CN112422016A - 一种油田抽油机自适应智能节能控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油田抽油机自适应智能节能控制方法，包括辨别抽油机每次冲程里的工作状态、抽油机电动状态时调压、抽油机发电状态时调频和回归至正常的VF曲线等几个步骤，油田抽油机自适应智能节能控制系统包括控制器电压频率独立VF控制模块、调压模块、调频模块和回归模块等几个模块，本发明能实现抽油机的自适应智能节能控制，实现抽油机工作于发电状态时提高电动机的运行转速，工作于电动状态时恢复到正常的运行转速，从而实现同等时间内，冲程次数不低于正常冲次，单位时间，单位能量的抽油量只会提高不会降低，本发明独创的VF独立控制方法，可以实现空载时自动降低输出电压、输出电流，发电情况下自动储能，从而达到节能的目的，可广泛应用于油田抽油机、离心机、机床等具有电动和发电两种工作模式的应用场合。

Description

一种油田抽油机自适应智能节能控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及油田抽油机智能控制技术领域，特别是涉及一种油田抽油机自适应智能节能控制方法及其控制系统。

背景技术

石油作为国家的战略能源，象征着一个国家的实力，具有非常重要的地位。我国的油田行业目前使用量最大的是四连杆抽油机，俗称驴头式抽油机，对于油田的四连杆抽油机，目前主要是异步电机拖动，目前有2种，第一种是工频异步抽油机，第二种是变频异步抽油机。变频异步抽油机具有启动平稳，节能环保，变频调速可提高采油效率等方面具有明显优势，因此变频抽油机成为了油田行业的发展趋势。

油田所用的四连杆抽油机，循环往复的工作在电动和发电这两种工作状态，在电动状态下，在电动状态下，电动机耗电，将电能转化为重力势能，而在发电状态下，电动机发电，传统的控制器将发的电通过电阻消耗掉，这就造成了能量的浪费，并且传统的控制器在负载较轻时，仍然保持较高的输出电压、30％～50％的输出电流，造成了能量浪费。而抽油机在上升时处于电动状态，下降时处于发电状态，传统的抽油机控制器必须采用制动电阻，将发电所产生的能量变成热量散发到空气中，这无疑就造成了能量的浪费。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种油田抽油机自适应智能节能控制方法及其控制系统，能自适应地实现VF均衡控制，自动调节控制器的输出电压和输出频率，使两者均衡协调控制，两者既能独立控制，又能协调控制，用于解决现有技术中抽油机电动和发电状态中能量被浪费的问题。

本发明提供一种油田抽油机自适应智能节能控制方法，包括如下步骤：

S1、辨别抽油机每次冲程里的工作状态，控制器自动识别抽油机电动或发电的工作状态，通过VF控制方法分别控制和调节电动机的电压或频率；

S2、抽油机电动状态时调压，控制器检测输出电压的幅值和相位的变化，控制器检测输出电流的幅值和相位的变化，通过计算输出电压和输出电流的夹角判断有功和无功分量的比重，获知电机负载的轻重，通过VF分离的方法保持频率不变，通过调节输出电压实现减少电机和控制器的损耗；

S3、抽油机发电状态时调频，控制器自动检测出发电能量的多少，将所述控制器的输出频率调高，通过VF分离的方法保持控制器的母线电压不变，将机械的重力势能转化为动能存储到储存介质，制动电阻不发热，抽油机的电能损耗减少；

S4、回归至正常的VF曲线，当输出电流与输出电压的相位差为0时，使输出频率不再升高；当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

进一步地，所述抽油机处于电动状态时，电动机耗电，电能转化为重力势能；发电状态下，电动机发电并将其储存供下一次电动状态使用。

进一步地，所述抽油机电动状态时调压的具体过程是负载较轻时，通过VF分离的方法，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压；负载较重时，VF分离恢复到正常的VF曲线，按照所述的给定的VF曲线运行。

进一步地，所述抽油机发电状态时调频的具体过程是将VF分离，保持电压不变，输出电流相位超前输出电压相位越多，输出频率增加的越高，并保持直流母线电压维持不变，当输出电流与输出电压的相位差为0时，输出频率不再升高，当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

一种油田抽油机自适应智能节能控制系统，其包括如下几个模块：

控制器电压频率独立VF控制模块，用以辨别抽油机每次冲程里的工作状态，控制器自动识抽油机电动或发电的工作状态，通过VF控制方法分别控制和调节电动机的电压或频率；

调压模块，用以检测输出电压的幅值和相位的变化，控制器检测输出电流的幅值和相位的变化，获知电机负载的轻重，通过VF分离的方法保持频率不变，通过调节输出电压实现减少电机和控制器的损耗；

调频模块，用以控制器自动检测出发电能量的多少，将所述控制器的输出频率调高，通过VF分离的方法保持控制器的母线电压不变，将机械的重力势能转化为动能存储到储存介质，制动电阻不发热，抽油机的电能损耗减少；

回归模块，当输出电流与输出电压的相位差为0时，用以使输出频率不再升高；当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

进一步地，控制器电压频率独立VF控制模块，能自动均衡协调又能独立控制调节控制器的输出电压和输出频率。

进一步地，所述调压模块用以负载较轻时，通过VF分离的方法，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压；负载较重时，VF分离恢复到正常的VF曲线，按照所述的给定的VF曲线运行。

进一步地，所述调频模块用以将VF分离，保持电压不变，输出电流相位超前输出电压相位越多，输出频率增加的越高，并保持直流母线电压基本维持不变，当输出电流与输出电压的相位差为0时，输出频率不再升高，当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线，于本发明的一实施例中，本发明的油田自适应智能节能控制器，可以将电动机下降过程中产生的能量储存起来，在下一次上升电动过程中使用，并且可根据负载自动适应智能调节，使泵升用的制动电阻不再动作，不需要发热，在负载较轻时，控制器可自动降低输出电压，降低输出电流，同时保持输出频率不变，在轻载同样达到了节能的目的。

如上所述，本发明的一种油田抽油机自适应智能节能控制方法及其控制系统，具有以下有益效果：

(1)本发明为自适应智能节能抽油机专用控制器的控制方法和系统，利用自适应智能的VF控制控制方案，具有自动根据负载情况，自动调节输出频率和输出电压，具有简单、可靠，节能效果明显、无需增加系统成本等优点，相比传统的抽油机在发电状态时通过电阻消耗造成的能量浪费，本发明可比传统的抽油机控制器节能率达到了30％以上。

(2)本发明为自适应智能节能控制器的控制方法和系统具有独创的空载时自动降低输出电压、输出电流和电动机发电状态下自动储存能量的效果，可广泛应用于具有电动和发电两种工作模式的应用场合，非常适合广泛应用于油田抽油机、离心机、机床等应用场合，均可实现空载时自动降低输出电压、输出电流，发电情况下可自动储能，从而达到节能的目的。

(2)本发明的抽油机为自适应智能节能控制模式，能实现抽油机工作于发电状态时提高电动机的运行转速，工作于电动状态时恢复到正常的运行转速，从而实现同等时间内，冲程次数不低于正常冲次，单位时间，单位能量的抽油量只会提高，不会降低。

附图说明

图1显示为本发明的油田抽油机自适应智能节能控制方法的流程框图；

图2显示为本发明的油田抽油机自适应智能节能控制系统的流程框图；

图3显示为本发明的油田抽油机的系统组成结构图；

图4显示为本发明的控制器的工作原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参见图1-4，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种油田抽油机自适应智能节能控制方法，包括如下步骤：

S1、辨别抽油机每次冲程里的工作状态，控制器自动识别抽油机电动或发电的工作状态，通过VF控制方法分别控制和调节电动机的电压或频率；

S2、抽油机电动状态时调压，控制器检测输出电压的幅值和相位的变化，控制器检测输出电流的幅值和相位的变化，通过计算输出电压和输出电流的夹角判断有功和无功分量的比重，获知电机负载的轻重，通过VF分离的方法保持频率不变，通过调节输出电压实现减少电机和控制器的损耗；

具体地，所述抽油机处于电动状态时，电动机耗电，电能转化为重力势能；发电状态下，电动机发电并将其储存供下一次电动状态使用。

S3、抽油机发电状态时调频，控制器自动检测出发电能量的多少，将所述控制器的输出频率调高，通过VF分离的方法保持控制器的母线电压不变，将机械的重力势能转化为动能存储到储存介质，制动电阻不发热，抽油机的电能损耗减少；

所述抽油机电动状态时调压的具体过程是负载较轻时，通过VF分离的方法，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压；负载较重时，VF分离恢复到正常的VF曲线，按照所述的给定的VF曲线运行。

S4、回归至正常的VF曲线，当输出电流与输出电压的相位差为0时，使输出频率不再升高；当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线，具体地，所述抽油机发电状态时调频的具体过程是将VF分离，保持电压不变，输出电流相位超前输出电压相位越多，输出频率增加的越高，并保持直流母线电压维持不变，当输出电流与输出电压的相位差为0时，输出频率不再升高，当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

如图2所示，一种油田抽油机自适应智能节能控制系统，其包括如下几个模块：

控制器电压频率独立VF控制模块，用以辨别抽油机每次冲程里的工作状态，控制器自动识抽油机电动或发电的工作状态，通过VF控制方法分别控制和调节电动机的电压或频率；控制器电压频率独立VF控制模块，能自动均衡协调又能独立控制调节控制器的输出电压和输出频率。

调压模块，用以检测输出电压的幅值和相位的变化，控制器检测输出电流的幅值和相位的变化，获知电机负载的轻重，通过VF分离的方法保持频率不变，通过调节输出电压实现减少电机和控制器的损耗；所述调压模块用以负载较轻时，通过VF分离的方法，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压；负载较重时，VF分离恢复到正常的VF曲线，按照所述的给定的VF曲线运行。

调频模块，用以控制器自动检测出发电能量的多少，将所述控制器的输出频率调高，通过VF分离的方法保持控制器的母线电压不变，将机械的重力势能转化为动能存储到储存介质，制动电阻不发热，抽油机的电能损耗减少；所述调频模块用以将VF分离，保持电压不变，输出电流相位超前输出电压相位越多，输出频率增加的越高，并保持直流母线电压基本维持不变，当输出电流与输出电压的相位差为0时，输出频率不再升高，当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

回归模块，当输出电流与输出电压的相位差为0时，用以使输出频率不再升高；当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

本发明的抽油机为四连杆抽油机，多数为异步电机驱动，有工频和变频两种应用。抽油机工作时，如图3所示，电动机以单方向运行，以驴头为参考，假加驴头上升过程为电动状态，那么下降过程为发电状态，每1次冲程里，电动机工作在电动和发电两种状态，下面从以下三种情况说明该自适应智能节能控制器的工作原理：

如图4所示，一是：当抽油机工作于电动状态时，控制器可以自动检测输出电压和输出电流的幅值及相位的变化，获知电机负载的大小。在负载较轻时，输出频率保持不变，自动降低输出电压，从而减小控制器和电机的损耗；在负载较重时，输出频率同样保持不变，自动升高输出电压，使其与所需负载平衡，增加控制器的带载能力。

二是：当抽油机工作于在发电状态时，控制器可以自动检测发电能量的多少，自动升高控制器的输出频率，使得控制器的母线电压基本保持不变，将机械的重力势能转化为动能存储起来，母线电压不会像变频器运行时那样持续升高，从而实现泵升制动管无需动作，制动电阻不发热，大为减小普通变频器控制的抽油机的电能损耗。制动电阻只是在正常快速停机时需要瞬时动作一下。

三是：自适应智能节能控制，实现抽油机工作于发电状态时提高电动机的运行转速，工作于电动状态时恢复到正常的运行转速，从而实现同等时间内，冲程次数不低于正常冲次，单位时间，单位能量的抽油量只会提高，不会降低。

我们在某市某四连杆抽油机的应用现场，进行了实际的测试验证，给定频率是45Hz，电动状态下运行时，输出电压最低为220V，重载时到达350V。发电状态运行时，可以明显看到频率上升，正常运行频率为45Hz，发电过程中，频率由45Hz上升到55Hz，制动用的电阻无需工作。使用功率分析仪器对比测试了多台油井，自适应智能节能控制器比普通控制器节能率达到了30％以上。

综上所述，本发明主要是针对异步变频抽油机控制器的这个弊病，提出一种油田自适应智能节能控制的方法和系统，可以将电动机下降过程中产生的能量储存起来，在下一次上升电动过程中使用，并且，可根据负载自动适应智能调节，使泵升用的制动电阻不再动作，不需要发热。并且，在负载较轻时，控制器可自动降低输出电压，降低输出电流，同时保持输出频率不变，在轻载同样达到了节能的目的。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值，本发明为自适应智能节能控制器具有独创的空载时自动降低输出电压、输出电流和电动机发电状态下自动储存能量的技术。可广泛应用于具有电动和发电两种工作模式的应用场合，可广泛应用于油田抽油机、离心机、机床等应用场合，均可实现空载时自动降低输出电压、输出电流，发电情况下可自动储能，从而达到节能的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种油田抽油机自适应智能节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、辨别抽油机每次冲程里的工作状态，控制器自动识别抽油机电动或发电的工作状态，通过VF控制方法分别控制和调节电动机的电压或频率；

S2、抽油机电动状态时调压，控制器检测输出电压的幅值和相位的变化，控制器检测输出电流的幅值和相位的变化，通过计算输出电压和输出电流的夹角判断有功和无功分量的比重，获知电机负载的轻重，通过VF分离的方法保持频率不变，通过调节输出电压实现减少电机和控制器的损耗；

S3、抽油机发电状态时调频，控制器自动检测出发电能量的多少，将所述控制器的输出频率调高，通过VF分离的方法保持控制器的母线电压不变，将机械的重力势能转化为动能存储到储存介质，制动电阻不发热，抽油机的电能损耗减少；

S4、回归至正常的VF曲线，当输出电流与输出电压的相位差为0时，使输出频率不再升高；当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

2.根据权利要求1所述的油田抽油机自适应智能节能控制方法，其特征在于：所述抽油机处于电动状态时，电动机耗电，电能转化为重力势能；发电状态下，电动机发电并将其储存供下一次电动状态使用。

3.根据权利要求1所述的油田抽油机自适应智能节能控制方法，其特征在于：所述抽油机电动状态时调压的具体过程是负载较轻时，通过VF分离的方法，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压；负载较重时，VF分离恢复到正常的VF曲线，按照所述的给定的VF曲线运行。

4.根据权利要求1所述的油田抽油机自适应智能节能控制方法，其特征在于：所述抽油机发电状态时调频的具体过程是将VF分离，保持电压不变，输出电流相位超前输出电压相位越多，输出频率增加的越高，并保持直流母线电压维持不变，当输出电流与输出电压的相位差为0时，输出频率不再升高，当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

5.如权利要求1-4任一项所述的油田抽油机自适应智能节能控制系统，其特征在于：包括如下几个模块：

控制器电压频率独立VF控制模块，用以辨别抽油机每次冲程里的工作状态，控制器自动识抽油机电动或发电的工作状态，通过VF控制方法分别控制和调节电动机的电压或频率；

调压模块，用以检测输出电压的幅值和相位的变化，控制器检测输出电流的幅值和相位的变化，获知电机负载的轻重，通过VF分离的方法保持频率不变，通过调节输出电压实现减少电机和控制器的损耗；

调频模块，用以控制器自动检测出发电能量的多少，将所述控制器的输出频率调高，通过VF分离的方法保持控制器的母线电压不变，将机械的重力势能转化为动能存储到储存介质，制动电阻不发热，抽油机的电能损耗减少；

回归模块，当输出电流与输出电压的相位差为0时，用以使输出频率不再升高；当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

6.根据权利要求5所述的油田抽油机自适应智能节能控制方法，其特征在于：控制器电压频率独立VF控制模块，能自动均衡协调又能独立控制调节控制器的输出电压和输出频率。

7.根据权利要求5所述的油田抽油机自适应智能节能控制系统，其特征在于：所述调压模块用以负载较轻时，通过VF分离的方法，将输出频率保持不变，降低同等频率下的输出电压；负载较重时，VF分离恢复到正常的VF曲线，按照所述的给定的VF曲线运行。

8.根据权利要求5所述的，其特征在于：所述调频模块用以将VF分离，保持电压不变，输出电流相位超前输出电压相位越多，输出频率增加的越高，并保持直流母线电压基本维持不变，当输出电流与输出电压的相位差为0时，输出频率不再升高，当输出电流相位滞后于输出电压时，工作状态由VF分离恢复到正常的VF曲线。

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