CN103062023A - 智能直线电机采油系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能直线电机采油系统，包括位于地下的直线电机，通过直线电机与柱塞泵连接，所述的直线电机还与控制部分连接。因采用了圆筒形同步直线电机、柱塞式抽油泵及地面高性能的变频控制部分，实现了机电一体，免去了繁琐的减速装置。由于采用了变频控制系统，具有自动升压稳压功能，可避免对电网产生谐波污染，设备可实现远程控制，调整运行参数。当井下油液不足时，可自动降低冲次，从而实现泵腔充满程度高，系统节能达50%以上。另外，在运输，安装和维护方面比较方便快捷，而且占地面积可节省约85%，还免去了抽油杆机构，大大延长了泵检周期，可提高连续工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及属于采油设备，具体说是一种智能直线电机采油系统。可替代传统的采油设备。
背景技术
目前国内应用比较广泛的采油设备主要有油梁式抽油机（磕头机）和离心式潜油泵。传统抽油机普遍存在的缺点是耗能大，效率低。以油梁式抽油机为例，它地面设备重量高达几十吨，体积庞大，需要很大的占地面积，而井内除泵以外还有为数不少的抽油杆，耗费大量的钢材。另外，设备运行可靠性差，特别是抽油杆运行中，非常容易发生偏帮、偏磨现象，因此不仅增加了设备维修费用，同时也影响正常开采量。
离心式潜油泵，虽然不像油梁式抽油机那样笨重，但对油井的现场条件和原油的物理状态要求较高。如对井斜度，原油粘度，含沙量和泵口气液比等指标都在理想的状态下，才能正常运行。通常只适用于大排量、高水分的油井，故适用范围较窄。
发明内容
鉴于上述现状，本发明提供了一种智能直线电机采油系统，可降低能耗及采油成本，尤其适合用于井况较差的低产油井。更重要的是可替代传统的采油设备。
本发明的技术解决方案是通过以下技术措施来实现的。一种智能直线电机采油系统，包括位于地下的直线电机，通过直线电机与柱塞泵连接，所述的直线电机还与控制部分连接。
本发明中，所涉及的柱塞泵，该柱塞泵有一泵壳，其内设有定位套，该定位套一端连接单向阀，另一端通过泵筒与泵壳一端的连接套连接，泵壳另一端接有输油管接头，所述的连接套还与一个带有电机接头的滤油管固定连接，在所述泵筒内安装有推杆，该推杆一端连接有柱塞，推杆另一端连接有动子接头。
本发明中，所涉及的直线电机，该直线电机，包括机壳，其内通过安装的定子端板间隔成多个定子绕组，在所述多个定子绕组中间穿入一个动子铁心，该动子铁心与各定子端板之间的滑动轴承安装连接，所述的动子铁心一端与抽油泵的电机接头连接，动子铁心另一端连接一个轴伸。
本发明中，所涉及的控制部分，包括：依次连接的主接触器、预充电电阻、三相电抗器、可控整流器、逆变器，该逆变器和直线电机连接，在所述预充电电阻的两端并联有辅接触器，及可控整流器与逆变器之间设有电解电容，通过主接触器与三相交流电源连接；和
具有电网电压检测、输入电流检测、直流母线电压检测、直流电流检测的输出端均与控制系统中的采样模块相连，控制系统的整流触发脉冲和逆变触发脉冲均通过光纤或双绞线分别与所对应的全控型功率器件的控制端连接；和
由可控整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，整个控制系统根据直线电机负载的运行特性具有间歇性运行规律，可控整流器利用逆变器侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，同时可控整流器利用逆变器侧电机的运行规律，实现可控整流器和逆变器停止运行期间不消耗电能的间歇性运行。
本发明中，用于驱动直线电机的功率电路中的可控整流器和逆变器在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；可控整流器和逆变器中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在可控整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。
本发明中，用于驱动直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测放在主接触器的二次侧或一次侧，输入电流检测串联在电抗器的输入线路中，直流母线电压检测并联在电解电容两端，直流电流检测串联在可控整流器的正极输出线路中。
本发明的控制方法，可控整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，根据电机的运行特性具有间歇性运行规律，该控制系统中包括可控整流器的直流母线电压控制环节，有功电流和无功电流控制环节，功率前馈环节，可控整流器和逆变器的联合控制环节，给定间歇运行规律环节；其中直流母线电压控制环节将母线电压给定值与反馈值做差送入PI调节器G1(s)，调节器输出有功电流给定值，加上功率前馈环节的计算值得到整流器的最终有功电流给定值，然后将整流器实际输入电流的有功分量和无功分量分别与有功电流给定值和无功电流给定值进行比较，其差值分别送入PI调节器G2(s)得到整流器的参考电压给定值，再利用网侧电压前馈得到最终的调制波电压给定值，最后将其送入PWM脉冲发生器控制整流器按指令可靠运行；根据直线电机负载的特殊工作特性，提前设定好电机的不同间歇运行规律和给定运行频率，逆变器控制算法根据这些设定值生成控制指令，然后PWM脉冲发生器根据控制指令产生需要的触发脉冲，驱动逆变器侧的功率开关器件动作，控制直线电机的周期往复动作。
本发明中，可控整流器和逆变器的联合运行控制包括，可控整流器利用逆变侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，可控整流器的PWM脉冲发生环节受逆变器的间歇运行规律控制，同时可控整流器的有功电流给定值其中一部分是由逆变器的功率前馈得到。当可控整流器和逆变器停止运行期间不消耗电能，因此该发明变频器系统更加节能。
总之，本发明具有的积极效果是：因采用了圆筒形同步直线电机、柱塞式抽油泵及地面高性能的变频控制部分，实现了机电一体，免去了繁琐的减速装置，故在工作时，大幅降低了无功损耗，同时也节省了大量设备的维修时间和费用；本发明还具有体积小、重量轻，与游梁式抽油机相比，相差几十分之一。因此在运输，安装和维护方面比较方便快捷。而且占地面积可节省约85%；另外，也免去了抽油杆机构，大大延长了泵检周期，可提高连续工作时间；此外，由于采用了变频控制系统，具有自动升压稳压功能，可避免对电网产生谐波污染，设备可实现远程控制，调整运行参数。当井下油液不足时，可自动降低冲次，从而实现泵腔充满程度高，系统节能达50%以上。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是图1直线电机示意图；
图3是图1柱塞泵示意图；
图4是图1的控制部分电路原理图；
图5是图4的系统控制原理图；
图6是图5的运行规律图。
具体实施方式
下面将结合附图实施例，对本发明作进一步说明。
见图1所示的智能直线电机采油系统，包括直线电机2，该直线电机2一端安装一个扶正器1，直线电机2另一端连接有柱塞泵3，通过柱塞泵3与输油管5与井口油管8连接。本实施例的直线电机2、柱塞泵3和输油管5均安装在井下的井管4内，直线电机2的电缆7引出后与地面上的控制部分6连接，通过控制部分6与电源连接。
见图2给出了直线电机的结构。本实施例的直线电机2，包括机壳14，其内通过安装的定子端板11间隔成多个定子绕组12，在所述多个定子绕组12中间穿入一个动子铁心13，该动子铁心13与各定子端板11之间的滑动轴承10安装连接，该滑动轴承10安装在机壳14内的轴承座9上，所述的动子铁心13一端与抽油泵的电机接头17连接，动子铁心13另一端连接一个轴伸16。
上述中，动子铁心13是由高性能的永磁材料制成环形铁芯。当外部电源接通，通过变频控制系统实现可变的频率和方向，使定子定子绕组12产生周期交变的行波磁场相互作用，形成动子铁心13的直线往复运动。
见图3给出了柱塞泵3的结构。本实施例的柱塞泵3包括泵壳26，该泵壳26内设有定位套24，该定位套24一端连接单向阀25，另一端通过泵筒22与泵壳26一端的连接套20连接，泵壳26另一端接有输油管接头27，所述的连接套20还与一个带有电机接头17的滤油管18固定连接，在所述泵筒22内安装有推杆21，该推杆21一端连接有柱塞23，该推杆21另一端连接有动子接头19。
上述中，当柱塞泵3上行时，靠油液推力打开单向阀，油液通过单向阀上升至输油管，上行冲刺结束后，柱塞开始下行，在复位弹簧的作用下，单向阀封闭，泵腔开始冲液，柱塞运行至最下端，再开始进行下一冲程，周而复始，实现对原油的吸送过程，经油管不断输送到地面。
见图4给出了控制部分的电路原理图。包括功率电路的三相交流电源28，及与三相交流电源28连接的主接触器29，通过主接触器29与预充电电阻30输入端相连接，辅接触器31并联在预充电电阻30两端，预充电电阻30输出端与三相电抗器32输入端相连接，三相电抗器32输出端与整流器33相连接，整流器33的输出端并联电解电容34，给变频装置提供需要的直流电源。电解电容34的输出端和逆变器35的输入端相连接，逆变器35输出端与永磁同步直线电机2相连接构成的功率电路。本实施例中，还包括电网电压检测36、输入电流检测37、直流母线电压检测38、直流电流检测39，所述的电网电压检测36、输入电流检测37、直流母线电压检测38、直流电流检测39的输出端均与控制系统40的采样模块41相连。控制系统40的整流触发脉冲42和逆变触发脉冲43均通过光纤或双绞线连接到全控型器件的控制端上。
本实施例中，用于驱动永磁同步直线电机的功率电路中的整流器33和逆变器35在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；可控整流器33和逆变器35中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。
本实施例中，用于驱动永磁同步直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测36放在主接触器29的二次侧或一次侧，输入电流检测37串联在电抗器32的输入线路中，直流母线电压检测38并联在电解电容34两端，直流电流检测39串联在整流器33的正极输出线路中。
本实施例中的电解电容34还可以是多个电解电容的串并联组合，每个电解电容34上均并联有静态均压电阻。在本实施例中整流器33和逆变器35都由全控型器件(如IGBT)加反并联二极管组成的桥式电路结构。
如图5给出了系统控制原理图，本实施例的控制系统40，是将整流器33和逆变器35统一起来协调控制，整个控制系统根据永磁同步直线电机的运行特性具有间歇性运行规律。
所述的控制系统包括整流器33的直流母线电压控制环节44，有功电流和无功电流控制环节45，功率前馈控制环节46，以及可控整流器33和逆变器35的联合运行控制环节47。
本实施例中，直流母线电压控制环节44将母线电压给定值Udcr与反馈值Udc做差送入PI调节器G1(s)，调节器输出有功电流给定值ird，加上功率前馈环节给定值ifd得到整流器33的最终有功电流给定值(ird+ifd)，然后将整流器33实际输入电流的有功分量isd和无功分量isq分别与有功电流给定值(ird+ifd)和无功电流给定值irq进行比较，其差值送入PI调节器G2(s)得到整流器33的参考电压给定值Urd和Urq，再利用网侧电压前馈值Usd和Usq得到最终的调制波电压给定值Urefd和Urefq，最后将其送入PWM脉冲发生器得到整流器触发脉冲42，控制整流器33按指令可靠运行，达到稳定直流母线电压和保证输入电流单位功率因数的目的。整流器33利用功率前馈环节提高直流母线电压的可控性能，利用逆变器35的给定运行规律控制可控整流器33的启停时刻达到间歇运行目的。
本实施例的逆变器35的控制指令主要包括，永磁同步直线电机的给定运行规律和运行频率。根据运行规律和运行频率逆变器的PWM脉冲发生器就能产生需要的逆变器触发脉冲43，控制永磁同步直线电机按指令运行。同时将逆变器的间歇运行规律传递给整流器33达到系统协调运行目的。
本发明的整流器和逆变器的联合运行控制方法，可控整流器利用逆变侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，整流器的PWM脉冲发生环节受逆变器的间歇运行规律控制，同时可控整流器的有功电流给定值其中一部分是由逆变器的功率前馈得到。
本发明的逆变器的控制方法，根据永磁同步直线电机负载的特殊工作特性，提前预预设定好永磁同步直线电机的不同间歇运行规律和运行频率，然后逆变器侧的PWM脉冲发生器利用这些设定值产生需要的触发脉冲43，驱动逆变器侧的功率开关器件动作，从而控制直线电机的间歇运行。
如图6给出了运行规律环节48的逆变器和可控整流器的运行规律图。根据给定间歇运行规律确定逆变器的运行时间(t3-t2)和停止时间(t6-t3)，可控整流器利用这一时间信息，它将在t1时刻就启动，先于逆变器的启动时刻t2；同时可控整流器将在t4时刻停止运行，滞后于逆变器的停止运行时刻t3，从而确保逆变器运行前及整个运行过程中可控整流器已经建立起直流母线电压，也达到了根据电机运行特性整个系统具备间歇运行的目的。其中t1- t2- t3- t4- t5为一个运行周期, t5- t6- t7- t8- t9- t10为下一个运行周期，运行特性相同。在可控整流器和逆变器停止运行期间，整个变频器装置不消耗电能，因此相对于传统变频器，本发明变频器具有更加节能的特点。
Claims (8)
1.一种智能直线电机采油系统，其特征是，包括位于地下的直线电机（2），通过直线电机（2）与柱塞泵（3）连接，所述的直线电机（2）还与控制部分（6）连接。
2.根据权利要求1所述的智能直线电机采油系统，其特征是，所述的柱塞泵（3）有一泵壳（26），其内设有定位套（24），该定位套（24）一端连接单向阀（25），另一端通过泵筒（22）与泵壳（26）一端的连接套（20）连接，泵壳（26）另一端接有输油管接头（27），所述的连接套（20）还与一个带有电机接头（17）的滤油管（18）固定连接，在所述泵筒（22）内安装有推杆（21），该推杆（21）一端连接有柱塞（23），推杆（21）另一端连接有动子接头（19）。
3. 根据权利要求1所述的智能直线电机采油系统，其特征是，所述的直线电机（2），包括机壳（14），其内通过安装的定子端板（11）间隔成多个定子绕组（12），在所述多个定子绕组（12）中间穿入一个动子铁心（13），该动子铁心（13）与各定子端板（111）之间的滑动轴承（10）安装连接，所述的动子铁心（13）一端与柱塞泵（3）的电机接头（17）连接，动子铁心（13）另一端连接一个轴伸（16）。
4. 根据权利要求1所述的智能直线电机采油系统，其特征是，其中控制部分（6），包括：
依次连接的主接触器（29）、预充电电阻（30）、三相电抗器（32）、整流器（33）、逆变器（35），该逆变器（35）和直线电机（2）连接，在所述预充电电阻的两端并联有辅接触器（31），及整流器(33)与逆变器（35）之间设有电解电容(34)，通过主接触器（29）与三相交流电源（28）连接；
具有电网电压检测（36）、输入电流检测（37）、直流母线电压检测（38）、直流电流检测（39）的输出端均与控制系统(40)中的采样模块(41)相连，控制系统(40)的整流触发脉冲（42）和逆变触发脉冲（43）均通过光纤或双绞线分别与所对应的全控型功率器件的控制端连接；
由可控整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，整个控制系统根据永磁同步直线电机负载的运行特性具有间歇性运行规律，可控整流器利用逆变器侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，同时可控整流器利用逆变器侧电机的运行规律（48），实现可控整流器和逆变器停止运行期间不消耗电能的间歇性运行。
5. 根据权利要求4所述的智能直线电机采油系统，其特征在于，用于驱动直线电机的功率电路中的整流器（33）和逆变器（35）在拓扑结构上完全相同，形成“背靠背”的拓扑结构；整流器（33）和逆变器（35）中均采用全控型可关断功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT，每个绝缘栅极晶体管IGBT 自带续流二极管，在可控整流器中，第一个功率器件S1与第二个功率器件S4之间为电源A相输入端，第三个功率器件S3与第四个功率器件S6之间为电源B相输入端，第五个功率器件S5与第六个功率器件S2之间为电源C相输入端，在逆变器中，第一个功率器件G1与第二个功率器件G4之间为逆变器U相输出端，第三个功率器件G3与第四个功率器件G6之间为逆变器V相输出端，第五个功率器件G5与第六个功率器件G2之间为逆变器W相输出端。
6. 根据权利要求4所述的智能直线电机采油系统，其特征在于，用于驱动直线电机的电压电流检测装置包括：电网电压检测(36)放在主接触器（29）的二次侧或一次侧，输入电流检测(37)串联在电抗器(32)的输入线路中，直流母线电压检测(38)并联在电解电容(34)两端，直流电流检测（39）串联在整流器（33）的正极输出线路中。
7. 根据权利要求4所述的智能直线电机采油系统，其特征在于，整流器和逆变器组成统一协调的控制系统，根据电机的运行特性具有间歇性运行规律，该控制系统中包括可控整流器的直流母线电压控制环节（44），有功电流和无功电流控制环节（45），功率前馈环节（46），可控整流器和逆变器的联合控制环节(47)，给定间歇运行规律环节(48)；其中直流母线电压控制环节将母线电压给定值与反馈值做差送入PI调节器G1(s)，调节器输出有功电流给定值，加上功率前馈环节的计算值得到整流器的最终有功电流给定值，然后将整流器实际输入电流的有功分量和无功分量分别与有功电流给定值和无功电流给定值进行比较，其差值分别送入PI调节器G2(s)得到整流器的参考电压给定值，再利用网侧电压前馈得到最终的调制波电压给定值，最后将其送入PWM脉冲发生器控制整流器按指令可靠运行；根据直线电机负载的特殊工作特性，提前设定好电机的不同间歇运行规律(48)和给定运行频率，逆变器控制算法根据这些设定值生成控制指令，然后PWM脉冲发生器根据控制指令产生需要的触发脉冲（43），驱动逆变器侧的功率开关器件动作，控制直线电机的周期往复动作。
8. 根据权利要求4所述的智能直线电机采油系统，其特征在于，整流器和逆变器的联合运行控制包括，整流器利用逆变侧的功率前馈提高直流母线电压的控制性能，整流器的PWM脉冲发生环节受逆变器的间歇运行规律控制，同时整流器的有功电流给定值其中一部分是由逆变器的功率前馈得到。
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