定值输入驱动单元：驱动单元中电流控制器实现自然解耦及坐标矢量变换；

d.在操控面板触摸屏上完成抽油机的工况运行；

e.控制系统超调、超值限定保护和操控系统所布设的传感器共同形成多层安全保护；

f.通过id＝0控制来保持d轴电流为0；

g.进行最大转矩电流比控制和最大转矩磁链比控制；

h.通过采用弱磁控制，避免电流控制器饱和，拓宽电机调速范围，使电机运行在额定转速以上，还可保持一定的输出功率恒定；

i.进行控制，使逆变器的容量可以得到充分的利用；

j.进行最大效率控制，在任意的转速、转矩下，负载的驱动电流铜损和铁损接近相等，此时电机的效率到最大，并通过引入能量回馈单元，将多余的电流能量回馈至电网，从而使抽油机整体电控系统的控制效率最大。

15.根据权利要求14所述的控制方法，还包括控制电机带动抽油杆上下运动的步骤，其中每一上、下冲程经历加速段、匀速段、减速段和零速段，实现抽油杆的下行速度低于上行速度。