CN110460287A - 一种基于云平台的抽油机速度补偿装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，实现对抽油机的无级调速，其特征在于，包括：整流模块，整流模块配置为将三相电整流为直流电；第一IGBT单元，第一IGBT单元连接整流模块和电机，第一IGBT单元配置为将整流模块生成的直流电转换为交流电接入电机；通讯模块，通讯模块配置为连接抽油机云平台，通讯模块配置接收云平台提供的油井参数信息；抽油机监测模块，抽油机监测模块配置为监测抽油机运行参数；第一控制模块，第一控制模块连接通讯模块，第一控制模块连接抽油机监测模块，第一控制模块配置为根据油井参数信息、抽油机运行参数，控制第一IGBT单元根据需要实时调节电机速度。

Description

一种基于云平台的抽油机速度补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及一种抽油机，特别涉及一种基于云平台的抽油机速度补偿装置和方法。

背景技术

传统工频系统的抽油机电机转速本身是不可以调节的，一直是50赫兹的速度在运行。为了满足生产的速度要求，是通过人工换皮带轮的方式来达到调速目地的，这样做不仅浪费了大量的人工成本也有极大的局限性。因为皮带轮的大小规格是固定的，理论也不可能生产出无限规格大小的皮带轮，这样就造成了根据抽油机系统采集的油井监控数据，计算出的生产速度不可能匹配到刚好合适的皮带轮，只能人为的选择一款规格相近的来更换，电动机不能无极调速，这样又无谓的造成了电源的浪费，也不利于油井的生产效率的提高。同时因为电动机不能软启动，除消耗大量的启动电流外，也造成电动机和抽油机设备的巨大启动机械冲击。

发明内容

本发明通过提供一种基于云平台的抽油机速度补偿装置和方法，解决上述问题中的一个或多个。

一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，包括：

整流模块，整流模块配置为将三相电整流为直流电；

第一IGBT单元，第一IGBT单元连接整流模块和电机，第一IGBT单元配置为将整流模块生成的直流电转换为交流电接入电机；

通讯模块，通讯模块配置为连接抽油机云平台，通讯模块配置接收云平台提供的油井参数信息；

抽油机监测模块，抽油机监测模块配置为监测抽油机运行参数；

第一控制模块，第一控制模块连接通讯模块，第一控制模块连接抽油机监测模块，第一控制模块配置为根据油井参数信息、抽油机运行参数，控制第一IGBT单元根据需要实时调节电机速度。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，整流模块包括：

整流桥堆，三相通过整流桥堆整流为直流电形成直流母线线路，第一IGBT单元作为负载接入直流母线形成回路；

第一电容，第一电容与第一IGBT单元并联；

第二电容，第二电容与第一IGBT单元并联，第二电容与第一电容串联，第一电容、第二电容形成储能电容组；

第一电阻，第一电阻与储能电容组串联，第一电阻与第一IGBT单元串联，第一电阻配置为限流电阻；

晶闸管模块，晶闸管模块与第一电阻并联，晶闸管模块与储能电容组串联，晶闸管模块与第一IGBT单元串联，第一控制模块连接晶闸管模块。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，整流模块，还包括：

第二电阻；

第三电阻，第二电阻与第三电阻串联形成均压电阻组，均压电阻组与储能电容组并联，均压电阻组与第一电阻、晶闸管模块串联；

电流感抗器，电流感抗器与第一IGBT单元、储能电容组、均压电阻组、第一电阻、晶闸管模块串联；

第一熔断器，直流电经过第一熔断器后接入第一IGBT单元。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，抽油机监测模块，包括：

第一死点监测开关，第一死点监测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最高点；

第二死点监测开关，第二死点监测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最低点。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，抽油机监测模块，还包括：

旋转编码器，旋转编码器安装在抽油机电机上，旋转编码器配置为监测电机的转速。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，第一控制模块包括：

第一CPU；

第一IGBT驱动模块，第一CPU通过第一IGBT驱动模块驱动第一IGBT单元；

第一IGBT驱动模块，从第一CPU开始至第一IGBT单元结束，依次连接的部件包括：

D/A转换单元；

光耦检测运放单元；

PWM调制单元；

三相输出门极驱动单元，三相输出门极驱动单元包括，U相驱动单元、V相驱动单元、W相驱动单元。

一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

T1：装置接入电网三相电，整流模块将交流电整流为直流电，第一控制模块控制第一IGBT单元打开将直流电逆变为三相电，然后供给电机让电机运转；

T2：通讯模块接收油井参数信息，并将油井参数信息传给第一CPU；

T3：抽油机监测模块获取抽油机的运行参数，并将运行参数信息传给第一CPU；

T4：第一CPU根据抽油机的运行参数和油井参数信息，计算电机的最佳转速；

T5：第一控制模块控制第一IGBT单元调整输出频率，输出让电机达到最佳转速的三相电流频率。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，步骤T1包括：

T11：三相电通过整流桥堆整流为直流电；

T12：整流后通过第一电阻给储能电容组进行充电储能；

T13：储能电容组达到浮充电压后第一控制模块控制晶闸管模块导通，保持浮充电状态；

T14：整流后的直流电接入第一IGBT单元，第一IGBT单元将直流电逆变为交流电接入电机。

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，

步骤T3包括：

T31：抽油机曲轴旋转，触发死点检测开关生成触发信号；

T32：抽油机监测模块将触发信号发送第一CPU；

步骤A4包括：

T41：第一CPU根据触发信号判断抽油机曲轴处于最高点或最低点；

T42：第一CPU根据曲轴位置判断抽油机即将做上/下冲次运动；

T43：第一CPU根据抽油机的运行参数、油井参数信息结合速度环算法计算出电机的最佳转速；

在一些实施方式中，一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，

步骤T5包括：

T51：第一CPU根据最佳转速计算出所需要的第一IGBT单元触发数据信号；

T52：触发数据信号通过D/A转换单元进行数模转换，然后传给光耦检测运放单元；

T53：光耦检测运放单元进行数据的检测和放大处理，然后将数据传入PWM调制单元；

T54：PWM调制单元进行数据调制，数据调制完成后，把信号传输给控制器三相输出门极驱动单元；

T55：三相输出门极驱动单元按照需要的数据要求把开关信号传给第一IGBT单元，控制第一IGBT单元给电机输出需要的频率。

步骤T5之后，还包括步骤：

T6：旋转编码器向第一CPU发送信号，第一CPU根据信号计算出电机的运转速度；

T7：第一CPU根据电机的实际运转速度，结合最佳转速，调用控制算法调整第一IGBT单元的输出频率，实现电机速度的动态追踪补偿。

有益效果：

本装置和方法获取云平台和电机运行参数后，根据参数通过对第一IGBT单元进行控制，让电机实时输出的速度与抽油机需求的采油速度相符。这样通过对传统的工频电机外加装控制装置，即可实现让抽油机电机的无级

调速，让电机更加节能且效率更高。且可以在在电机的启动过程中，逐步增大电机电压实现电机的软启动。

附图说明：

图1为抽油机电机变频驱动原理图；

图2为抽油机电机电流信号处理电路图；

图3为抽油机电机负载补偿工作流程图；

图4为母线监测单元的信号处理电路图；

图5为死点检测光电开关安装示意图；

图6为电机转速补偿工作流程图；

图7为回馈单元电路图；

图8为无功补偿原理流程图；

图9为有功补偿原理流程图；

图10为相序检测单元和合闸单元电路图；

图11为电流闭环和速度闭环控制结构和原理图；

图12为本发明抽油机控制器的结构示意图；

图13为本发明应用于一种抽油机智能补偿监控系统的原理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面结合附图说明，对本发明作进一步详细说明。

具体实施例1：

本发明提供一种基于云平台的抽油机速度补偿装置应用于一种抽油机智能补偿监控系统，该系统连接三相电网，应用于云平台，包括抽油机控制器，抽油机控制器包括负载补偿装置、电能补偿装置以及速度补偿装置；负载补偿装置用于对抽油机的负载进行补偿控制调整，电能补偿装置用于对抽油机的电能能量进行补偿控制调整，速度补偿装置用于对抽油机的速度进行补偿控制调整。

在一些实施方式中，负载补偿装置包括整流模块、第一IGBT单元、通讯模块、电流电压检测模块以及第一控制模块，整流模块配置为将三相电整流为直流电，第一IGBT单元连接整流模块和电机，第一IGBT单元配置为将整流模块生成的直流电转换为交流电接入电机，通讯模块配置为连接抽油机的云平台，电流电压检测模块配置为检测直流电压和抽油机电机电流，第一控制模块连接通讯模块，第一控制模块连接电流电压检测模块，第一控制模块配置为根据直流电压、抽油机电机电流和油井参数信息，控制第一IGBT单元根据需要实时对抽油机电机进行调节。

其中，整流模块包括：整流桥堆，三相通过整流桥堆整流为直流电形成直流母线线路，第一IGBT单元作为负载接入直流母线形成回路；第一电容，第一电容与第一IGBT单元并联；第二电容，第二电容与第一IGBT单元并联，第二电容与第一电容串联，第一电容、第二电容形成储能电容组；第一电阻，第一电阻与储能电容组串联，第一电阻与第一IGBT单元串联，第一电阻配置为限流电阻；晶闸管模块，晶闸管模块与第一电阻并联，晶闸管模块与储能电容组串联，晶闸管模块与第一IGBT单元串联，第一控制模块连接晶闸管模块。

其中，整流模块，还包括：第二电阻；第三电阻，第二电阻与第三电阻串联形成均压电阻组，均压电阻组与储能电容组并联，均压电阻组与第一电阻、晶闸管模块串联；电流感抗器，电流感抗器与第一IGBT单元、储能电容组、均压电阻组、第一电阻、晶闸管模块串联；第一熔断器，直流电经过第一熔断器后接入第一IGBT单元。

其中，第一控制模块包括第一CPU和第一IGBT驱动模块，CPU通过第一IGBT驱动模块驱动第一IGBT单元，第一IGBT驱动模块，从CPU开始至第一IGBT单元结束，依次连接的部件包括D/A转换单元、光耦检测运放单元、PWM调制单元、三相输出门极驱动单元，三相输出门极驱动单元包括U相驱动单元、V相驱动单元、W相驱动单元。

其中，电压电流检测模块包括：直流母线电压检测模块；电机电流检测模块。

其中，电能补偿装置包括第二IGBT单元、第二控制模块、电压检测单元、相序检测单元和合闸单元，第二IGBT单元配置为将直流电逆变为交流电，第二控制模块配置为控制第二IGBT单元，电压检测单元安装在直流线路上，电压检测单元连接第二控制模块，相序检测单元配置为检测第二IGBT单元逆变生成的交流电的相序，合闸单元连接相序检测单元，合闸单元配置为在第二IGBT单元逆变的交流电与电网相序一致时导通。

其中，速度补偿装置为在负载补偿装置中加入抽油机采集模块，抽油机采集模块配置为采集抽油机运行参数，第一控制模块连接抽油机采集模块，第一控制模块通过通讯模块配置为连接抽油机云平台获取油井参数信息以及抽油机运行参数进行控制第一IGBT单元根据需要实时调节电机速度。

其中，第二控制模块包括第二CPU和第二IGBT驱动模块，CPU通过第二IGBT驱动模块驱动第二IGBT单元；第二IGBT驱动模块，从第二CPU开始至第二IGBT单元结束，依次连接的部件包括：D/A转换单元；光耦检测运放单元；PWM调制单元；三相输出门极驱动单元，三相输出门极驱动单元包括U相驱动单元、V相驱动单元、W相驱动单元。

其中，还包括抽油机监测模块，抽油机监测模块包括死点检测开关，死点检测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最高点和最低点；第一死点检测开关，第一死点检测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最高点；第二死点监测开关，第二死点检测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最低点。

其中，该抽油机控制器与抽油机云平台连接的通讯模块为数据传输单元，数据传输单元与抽油机通过数据接口连接，数据传输单元与云平台通过4G网络通信连接，云平台和云平台监控终端通过以太网接口连接。

本发明提供一种基于云平台的抽油机智能补偿监控方法，包括以下步骤：抽油机采集模块采集抽油机运行时产生运行参数并上传给抽油机控制器；油井采集监控模块获取目标油井的油井参数信息并上传给云平台；抽油机控制器从抽油机采集模块获取运行参数以及从云平台获取油井参数信息，并对运行参数和油井参数信息进行分析处理，自动进行运行参数补偿调整，使抽油机根据新的运行参数运行，并将新的运行参数传送给云平台；云平台获取油井参数信息以及抽油机控制器实时的运行参数；云平台监控终端实时获取云平台接收的监控信息，同时将工作人员命令的控制指令信息发送给抽油机控制器，控制抽油机的工作状态。

其中，抽油机自动进行运行参数补偿调整的内容包括负载补偿装置调整。

其中，抽油机自动进行运行参数补偿调整的内容还包括电能补偿装置调整。

其中，抽油机自动进行运行参数补偿调整的内容还包括速度补偿装置调整。

其中，负载补偿装置调整的步骤：

S1：将负载补偿装置接入三相电网，整流模块将交流电整流为直流电，第一控制模块控制第一IGBT单元打开将直流电逆变为三相电，然后供给抽油机电机让抽油机电机运转；

S2：第一CPU根据电流电压检测单元提供的信号计算直流电压和抽油机电机电流；

S3：第一CPU根据直流电压、抽油机电机电流、获取的云平台发送的油井参数信息结合电流环算法计算电机输出的负载力矩，第一CPU根据负载力矩计算出电机的最佳电流；

S4：第一控制模块控制第一IGBT单元调整输出电流，满足抽油机电机需要。

其中，步骤S1包括：

S11：三相电通过整流桥堆整流为直流电；

S12：整流后通过第一电阻给储能电容组进行充电储能；

S13：储能电容组达到浮冲电压后第一控制模块控制晶闸管模块导通，保持浮冲电状态；

S14：整流后的直流电接入第一IGBT单元，第一IGBT单元将直流电逆变为交流电接入电机。

其中，步骤S4包括：

S41：第一CPU结合云平台所提供的油井参数信息计算出抽油机电机所需要的三相电频率；

S42：第一CPU结合所需的三相电频率、负载力矩、转矩补偿算法、转差补偿算法计算出最佳电流所需要的IGBT触发数据信号；

S43：数据信号通过D/A转换单元进行数模转换，然后传给光耦检测运放单元；

S44：光耦检测运放单元进行数据的检测和放大处理，然后将数据传入PWM调制单元；

S45：PWM调制单元进行数据调制，数据调制完成后，把信号传输给控制器三相输出门极驱动单元；

S46：三相输出门极驱动单元按照需要的数据要求把开关信号传给第一IGBT单元，控制第一IGBT单元给电动机输出需要的电流。

其中，电能补偿装置调整步骤包括：

Q1：电能补偿装置接入三相电网，第二控制模块设定回馈电压；

Q2：电压检测单元检测直流线路的电压，并将其反馈给第二控制单元；

Q3：当直流线路电压大于设定回馈电压时，第二控制模块控制第二IGBT单元打开，直流电逆变为交流电；

Q4：相序检测单元检测交流电相序，但交流电相序与电网相序一致时，合闸单元将交流电与三相电网联通，回馈的电流进入三相电网。

其中，步骤Q3包括：

Q31：第二CPU根据电压检测单元的信号计算直流线路电压；

Q32：第二CPU比较直流线路电压与设定回馈电压；

Q33：当直流线路电压大于设定回馈电压时，生成第二IGBT单元触发数据信号，该数据信号的下的频率与电网频率一致；

Q34：数据信号通过D/A转换单元进行数模转换，然后传给光耦检测运放单元；

Q35：光耦检测运放单元进行数据的检测和放大处理，然后将数据传入PWM调制单元；

Q36：PWM调制单元进行数据调制，数据调制完成后，把信号传输给控制器三相输出门极驱动单元；

Q37：三相输出门极驱动单元按照需要的数据要求把开关信号传给第二IGBT单元，控制第二IGBT单元给电网回馈电能。

其中，步骤Q1和Q2之间还包括：

Q11：电网三相电通过整流桥堆整流为直流电；

Q12：整流后通过第一电阻给储能电容组进行充电储能；

Q13：储能电容组达到浮充电压后第一控制模块控制晶闸管模块导通，保持浮充电状态。

Q14：整流后的直流电接入第一IGBT单元，第一IGBT单元将直流电逆变为交流电接入电机。

其中，速度补偿装置调整的步骤包括：

T1：速度补偿装置接入三相电网，整流模块将交流电整流为直流电，第一控制模块控制第一IGBT单元打开将直流电逆变为三相电，然后供给抽油机电机让抽油机电机运转；

T2：油井采集监控模块采集油井参数信息，并将油井参数信息通过通讯模块发送给第一CPU；

T3：抽油机采集模块获取抽油机的运行状态，并将运行参数传给第一CPU；

T4：第一CPU根据抽油机的运行参数和油井参数信息，计算抽油机电机的最佳转速；

T5：第一控制模块控制第一IGBT单元调整输出频率，输出让抽油机电机达到最佳转速的三相电流频率。

其中，步骤T1包括：

T11：三相电通过整流桥堆整流为直流电；

T12：整流后通过第一电阻给储能电容组进行充电储能；

T13：储能电容组达到浮充电压后第一控制模块控制晶闸管模块导通，保持浮充电状态；

T14：整流后的直流电接入第一IGBT单元，第一IGBT单元将直流电逆变为交流电接入电机。

其中，步骤T3包括：

T31：抽油机曲轴旋转，触发第一死点监测开关或第二死点监测开关生成触发信号；

T32：抽油机采集模块将触发信号发送第一CPU。

在一些实施方式中：步骤T4包括：

T41：第一CPU根据触发信号判断抽油机曲轴处于最高点或最低点；

T42：第一CPU根据曲轴位置判断抽油机即将做上冲次或下冲次运动；

T43：第一CPU根据油井参数信息、抽油机运行参数并结合速度环算法计算出抽油机电机所需的最佳转速。

在一些实施方式中：步骤T5包括：

T51：第一CPU根据最佳转速计算出第一IGBT单元所需要触发数据信号；

T52：触发数据信号通过D/A转换单元进行数模转换，然后传给光耦检测运放单元；

T53：光耦检测运放单元进行触发数据信号的检测和放大处理，然后将触发数据信号传入PWM调制单元；

T54：PWM调制单元进行触发数据信号调制，触发数据信号调制完成后，把触发数据信号传输给控制器三相输出门极驱动单元；

T55：三相输出门极驱动单元按照需要的触发数据信号要求把开关信号传给第一IGBT单元，控制第一IGBT单元给抽油机电机输出需要的频率。

步骤T5之后，还包括步骤：T6：旋转编码器向第一CPU发送信号，第一CPU根据信号计算出抽油电机的运转速度；T7：第一CPU根据抽油机电机实际的运转速度，结合最佳转速，调用控制算法调整第一IGBT单元的输出频率，实现抽油机电机速度的动态追踪补偿。

一种云平台，用于对多个抽油机进行集中统一管理，包括采集系统、控制系统、发送系统；采集系统，用于接收由油井采集监控模块采集的油井参数信息和抽油机采集模块采集抽油机运行时产生运行指标数据；控制系统，用于根据工作人员命令的控制指令信息发送给抽油机控制器，控制抽油机的工作状态；发送系统，用于将工作人员命令的控制指令信息以及油井参数信息通过通讯模块发送给抽油机控制器。

本实施例中，该抽油机控制器与抽油机云平台连接的通讯模块为数据传输单元，所述数据传输单元与抽油机通过数据接口连接，数据传输单元使用的型号是驿唐的PLC-505-W4，所述数据传输单元与云平台通过4G网络通信连接，所述云平台和云平台监控终端通过以太网接口连接。具体的，数据传输单元是指将串口数据转换为IP数据，或者将IP数据转换为串口数据，然后再通过无线通信网络进行远距离传输。由于大多数设备现场无法连接有线网络，本系统使用运营商提供的移动网络，将电话SIM卡插进数据传输单元中，配置好参数，即可在网页中搜索到使用的设备，通讯使用的是4G网络信号，这种网络价格低，速度快，稳定性高。

本实施例中，数据传输单元通过RS485通讯可以将抽油机所有需要采集的数据汇总在一起，然后打包发送到云平台，数据传输单元有一个RS232接口，一个RS485接口，两个RJ45接口，数据传输单元还支持多个网络，4G全网通、有线网络、WiFi都可以用来实现远程数据传输。在数据传输时，主要采用的通信协议是标准MODBUS协议，各种数据信息都可以在线路上进行传输，各个需要通讯的设备使用屏蔽网的双绞线进行连接，线径不能够小于0.5mm²，在设备中走线时，能够尽量远离其他强电电缆或者平行于电源线，避免电磁干扰通讯。数据传输单元与其他模块通讯连接时要使用拉手式，不能使用星型连接和分叉连接，使用屏蔽线将设备的GND连接起来。

具体实施例2：

该实施例为抽油机速度补偿装置，如图1、5、6所示。

如图1所示，抽油机电机为三相电机，外部三相电接入三相电网，抽油机电机供电电路先将三相交流电整流为直流电，然后经第一IGBT单元逆变为三相交流电，然后输出到抽油机电机。第一CPU通过控制第一IGBT单元实现对抽油机电机的变频控制。

抽油机电机由三相380V电源供电，断路器QF控制电源L1、L2、L3通断。三相电源通过断路器QF后有整流桥堆VD进行整流成为直流电。

整流后通过限流电阻R1给储能电容组C2、C3进行充电储能，达到浮充电压后第一CPU控制晶闸管模块V1导通，保持浮充电状态。储能电容组C2、C3既可以作为直流电源给后续回路提供稳定的直流电，又担负着滤波功能。

电阻R2、R3为均压电阻，用于保证储能电容组C2、C3的容抗均衡，防止电容损坏；

直流线路中接入直流电抗器ER3，其起到过滤交流干扰波作用；

整流后的直流电经过熔断器FU1接入到第一IGBT单元；

第一IGBT单元受第一CPU控制，第一CPU根据需求抽油机电机需要，控制第一IGBT单元将直流电转换为所需要的三相交流电，然后输入抽油机电机。

进一步的：

对于抽油机来说驱动其转动的三相电机为其动力源，油井在抽油时的所需要的能量大小决定了三相电机的负载，为了使电能能够充分被利用，三相电机的负载应当尽可能的和其输出功率一致。在游梁式抽油机在工作时，抽油机电机的转动速度决定了抽油机抽油的速度，抽油机电机提供的力矩决定了抽油时的力矩。而抽油机的工作环境中，抽油所需要的速度和力矩是不断波动的，所以需要根据工作情况不断调节抽油机电机的转速和输出功率。

抽油机电流决定了电机的输出功率，三相电的频率决定了抽油机电机的转速。因此，第一CPU可以通过第一IGBT单元改变抽油机电机的输入电流和频率，继而改变抽油机电机的输出力矩和转速。

如图1所示，第一CPU在根据各个渠道所输入的数据，调用预先设置好的算法，实时计算所需要的输入电流和频率，然后生成第一IGBT单元触发信号数据，触发数据信号通过D/A转换单元U5进行数模转换后，传给光耦检测运放电路U6，运放电路U6进行触发数据信号的检测和放大处理后把触发数据信号发送给PWM调制单元U2，PWM调制单元U2把触发数据信号调制完成后，把触发数据信号传输给抽油机控制器三相输出门极驱动电路单元U3，三相输出门极驱动电路单元U3按照需要的负载要求把开关信号传给第一IGBT单元的门极驱动电路，控制第一IGBT单元给抽油机电机输出需要的负载电流和频率。

第一CPU、D/A转换单元U5、光耦检测运放电路U6、PWM调制单元U2、三相输出门极驱动电路单元U3共同组成第一控制模块，负责对第一IGBT单元进行控制。

这样整个系统实现根据工作需要，CPU根据算法自动优化出运转数据，实时动态的调节电机的运转速度。

进一步的：

理想工作状态下的抽油机电机的速度是无级调速的，其可以根据需要实时调节自身转速，抽油机电机的转速由两个方面决定：油井参数信息和抽油机的运转周期。

油井参数信息包括以下具体参数：油压、流量、含水量、井深，上述参数由云平台提供，云平台将具体的参数内容发送到每一个油井。抽油机在运转时其转速也是不断变化，具体而言，抽油机曲轴旋转时，其上、下冲次速度不一致，油井状态中的油井参数信息决定了抽油机电机的基础转速，抽油机的运转周期决定了实时运转速度。因此，需要根据需求实时改变三相电流的输出频率，第一CPU根据从云平台发来油压、流量、含水量、井深等数据计算出最佳上、下冲次速度。

如图5所示，在抽油机曲轴旋转经过的最高点拐点位置1安装第一死点监测开关，和最低点拐点位置2上安装第二死点监测开关，该死点检测开关为光电开关，3为抽油机配重，4为抽油杆。

当抽油杆4由最低处上升时，曲轴在拐点位置2开始顺时针运行，由于抽油机配重3的在最高处向下运行，势能做功，转化为电能，此时电机处于发电状态。当抽油机运动到平衡位置时，抽油机配重3继续向下运动，需要由抽油机电机带动向下运行，此时抽油机电机处于做功状态，当曲轴运行到拐点位置1时，抽油机配重3处于最低位置，抽油杆4处于最高位置，当抽油机继续运行时抽油杆4向下运行，此时抽油杆4的势能做功，转化成电能，抽油机电机处于发电状态，当抽油杆4和抽油机配重3达到水平位置时，抽油杆4继续向下运行就需要电能做功，带动抽油杆4向下；当曲轴到达拐点位置2时，一个运行周期完毕，此过程电机状态为：发电——做功——发电——做功。

由于抽油机配重3安装后无法随意更改，但是随着开采，油井下情况发生变化，造成油压和负载改变，所以需要对抽油机运行速度进行控制，在上冲程和下冲程使用不同的运行速度，当曲轴到达拐点位置1时，启动较慢的运行速度，当曲轴到达拐点位置2时，使用较快的速度运行，从而达到增加集油和减少漏失的效果。

本实施例中，第一死点监测开关或第二死点监测开关为触发光电开关，当抽油机曲轴在拐点位置2处触发光电开关给第一CPU发送信号，第一CPU得知信号抽油机驴头向下运动，抽油机电机处于发电状态，需要转速n1，当抽油机曲轴到达拐点位置1触发光电开关给第一CPU发送信号，第一CPU得知抽油机驴头向上运动，电机需要做功，此时需要转速n2；第一CPU控制第一IGBT单元，改变三相电流的频率，改变电机转速满足抽油机的需求。

进一步的：

为了达到更好的效果控制效果，可以在装置采用闭环反馈控制。

如图6所示，在抽油机电机上安装旋转编码器和对应的处理单元N1，抽油机电机运转时旋转编码器生成旋转数据，旋转数据经处理单元N1处理后生成转速数据发送给第一CPU；

再结合抽油机电机的实时转速数据，将其与所需要的转速n1、n2做比较，判断实时转速是否满足需要，满足则沿用，不满足则控制第一IGBT单元改变电流频率调节转速。

具体实施例3：

该实施例为抽油机负载补偿装置，如图1、2、3、4、11所示。

抽油机电机的输入电流决定了抽油机电机所能输出的力矩，抽油机的负载类型为拉杆活塞式负载，其转矩随着上下冲次不同的冲程高度而实时变化，其驴头位于上下死点位置时所需要的转矩最大，所以第一CPU需要根据负载的变化来调节抽油机电机电流。

抽油机开始工作时，第一CPU控制第一IGBT单元逐渐增加电压，抽油机电机电流逐渐变大，抽油机电机软启动。

抽油机电机启动完成，进入运转状态后，如图1所示，抽油机电机的三相电接输入端接入了安装有高灵敏度的霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3，霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3实时监测抽油机输入端电流数据并将其通过信号处理单元U11，经过处理后发送给第一CPU。电流在经过第一IGBT单元转换之前的直流母线上，装有母线监测单元U7,母线监测单元U7实时监测直流母线上的电压数据，并将数据处理后发送给第一CPU。

如图3所示，该装置采用闭环反馈控制原理，工作时第一CPU根据得到抽油机电机电流、母线电压数据，调用负载补偿算法计算抽油机电机的实时负载和所需电流，并判断直流母线上的电流和电压是否满足抽油机电机负载。

软启动过程中，电流一直处于无法满足抽油机电机负载的需求的状态，因此第一CPU控制抽油机电机电流逐渐增大。当电机电流增大到一定的程度后，抽油机电机电流进入不断变化的状态，此时，抽油机电机电流如果满足就继续沿用原来的输出，如果不满足则改变第一IGBT单元的触发信号，升高或降低电流，直到最后母线上的电流满足抽油机电机需要。

进一步的，为了检测电机电流：

如图2所示，霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、霍尔传感器H3监测到的信号不是直接的电流信号，其需要经过信号处理单元U11处理后再接入CPU。

抽油机电机电流是通过霍尔电流传感器H1、H2、H3获得幅值在±4V之内与实际电流同等周期的过零电压信号IU、IV、IW分别送至运放放大器U1A、U1B、U1C按比例降幅，由于本机第一CPU采用5V供电，并且只能接受0V以上模拟信号，故在运放放大器的反向输入端加上一个-2.5V的电压，将原来基准电压0V调整到2.5V，得到在2.5V的基准的交流电压信号1IU、1IV、1IW送至第一CPU进行处理，配合软件算法，从而得知实时电流大小。

进一步的，为了检测直流母线电压：

如图4所示，直流母线上的电压数据为模拟信号，需要通过母线监测单元U7内部的转换电路对其信号进行转换。

在直流母线P、N上，经过电阻R1、R2、R4，从电阻R4上取样，由于R1、R2、R4阻值不变，直流母线P、N上的电压升高或降低直接反应在电阻R4两端，R4两端的电压经过差分隔离放大器ACPL-7840进行隔离放大后，得到差分电压信号送至运算放大器U2A进行处理后，输出一个线性的电压信号VPN给第一CPU进行处理，配合软件算法，从而得知实时母线电压大小。

进一步的，速度和负载补偿同时调节，其所用算法为：

如图11所示，实际工作中第一IGBT单元是同时进行功率和速度的补偿控制，因此其实际的控制结构是一个由速度环和电流环组成的的双环结构。

速度环为外环，由速度给定与反馈速度进行比较，其差值经过PI调节后得到定子交轴分量Iq的给定值。电流环为内环，即双环结构，其给定值分别经过Clark变换，Park变换的反馈电流值进行比较，并且进行PI调节后输出电压的交、直分量Uq、Ud，然后经过Clark反变换、Park反变换，进行SVPWM调制计算出PWM占比，控制逆变输出电压。

系统中PI调节器采用的为增量式算法，公式如下：

n(k)＝n(k-1)+△n(k)

△n＝Kie(k)+Kp[e(k)-e(k-1)]

在上式中，n(k)为调节器本次输出量，n(k-1)为调节器上次输出量，△n(k)为两次之间的输出增量，Kp，Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数，e(k)为本次被控量的误差，e(k-1)为上次被控量误差。

由电流环计算得到Uq、Ud后，在经过反Park变换得到Uα、Uβ后，送入SVPWM模块，经过调制输出PWM波形。

Uα＝Udcosθ-Uqsinθ

Uβ＝Udcosθ+Uqsinθ

具体实施例4：

该实施例为电能补偿装置，如图7、8、9、10、12所示。

电能补偿主要时对抽油机电机对电网做功时产生的功率进行补偿：

抽油机运转时会电机会产生并网发电的现象，因此需要增加回馈单元做有功补偿。

如图7和图9所示，回馈单元从直流母线中接入直流电，经过保险丝FUSE后接入第二IGBT单元，第二IGBT单元将直流电逆变成三相交流电，最后并入电网中。

如图5所示，抽油杆4上升过程中，在曲轴拐点位置2启动，设定运行速度为V2，由于此时抽油机电机处于发电状态，产生的电能通过第一IGBT单元的续流二极管回到母线排Ip、In上，回馈单元中第二IGBT单元直流供电端和第一IGBT单元的直流供电相连接，此时母线排Ip、In同时通过熔断器FUSE给回馈单元供电，当第二控制模块检测到Ip、In端电压高于设定的回馈电压时，第二控制模块启动控制第二IGBT单元的控制程序，将直流电源逆变成和电网上L1、L2、L3电压相同的交流电源，同时相序检测单元U8检测进线电源的相序和第二IGBT单元逆变后的电源相序，并将信号传输给第二控制模块，第二控制模块调整第二IGBT单元的输出电源相序和电网L1、L2、L3相同，闭合合闸单元U9，回馈的电能回到电网中。同时在逆变后的三相电路中增加电抗器组ER1、ER2，并同时在两个电抗器组之间并联电容组C1，回馈的电能通过ER1、C1、ER2组成的LCL滤波器后才能回到电网中。

当抽油机电机运行超过临界点，成为做功状态时，母线Ip、In间的电压就会低于回馈设定电压，此时第二控制模块会停止对第二IGBT单元的输出控制，断开U9合闸单元，仅控制第一IGBT单元的逆变输出。

第二控制模块控制第二IGBT单元的方式与第一控制模块相同，检测电压的方式与实施例7中的方式相同。

进一步的，需要对电流相序进行检测：

回馈单元中有合闸单元U9和相序检测单元U8，相序检测单元U8判断电网三相交流电与回馈单元的逆变电压的相序进行比较，当相序对时控制合闸单元U9合闸。

如图10所示，三相交流电经降压，整流后变换为低压脉冲信号输入到电路中的A、B、C点，A、B两端信号经过电阻和稳压二极管限幅，整形后的到方波信号分别作为CD4013内部两个D触发器的时钟信号1CP和2CP，C端信号经微分电路变为尖峰脉冲作用于CD4013内部的两个复位端1RD和2RD，若相序正确，A、B、C点会顺序出现正脉冲，A点的方波上升沿首先使1Q输出高电平，然后2Q在B点的上升沿的作用下变为高电平，最后C点的上升沿在1RD、2RD端产生的尖脉冲使CD4013的两个触发器复位，Q1、Q2回到低电平，完成一次循环，三相交流电是周期信号，Q2输出脉冲频率与三相交流电频率相同，其电压的直流分量就是C2电容的电压，该电压使三极管MMBT4401导通，J1接口有24V电压，控制三相三只继电器吸合，若相序不对，则Q2输出保持低电平不变，三极管截止，J1接口无电压输出，三相三只继电器不吸合，则不合闸。

进一步的，抽油机电机为感性负载所以会产生无功功率，为提高功率因数需要对无功功率进行补偿。

如图7、8、12所示，结合具体实施例1中电路，系统实现交直交的电流转换，在这个过程中因为桥堆VD的单向导通特性，经过桥堆后系统不向电网产生无功功率。同时因为电动机是感性负载，系统的内部储能电容组也会补偿一定的感性无功。但VD整流时在一体机内部给储能电容组C2、C3充电时，要峰值大于电容电压时才能充电，因此会造成较大的谐波。所以直流回路增加了直流电抗器ER3来抑制高次谐波，减少机器内部的干扰。

具体实施例5：

抽油机速度补偿、功率补偿、电能补偿共同工作时，如图12和图5所示，抽油机工作一个周期，为抽油杆上下往复运动一次，即电机的工作状态为：发电——做功——发电——做功。

抽油杆4上升过程中，在曲轴拐点位置2启动，设定运行速度为V2，由于此时抽油机电机处于发电状态，产生的电能通过第一IGBT单元的续流二极管回到母线Ip、In上，回馈单元中第二IGBT单元直流供电端和第一IGBT单元的直流供电相连接，此时母线Ip、In同时通过熔断器Fuse给回馈单元供电，当第二CPU检测到Ip、In端电压高于设定的回馈电压时，第二CPU启动控制第二IGBT单元的控制程序，回馈单元将电能输送回电网中。

当抽油机运行到曲轴拐点位置1时，系统会按照设定的速度V1运行，此时抽油机电机处于发电状态。由于预先设定的V1<V2，首先第一CPU根据速度检测传感器，速度检测传感器由旋转编码器和对应的处理单元N组成，采集的速度数据和指令给的速度进行比较，第一CPU根据差值控制减小D/A转换单元U5输出的模拟量数据，PWM调制单元U2、D/A转换单元U5都分别接受到减小信号时，PWM调制器U2输出占空比减少，驱动单元U3将会驱动第一IGBT单元减小输出的交流电压，改变抽油机电机的转速。由于此时还处于发电状态，第二CPU同样会启动回馈单元F将产生的电能回馈到电网。

当抽油机电机再次运行到临界点时抽油机电机状态再次成为做功状态，第二CPU关闭回馈单元的控制。

当抽油杆4回到拐点2号位置时，将启动速度V2，由于V2>V1，速度检测传感器采集的数据和给定数据比较后，CPU将增加D/A转换单元U5的输出模拟量数据，PWM调制单元U2、D/A转换单元U5分别接收到增加信号时，PWM调制器U2输出占空比增加，驱动单元U3将会驱动IGBT1模块减小输出的交流电压，增加电机的转速。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，包括：

整流模块，所述整流模块配置为将三相电整流为直流电；

第一IGBT单元，所述第一IGBT单元连接整流模块和电机，所述第一IGBT单元配置为将所述整流模块生成的直流电转换为交流电接入电机；

通讯模块，所述通讯模块配置为连接抽油机云平台，所述通讯模块配置接收云平台提供的油井参数信息；

抽油机监测模块，所述抽油机监测模块配置为监测抽油机运行参数；

第一控制模块，所述第一控制模块连接所述通讯模块，所述第一控制模块连接所述抽油机监测模块，所述第一控制模块配置为根据所述油井参数信息、抽油机运行参数，控制所述第一IGBT单元根据需要实时调节电机速度。

2.根据权利要求1所述一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，所述整流模块包括：

整流桥堆，三相通过所述整流桥堆整流为直流电形成直流母线线路，所述第一IGBT单元作为负载接入所述直流母线形成回路；

第一电容，所述第一电容与所述第一IGBT单元并联；

第二电容，所述第二电容与所述第一IGBT单元并联，所述第二电容与所述第一电容串联，所述第一电容、第二电容形成储能电容组；

第一电阻，所述第一电阻与所述储能电容组串联，所述第一电阻与所述第一IGBT单元串联，所述第一电阻配置为限流电阻；

晶闸管模块，所述晶闸管模块与所述第一电阻并联，所述晶闸管模块与所述储能电容组串联，所述晶闸管模块与所述第一IGBT单元串联，所述第一控制模块连接所述晶闸管模块。

3.根据权利要求2所述一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，所述整流模块，还包括：

第二电阻；

第三电阻，所述第二电阻与第三电阻串联形成均压电阻组，所述均压电阻组与所述储能电容组并联，所述均压电阻组与所述第一电阻、晶闸管模块串联；

电流感抗器，所述电流感抗器与所述第一IGBT单元、储能电容组、均压电阻组、第一电阻、晶闸管模块串联；

第一熔断器，直流电经过所述第一熔断器后接入第一IGBT单元。

4.根据权利要求1所述一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，所述抽油机监测模块，包括：

死点监测开关，所述死点监测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最高点和最低点；

第一死点监测开关，所述第一死点监测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最高点；

第二死点监测开关，所述第二死点监测开关安装在抽油机曲轴旋转路径的最低点。

5.根据权利要求1所述一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，所述抽油机监测模块，还包括：

旋转编码器，所述旋转编码器安装在抽油机电机上，旋转编码器配置为监测电机的转速。

6.根据权利要求1所述一种基于云平台的抽油机速度补偿装置，其特征在于，所述第一控制模块包括：

第一CPU；

第一IGBT驱动模块，所述第一CPU通过所述第一IGBT驱动模块驱动所述第一IGBT单元；

所述第一IGBT驱动模块，从所述CPU开始至所述第一IGBT单元结束，依次连接的部件包括：

D/A转换单元；

光耦检测运放单元；

PWM调制单元；

三相输出门极驱动单元，所述三相输出门极驱动单元包括，U相驱动单元、V相驱动单元、W相驱动单元。

7.一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

T1：装置接入电网三相电，整流模块将交流电整流为直流电，第一控制模块控制第一IGBT单元打开将直流电逆变为三相电，然后供给电机让电机运转；

T2：通讯模块接收油井参数信息，并将油井参数信息传给第一CPU；

T3：抽油机监测模块获取抽油机的运行参数，并将运行参数传给第一CPU；

T4：第一CPU根据抽油机的运行参数和油井参数信息，计算电机的最佳转速；

T5：第一控制模块控制第一IGBT单元调整输出频率，输出让电机达到最佳转速的三相电流频率。

8.根据权利要求7所述一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，所述步骤T1包括：

T11：三相电通过整流桥堆整流为直流电；

T12：整流后通过第一电阻给储能电容组进行充电储能；

T13：储能电容组达到浮充电压后第一控制模块控制晶闸管模块导通，保持浮充电状态；

T14：整流后的直流电接入第一IGBT单元，第一IGBT单元将直流电逆变为交流电接入电机。

9.根据权利要求7所述一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，

所述步骤T3包括：

T31：抽油机曲轴旋转，触发死点检测开关生成触发信号；

T32：抽油机监测模块将触发信号发送第一CPU；

所述步骤T4包括：

T41：第一CPU根据信号判断抽油机曲轴处于最高点或最低点；

T42：第一CPU根据曲轴位置判断抽油机即将做上/下冲次运动；

T43：第一CPU根据抽油机的运行参数、油井参数信息结合速度环算法计算出电机的最佳转速。

10.根据权利要求7所述一种基于云平台的抽油机速度补偿方法，其特征在于，

所述步骤T5包括：

T51：第一CPU根据最佳转速计算出所需要的第一IGBT单元触发数据信号；

T52：数据信号通过D/A转换单元进行数模转换，然后传给光耦检测运放单元；

T53：光耦检测运放单元进行数据的检测和放大处理，然后将数据传入PWM调制单元；

T54：PWM调制单元进行数据调制，数据调制完成后，把信号传输给控制器三相输出门极驱动单元；

T55：三相输出门极驱动单元按照需要的触发数据信号要求把开关信号传给第一IGBT单元，控制第一IGBT单元给电动机输出需要的频率。

所述步骤T5之后，还包括步骤：

T6：旋转编码器向第一CPU发送信号，第一CPU根据信号计算出电机的运转速度；

T7：第一CPU根据电机的实际运转速度，结合最佳转速，调用控制算法调整第一IGBT单元的输出频率，实现电机速度的动态追踪补偿。