CN106712014A - 一种油田节能调控模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油田节能调控模块，包括电力变换主电路、检测与保护模块、控制模块、驱动模块、不平衡馈能保护处理模块和运行状态监视模块，电力变换主电路输入端为直流输入端，电力变换主电路输出端为交流输出端；电力变换主电路检测端一路通过检测与保护模块与控制模块输入端连接，另一路与不平衡馈能保护处理模块输入端连接，不平衡馈能保护处理模块输出端与驱动模块检测反馈端连接，控制模块输出端与驱动模块输入端连接，驱动模块输出端与电力变换主电路控制端连接，控制模块连接有运行状态监视模块。本发明提高了系统节能效率；能实现对冲程频率的优化调节；能实现远距离不升压输电无线损、避免了偷电；可靠稳定、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及电机节能调控技术领域，具体涉及一种油田节能调控模块。
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 △/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，作为交－直－交逆变结构，其交－直整流及滤波环节的电路结构不同，对于网侧功率因数的大小及对电网的谐波污染程度有直接的影响。其次，对于逆变环节的 SPWM 控制及调压控制的不同，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。再次，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。为此我们发明了一种新的基于智能微电网的油井节能调控模块，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种节能效率高，可防止微电网电压的大幅度波动和过压，并且能够实现较远距离“一拖多”油井的不升压输电的基于智能微电网的油田节能调控模块。
其技术方案是：一种油田节能调控模块，包括电力变换主电路1、检测与保护模块2、控制模块3、驱动模块4、不平衡馈能保护处理模块5和运行状态监视模块6，所述电力变换主电路1的输入端为本油田节能调控模块的直流输入端，电力变换主电路1的输出端为本油田节能调控模块的交流输出端；所述电力变换主电路1的检测端一路通过检测与保护模块2与控制模块3的输入端相连接，另一路与不平衡馈能保护处理模块5的输入端相连接，不平衡馈能保护处理模块5的输出端与驱动模块4的检测反馈端相连接，所述控制模块3的输出端与驱动模块4的输入端相连接，驱动模块4的输出端与电力变换主电路1的控制端相连接，控制模块3上连接有运行状态监视模块6。
所述电力变换主电路1包括滤波电容11、充电保护单元12、SPWM逆变器13和过压吸收保护单元14，滤波电容11及充电保护单元12连接SPWM逆变器13的输入端，并为本电力变换主电路1的输入端，所述SPWM逆变器13的输出端连接过压吸收保护单元14的输入端，并为本电力变换主电路1的输出端，过压吸收保护单元14的输出端为本电力变换主电路1的检测端。
所述SPWM逆变器13为采用的是双极性PWM控制的三相桥式逆变电路。
所述运行状态监视模块6为面板上设有调频旋钮61、数字+62、程序键63、数字-64、数据键65、正转/反转66、运行67、停止/复位68、运行指示灯69、停止指示灯60、故障指示灯611、正转指示灯612、反转指示灯613和 LED显示屏614的可编程控制器。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
1.微电网上各并联控制终端之间对负荷变化的能量互馈补偿，使各抽油机的馈能得以充分共享和循环利用，提高系统节能效率；
2.结合抽油机载荷的周期性急剧变化特点，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；
3.防止微电网电压的大幅度波动和过压；
4.采用共微电网供电能够实现较远距离“一拖多”油井的不升压输电，直流电传输距离更长，无线损，且避免了偷盗电的情况发生 ；
5.可靠稳定、成本低廉。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路方框图；
图2是本发明中电力变换主电路的图电路方框；
图3是本发明中运行状态监视模块的结构示意图。
具体实施方式
参照图1—图3，一种油田节能调控模块，包括电力变换主电路1、检测与保护模块2、控制模块3、驱动模块4、不平衡馈能保护处理模块5和运行状态监视模块6，所述电力变换主电路1的输入端为本油田节能调控模块的直流输入端，电力变换主电路1的输出端为本油田节能调控模块的交流输出端；所述电力变换主电路1的检测端一路通过检测与保护模块2与控制模块3的输入端相连接，另一路与不平衡馈能保护处理模块5的输入端相连接，不平衡馈能保护处理模块5的输出端与驱动模块4的检测反馈端相连接，所述控制模块3的输出端与驱动模块4的输入端相连接，驱动模块4的输出端与电力变换主电路1的控制端相连接，控制模块3上连接有运行状态监视模块6。
所述电力变换主电路1包括滤波电容11、充电保护单元12、SPWM逆变器13和过压吸收保护单元14，滤波电容11及充电保护单元12连接SPWM逆变器13的输入端，并为本电力变换主电路1的输入端，所述SPWM逆变器13的输出端连接过压吸收保护单元14的输入端，并为本电力变换主电路1的输出端，过压吸收保护单元14的输出端为本电力变换主电路1的检测端。
所述SPWM逆变器13为采用的是双极性PWM控制的三相桥式逆变电路。
所述运行状态监视模块6为面板上设有调频旋钮61、数字+62、程序键63、数字-64、数据键65、正转/反转66、运行67、停止/复位68、运行指示灯69、停止指示灯60、故障指示灯611、正转指示灯612、反转指示灯613和 LED显示屏614的可编程控制器。
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
如图1和图2所示，油井节能调控模块主要是将该直流电能转换为交流电能，为抽油机提供该交流电能，并对该油井节能调控模块的运行情况实时监视、控制。 油井节能调控模块包括电力变换主电路1、检测与保护模块2、控制模块3、驱动模块4、不平衡馈能保护处理模块5和运行状态监视模块6五部分。 电力变换主电路1的输入端与微电网中的整流滤波装置的输出端相连接，电力变换主电路1的输出端与抽油机相连接，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1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1主要由三个部分组成 ：一是微电网输入滤波电容11及充电保护单元12，微电网系统的整流滤波装置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，该微电网输入滤波电容11将该直流电能滤波，充电保护单元12吸收因电容11刚上电时的冲击电流，保护电容11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微电网上的过电压能量。二是 SPWM逆变器13，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14，防止微电网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2 的逻辑判断与控制模块3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，控制模块3和检测与保护模块2都会给出相应的 LED指示，该LED指示在运行状态监视模块6上显示，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2连接于电力变换主电路1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，该声光报警在运行状态监视模块6上体现。
控制模块3连接于检测与保护模块2，应用了高频 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。 控制模块3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2，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1，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，该控制在运行状态监视模块6上应用。
驱动模块4的输入端连接于控制模块3的输出端，驱动模块4的的输出端与电力变换主电路1的控制端相连接，主要采用专用集成驱动芯片 来实现对大功率器件 IGBT的驱动与强弱电隔离及保护。当微电网馈能集中，导致微电网电压过高时，通过驱动模块4控制不平衡馈能保护处理模块5，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5连接于电力变换主电路1的检测端以及驱动模块4。 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5和电力变换主电路1协同联接，通过控制模块3、检测与保护模块2的配合，完成不平衡馈能保护处理模块5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6连接于控制模块3，并对油井节能调控模块的运行情况进行实时监视、控制。 运行状态监视模块6包括 LED显示窗口、控制键盘和运行状态监视灯。通过LED显示屏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，控制键盘可以进行油井节能调控模块启动、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3所示，图3为运行状态监视模块6 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 61、数字+62、程序键63、数字-64、数据键65、正转/反转66、运行67、停止/复位68、运行指示灯69、停止指示灯60、故障指示灯611、正转指示灯612、反转指示灯613和 LED显示屏614。
本发明的油井节能调控模块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2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2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微电网，为多台油井终端共享，另一方面，当微电网馈能集中，导致微电网电压过高时，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。
Claims (4)
1.一种油田节能调控模块，包括电力变换主电路（1）、检测与保护模块（2）、控制模块（3）、驱动模块（4）、不平衡馈能保护处理模块（5）和运行状态监视模块（6），其特征在于：所述电力变换主电路（1）的输入端为本油田节能调控模块的直流输入端，电力变换主电路（1）的输出端为本油田节能调控模块的交流输出端；所述电力变换主电路（1）的检测端一路通过检测与保护模块（2）与控制模块（3）的输入端相连接，另一路与不平衡馈能保护处理模块（5）的输入端相连接，不平衡馈能保护处理模块（5）的输出端与驱动模块（4）的检测反馈端相连接，所述控制模块（3）的输出端与驱动模块（4）的输入端相连接，驱动模块（4）的输出端与电力变换主电路（1）的控制端相连接，控制模块（3）上连接有运行状态监视模块（6）。
2.根据权利要求1所述的一种油田节能调控模块，其特征在于：所述电力变换主电路（1）包括滤波电容（11）、充电保护单元（12）、SPWM逆变器（13）和过压吸收保护单元（14），滤波电容（11）及充电保护单元（12）连接SPWM逆变器（13）的输入端，并为本电力变换主电路（1）的输入端，所述SPWM逆变器（13）的输出端连接过压吸收保护单元（14）的输入端，并为本电力变换主电路（1）的输出端，过压吸收保护单元（14）的输出端为本电力变换主电路（1）的检测端。
3.根据权利要求2所述的一种油田节能调控模块，其特征在于：所述SPWM逆变器（13）为采用的是双极性PWM控制的三相桥式逆变电路。
4.根据权利要求1所述的一种油田节能调控模块，其特征在于：所述运行状态监视模块（6）为面板上设有调频旋钮（61）、数字+（62）、程序键（63）、数字-（64）、数据键（65）、正转/反转（66）、运行（67）、停止/复位（68）、运行指示灯（69）、停止指示灯（60）、故障指示灯（611）、正转指示灯（612）、反转指示灯（613）和 LED显示屏（614）的可编程控制器。
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