CN105634373A - 一种抽油机集控专用逆变控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽油机集控专用逆变控制装置，包括电力变换主电路、检测与保护模块、单片机控制模块，所述检测与保护模块连接于电力变换主电路的检测端，所述单片机控制模块连接于检测与保护模块。还包括驱动模块和不平衡馈能保护处理模块，所述驱动模块的输入端连接于该单片机控制模块的输出端，所述驱动模块的输出端与电力变换主电路的控制端相连接。还包括运行状态监视模块，该运行状态监视模块连接于单片机控制模块。本发明解决了现有设备功效差、成本高等问题，具有节能效率高，造价低，可对油井运行情况实时监控，完成油井不平衡馈能，对整个系统实施与保护等优点。

Description

一种抽油机集控专用逆变控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于抽油机井的控制装置，尤其是一种抽油机集控专用逆变控制装置。

背景技术

目前国内有关抽油机及驱动电机的各种检测与控制方式多种多样，比如，以改善工艺、提高采收率为目的而为抽油机配备的逆变调速器、示功图测试分析仪、滑差电机、变极调速；针对抽油机由于长期处于“大马拉小车”状态所致的功效低、功率因数低的问题，为了节能降耗而采用的节能控制电机、降压节能和Δ/Y接法控制，以及对抽油机通过间歇式控制来实现节能的所谓超级节能器等等。国外围绕抽油机的控制主要采用比较完善的逆变调速装置和与之配套的示功图测试分析仪等，通过逆变调速器及多功能控制系统，既可以较好地满足采油工艺的要求，又能达到有效的节能目的。在国内各油田采用的逆变控制柜在以下几方面有技术和性能上的差异和影响：首先，对于逆变环节的SPWM控制及调压控制的算法不同，直接影响着实现抽油机“大马拉小车”状态下的降压节能效果。其次，逆变控制柜对抽油机的不平衡馈能通常有两种不同的处理方式和配置组态：一是在直流侧接入刹车电阻耗能，电路简单易行；二是交－直整流及滤波环节采用PWM可逆整流器将电机倒发电能量馈入电网，使不平衡馈能得以回收，避免能量的浪费。后者技术难度较大，成本也较高。此外，由于所采用的技术手段不同，控制柜成本也各不相同，不过总体看来，逆变控制柜价格偏高，各采油厂难以接受，这也是逆变控制柜目前难以大面积广泛应用的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抽油机集控专用逆变控制装置，解决了现有设备功效差、成本高等问题，具有节能效率高，造价低，可对油井运行情况实时监控，完成油井不平衡馈能，对整个系统实施与保护等优点。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种抽油机集控专用逆变控制装置，包括电力变换主电路、检测与保护模块、单片机控制模块，所述电力变换主电路的输入端与整流滤波装置的输出端相连接，所述电力变换主电路的输出端与抽油机电机相连接，所述电力变换主电路将直流电能转换为交流电能，为抽油机电机提供交流电能，并吸收公共直流母线上的过电压能量；所述检测与保护模块连接于电力变换主电路的检测端，对抽油机的电机的参数进行实时检测，并将检测信号传输给单片机控制模块，所述单片机控制模块连接于检测与保护模块，所述单片机控制模块接收检测信号，并根据该检测信号判断该抽油机的电机的工作状态，以控制电力变换主电路提供的交流电能。

所述电力变换主电路包括直流母线输入滤波电容、充电保护单元、SPWM逆变器和过压吸收保护单元，所述直流母线输入滤波电容将直流电能滤波，所述充电保护单元吸收因直流母线输入滤波电容刚上电时的冲击电流，所述SPWM逆变器将直流电能转换为交流电能，所述过压吸收保护单元吸收公共直流母线上的过电压能量。

所述该检测与保护模块在抽油机的电机出现异常情况下自动发出声光报警。

所述单片机控制模块应用16位dsPIC30F系列DSP单片机及高频PWM控制方式。

还包括驱动模块和不平衡馈能保护处理模块，所述驱动模块的输入端连接于该单片机控制模块的输出端，所述驱动模块的输出端与电力变换主电路的控制端相连接，以驱动该电力变换主电路，并强弱电隔离以保护该电力变换主电路，所述不平衡馈能保护处理模块同时连接于电力变换主电路的检测端以及驱动模块，用以吸收该公共直流母线上的过电压能量。

所述检测与保护模块检测到公共直流母线上电压过高时，将过电压信号传输给单片机控制模块，所述单片机控制模块将过电压信号传输给驱动模块，使不平衡馈能保护处理模块在该驱动模块的驱动下吸收该公共直流母线上的过电压能量。

所述当不平衡馈能保护处理模块吸收公共直流母线上的过电压能量时，所述单片机控制模块和该检测与保护模块进行LED指示。

所述还包括运行状态监视模块，该运行状态监视模块连接于单片机控制模块，并对该逆变终端控制器的运行情况进行实时监视、控制。

所述运行状态监视模块包括LED显示窗口、控制键盘和运行状态监视灯，通过LED显示窗口对该逆变终端控制器的工作状态和运行工况进行监视，通过控制键盘选择和设定该逆变终端控制器的运行方式，所述运行状态监视灯显示各种运行状态。

所述LED显示窗口还存储该逆变终端控制器的故障信息；所述控制键盘包括逆变终端启动按键、停止按键、复位按键、正反转按键、程序设置按键、数据设置按键、上下频率调节按键和调频按键。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.结合抽油机载荷的周期性急剧变化特点，使用专用节能控制算法。通过检测抽油机的当前负载状况和上、下冲程位置，经过智能化统计分析判断，实现对上、下冲程频率的优化调节；

2.各控制柜终端的软件开发，实现井口数据采集及远传通讯和逆变控制保护功能的有机结合，高度集成化为一体，由一套高性能单片机硬、软件系统统一完成，既可靠稳定又降低成本。

3.主要用于直流电逆变供抽油机电机使用，逆变控制装置可用于400V-600V的输入直流电使油井正常启动。逆变控制装置带有监控软硬件，可对该逆变终端控制器的运行情况实时监视、控制。

附图说明

图1为本发明逆变终端控制器的结构示意图；

图2为图1中的运行状态监视模块的运行状态监视面板的示意图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

如图1所示，逆变终端控制器主要是将该直流电能转换为交流电能，抽油机提供该交流电能，并对该逆变终端控制器的运行情况实时监视、控制。逆变终端控制器5包括电力变换主电路21、检测与保护模块22、单片机控制模块23、驱动模块24、不平衡馈能保护处理模块25和运行状态监视模块26五部分。电力变换主电路21的输入端与整流滤波装置4的输出端相连接，电力变换主电路21的输出端与抽油机6相连接，用于将直流电能转换为交流电能，并吸收直流侧过电压能量，电力变换主电路21部分采用第四代新型全控电力电子器件IGBT等快速模块组成。电力变换主电路21主要由三个部分组成：一是直流母线输入滤波电容及充电保护单元，群控系统的整流滤波装置4使三相输入电流相对于输入电压基本没有相位滞后，网侧功率因数较高，为SPWM逆变器提供直流电压母线，该直流母线输入滤波电容将该直流电能滤波，充电保护单元吸收因电容刚上电时的冲击电流，保护电容及整流器，采用的是双极性的SPWM控制三相桥式逆变电路，可以大大减少输出电压中所含谐波成份，使输出电流接近正弦波，而对输入网侧回路的功率因数没有影响，当不平衡馈能保护处理模块中电能未及时用完时，该过压吸收保护单元吸收该公共直流母线上的过电压能量。二是SPWM逆变器，采用的是双极性PWM控制三相桥式逆变电路，可以大大减少输出电压中所含谐波成份，使输出电流接近正弦波，而对输入网侧回路的功率因数没有影响。三是过压吸收保护单元，防止直流母线馈能比较集中时电压过高，过压吸收保护单元通过大功率IGBT功率模块来实现开关控制，该通断控制逻辑信号的形成，是通过检测与保护模块22的逻辑判断与单片机控制模块23的特定控制算法来综合完成的，主要作用是吸收直流侧过电压能量，防止由于不平衡馈能造成的过压威胁，在过压吸收保护单元投入工作期间，单片机控制模块23和检测与保护模块22都会给出相应的LED指示，当不平衡馈能保护处理模块不能将过电压能量完全利用时，电压升高，这时过压吸收保护单元就会导通，吸收过压。

检测与保护模块22连接于电力变换主电路21的检测端，并对抽油机电机的电压、电流、功率因数和功率等参数进行实时检测，除实现对本装置的保护之外，还可以完成对抽油机电机运行状态的监测，在电机出现过压、过流、过载、缺相等异常情况下自动发出声光报警。

单片机控制模块23连接于检测与保护模块22，应用了16位dsPIC30F系列DSP单片机及高频PWM控制方式，完成电机节能运行的寻优控制算法，对抽油机及驱动电机的工作状态进行自动控制，使得抽油机电机始终运行于功率因数和效率最佳的工作状态。单片机控制模块23作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护模块22，对抽油机电机的电压、电流、功率因数和功率等参数进行实时检测，进而对电机的工作状态进行综合判断，并通过电力变换主电路21，运用独特的SWM控制方法，实现对电机的平滑逆变运行和节能控制。

驱动模块24的输入端连接于单片机控制模块23的输出端，驱动模块24的的输出端与电力变换主电路21的控制端相连接，主要采用专用集成驱动芯片KA962来实现对大功率器件IGBT的驱动与强弱电隔离及保护。当直流母线馈能集中，导致母线电压过高时，通过驱动模块24控制不平衡馈能保护处理模块25，对抽油机的不平衡再生能量进行及时处理。

不平衡馈能保护处理模块25连接于电力变换主电路21的检测端以及驱动模块24。抽油机不平衡馈能保护处理部分的设计，针对电机倒发电馈能问题，将不平衡馈能保护处理模块25和电力变换主电路21协同联接，通过单片机控制模块23、检测与保护模块22的配合，完成不平衡馈能保护处理模块25与抽油机电机之间的检测反馈、切换和协调控制，并通过闭环系统的自动调节达到功率的跟踪平衡效果。

运行状态监视模块26连接于单片机控制模块23，并对逆变终端控制器5的运行情况进行实时监视、控制。运行状态监视模块26包括LED显示窗口、控制键盘和运行状态监视灯。通过LED显示窗口随时对系统的工作状态和运行工况进行监视，保证控制系统能够及时地在故障时刻进行处理，同时也能够及时地将系统中的故障信息进行存储，以便用户去查寻故障原因。通过控制键盘可以选择和设定两种运行方式，例如，方式1是普通开环变频运行；方式2是抽油机上、下冲程频率自动切换运行。在一实施例中，控制键盘可以进行逆变终端启动、停止、复位、正反转、程序设置、数据设置、进行上下频率调节(即进行数字加减)和调频。运行状态监视灯包括运行状态指示灯、停止状态指示灯、故障状态指示灯、正转指示灯和反转指示灯，以显示各种运行状态。

如图2所示，图2为运行状态监视模块26的运行状态监视面板的示意图。运行状态监视面板包括调频旋钮1、数字+2、程序键3、数字-4、数据键5、正转/反转6、运行7、停止/复位8、运行指示灯9、停止指示灯10、故障指示灯11、正转指示灯12、反转指示灯13和LED显示14。

逆变终端控制器5将直流电能转换为交流电能，上电起动时对系统进行自诊断，满足起动条件方可起动运行。抽油机电机采用逆变软起动运行，既增大了起动转矩又减小了起动电流，通过独特的SPWM波形发生器和相应的控制算法，产生SPWM控制信号，实现逆变控制。随时根据检测与保护模块22提供的抽油机的电压、电流等参数，按照一定的数字算法，实时计算当前电机的运行功率，根据其负载率的大小，改变SPWM控制开关信号的调制规律，从而实现对抽油机电机负载急剧变化的动态跟踪和节能控制。随时对系统的工作状态和运行工况进行监视，保证控制系统能够及时地在故障时刻进行处理，同时也能够及时地将系统中的故障信息进行存储，以便用户去查寻故障原因，根据检测与保护模块22所提供的倒发电状态检测信息，做出逻辑分析判断，一方面将抽油机的不平衡馈能自动馈入直流母线，为多台油井终端共享，另一方面，当直流母线馈能集中，导致母线电压过高时，通过驱动模块24控制不平衡馈能保护处理模块25，对抽油机的不平衡再生能量进行及时处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。

Claims (10)

1.一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，包括电力变换主电路、检测与保护模块、单片机控制模块，所述电力变换主电路的输入端与整流滤波装置的输出端相连接，所述电力变换主电路的输出端与抽油机电机相连接，所述电力变换主电路将直流电能转换为交流电能，为抽油机电机提供交流电能，并吸收公共直流母线上的过电压能量；所述检测与保护模块连接于电力变换主电路的检测端，对抽油机的电机的参数进行实时检测，并将检测信号传输给单片机控制模块，所述单片机控制模块连接于检测与保护模块，所述单片机控制模块接收检测信号，并根据该检测信号判断该抽油机的电机的工作状态，以控制电力变换主电路提供的交流电能。

2.根据权利要求1所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述电力变换主电路包括直流母线输入滤波电容、充电保护单元、SPWM逆变器和过压吸收保护单元，所述直流母线输入滤波电容将直流电能滤波，所述充电保护单元吸收因直流母线输入滤波电容刚上电时的冲击电流，所述SPWM逆变器将直流电能转换为交流电能，所述过压吸收保护单元吸收公共直流母线上的过电压能量。

3.根据权利要求1所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述该检测与保护模块在抽油机的电机出现异常情况下自动发出声光报警。

4.根据权利要求1所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述单片机控制模块应用16位dsPIC30F系列DSP单片机及高频PWM控制方式。

5.根据权利要求1所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，还包括驱动模块和不平衡馈能保护处理模块，所述驱动模块的输入端连接于该单片机控制模块的输出端，所述驱动模块的输出端与电力变换主电路的控制端相连接，以驱动该电力变换主电路，并强弱电隔离以保护该电力变换主电路，所述不平衡馈能保护处理模块同时连接于电力变换主电路的检测端以及驱动模块，用以吸收该公共直流母线上的过电压能量。

6.根据权利要求5所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述检测与保护模块检测到公共直流母线上电压过高时，将过电压信号传输给单片机控制模块，所述单片机控制模块将过电压信号传输给驱动模块，使不平衡馈能保护处理模块在该驱动模块的驱动下吸收该公共直流母线上的过电压能量。

7.根据权利要求6所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述当不平衡馈能保护处理模块吸收公共直流母线上的过电压能量时，所述单片机控制模块和该检测与保护模块进行LED指示。

8.根据权利要求1所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述还包括运行状态监视模块，该运行状态监视模块连接于单片机控制模块，并对该逆变终端控制器的运行情况进行实时监视、控制。

9.根据权利要求8所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述运行状态监视模块包括LED显示窗口、控制键盘和运行状态监视灯，通过LED显示窗口对该逆变终端控制器的工作状态和运行工况进行监视，通过控制键盘选择和设定该逆变终端控制器的运行方式，所述运行状态监视灯显示各种运行状态。

10.根据权利要求9所述的一种抽油机集控专用逆变控制装置，其特征在于，所述LED显示窗口还存储该逆变终端控制器的故障信息；所述控制键盘包括逆变终端启动按键、停止按键、复位按键、正反转按键、程序设置按键、数据设置按键、上下频率调节按键和调频按键。