CN115095302A - 抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，包括：箱体，箱体内安装有第一电动机检测模块、控制模块、第二电动机检测模块、功率变换器、可编程控制器和变频器；控制模块与第一电动机检测模块、第二电动机检测模块和功率变换器连接，功率变换器与可编程控制器连接，可编程控制器与变频器连接。本发明通过对抽油机电动机的电流、电压和相位差的检测获取抽油机电机工作状态，控制模块根据抽油机电机工作状态判断抽油机是否平衡而进入自动调节，从而有效地保证各个抽油机处于平衡状态，使得抽油机平衡满足各个抽油井开采需求，同时提高工作人员的人身安全，省时省力，提高了抽油机周率平衡的自动调节能力。
Description
技术领域
本发明涉及平衡调节设备技术领域，特别涉及一种抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱。
背景技术
抽油机平衡度的好坏直接影响抽油机的寿命和电机的耗电量，及时调节抽油机的平衡，对抽油机安全生产，节能降耗有重要意义。
现有技术一，CN201010612679.1一种智能在线闭环抽油机平衡调节系统，该系统包括连杆、配重、传动装置、配重位移调节电动机和用于驱动电动机对配重位移进行调节控制的控制装置，传动装置、配重位移调节电动机设置在游梁上方，配重位移调节电动机通过传动装置与连杆的一端连接，连杆另一端与配重连接，所述游梁背离驴头的一端与连杆中部连接。可实现在不停机条件下的配重自动调节，使配重精度在±10％的精确调节。
现有技术二，CN201310184886.5抽油机平衡游标的调节控制装置及其控制方法，为了克服传统抽油机平衡调节的不足，本发明包括游标执行控制总成和地面采集分析控制总成，游标执行控制总成以太阳能储能为电源，并与地面采集分析控制总成之间采用无线通讯方式进行控制联系；地面采集分析控制总成通过对抽油机平衡度参数进行采集和分析，向游标执行控制总成发送指令控制平衡游标的移动用以调节抽油机平衡，以及其对应的控制方法。其有益效果是无需外接任何电源，解决了安全隐患和电缆寿命问题，并增大抽油机平衡度调节范围，同时提高系统自动化程度。
现有技术三，CN201911004824.5游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置，该方法首先分析抽油机系统运动规律和能量流通机理，建立电动机输入电功率积分值的变化和抽油机平衡度之间的关联关系数学模型；其次通过采集游梁式抽油机实时运行电参数，计算单位冲程或多冲程上、下冲程的功率积分比值在线检测抽油机系统平衡度；最后根据计算得平衡度并判断抽油机运行系统平衡状态，采用随动式伺服方法控制电动机带动丝杠调节平衡箱体位置移动以改变平衡力矩从而实现抽油机的最佳平衡状态的调整。与相关技术相比，游梁式抽油机的迭代逼近随动调平控制方法及装置提高了抽油机平衡调节的工作效率和生产安全系数，节能率可达3％，其工程应用性强。
目前抽油机周率平衡调节的效率较低，有的需要人工操作，一定程度上降低了抽油机的工作效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，包括：
箱体；
箱体内安装有第一电动机检测模块、控制模块、第二电动机检测模块、功率变换器、可编程控制器和变频器；
控制模块与第一电动机检测模块、第二电动机检测模块和功率变换器连接，功率变换器与可编程控制器连接，可编程控制器与变频器连接。
可选的，第一电动机检测模块，通过电流传感器、电压传感器、电机相位差检测仪及功率变换器分别对抽油机电动机的电流、电压、相位差及功率进行检测；
控制模块，接收第一电动机检测模块得到的抽油机电动机的电流、电压和相位差，判断抽油机电动机工作状态是否周率平衡，需要则控制第二电动机检测模块进行周率平衡调整；接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速；
第二电动机检测模块，控制平衡电机正向转动或者反向转动，实时调整平衡块靠近或远离抽油机支架轴，从而改变游梁尾部距支架轴的力矩直至抽油机周率平衡。
可选的，电流传感器为霍尔电流传感器，其传感单元的磁光材料为：掺杂Tb3+的稀土磁光玻璃。
可选的，磁光材料的费尔德常数V＝2.23×10-5rad/A，线偏正光的入射起偏角θ＝45°，载流导体电流I＝10kA，轴倾斜角β＝0.3°。
可选的，电压传感器的内部电路连接为：电容Cp1的正极与电机火线连接，负极与电容C3的正极、电容Cb1的正极连接，继电器开关S1与电容Cb1并联，电容Cb1的负极与电容C1的正极的一端，电阻R1、电容Cs1的正极及运算放大器U0的反相输入端连接，电容Cp2的负极与电机火线连接，正极与电容C3的负极、电容Cb2的正极连接，继电器开关S2与电容Cb2并联，电容Cb2负极与电容C2的正极，电阻R2、电容Cs2的正极及运算放大器U0的正相输入端连接，电容C1的负极及电容C2的负极连接GND。
可选的，功率变换器的电流控制模型为：
其中，电流控制模型为功率变换器在dq0坐标系下的数学模型，Dq表示功率变换器在q轴下的稳态运行的工作状态，Dd表示功率变换器在d轴下的稳态运行的工作状态，D0表示功率变换器在0轴下的稳态运行的工作状态，
和
分别表示电流id、iq和i0的指令值，id、iq和i0分别表示抽油机电动机d轴、q轴和0轴的采样电流，C(z)表示电流控制器算法函数，L表示电感，udc是功率变换器输出抽油机电动机d轴电压，uqc是功率变换器输出抽油机电动机q轴电压，c为功率变换器的桥臂，eq、ed和e0分别表示抽油机电动机q轴、d轴和0轴的采样电压，ω为功率变换器输出电压的角频率。
可选的，箱体的左侧和右侧开有多个散热孔，箱体的前端通过销轴安装有安全门，安全门上嵌装有观察窗。
可选的，散热孔采用正方形，长方形、菱形或三角形。
可选的，观察窗包括护膜粘胶层、聚烯烃层和呋喃胶泥层；
护膜粘胶层上涂覆有聚烯烃层，聚烯烃层上涂覆有呋喃胶泥层；
护膜粘胶层、聚烯烃层和呋喃胶泥层的厚度比例为2：0.5：1。
可选的，抽油机电动机的电流传感器与电流控制器连接，电压传感器与电压控制器连接，电流控制器和电压控制器分别对其交流信号进行调节，具体包括：
电流控制器Hi(s)的传递函数为：
式中，kpi和kii分别为电流环比例和积分调节器的比例系数和积分系数；s表示电流的状态变量的稳态值；
电压控制器Hv(a)的传递函数为：
其中，kpv和kiv分别为电压环比例谐振调节器的比例系数和积分系数，ω1为基波角频率，a表示电压的状态变量的稳态值。
本发明的第一电动机检测模块对抽油机电动机的电流、电压、相位差及功率进行检测；第二电动机检测模块控制平衡电机正向转动或者反向转动，实时调整平衡块靠近或远离抽油机支架轴，从而改变游梁尾部距支架轴的力矩直至抽油机周率平衡；控制模块判断抽油机电动机工作状态是否周率平衡，需要则控制第二电动机检测模块进行周率平衡调整；接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速。本发明通过对抽油机电动机的电流、电压和相位差的检测获取抽油机电机工作状态，控制模块根据抽油机电机工作状态判断抽油机是否平衡而进入自动调节，从而有效地保证各个抽油机处于平衡状态，使得抽油机平衡满足各个抽油井开采需求，同时提高工作人员的人身安全，省时省力，提高了抽油机周率平衡的自动调节能力。本发明的控制模块接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速，可编程控制器接收功率变换器发送来的信号，处理后将信号传送变频器，以控制电动机的转速，从而实现对抽油机的控制，实现配电箱的节能；本发明采用变频调速控制，则可以改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油井实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高抽油机的运行效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱的原理图。
图2为本发明实施例中电压传感器的内部电路连接示意图。
图3为本发明实施例中抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅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，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，包括：
第一电动机检测模块，通过电流传感器、电压传感器、电机相位差检测仪及功率变换器分别对抽油机电动机的电流、电压、相位差及功率进行检测；
控制模块，接收第一电动机检测模块得到的抽油机电动机的电流、电压和相位差，判断抽油机电动机工作状态是否周率平衡，需要则控制第二电动机检测模块进行周率平衡调整；接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速；
第二电动机检测模块，控制平衡电机正向转动或者反向转动，实时调整平衡块靠近或远离抽油机支架轴，从而改变游梁尾部距支架轴的力矩直至抽油机周率平衡。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明第一电动机检测模块对抽油机电动机的电流、电压、相位差及功率进行检测；第二电动机检测模块控制平衡电机正向转动或者反向转动，实时调整平衡块靠近或远离抽油机支架轴，从而改变游梁尾部距支架轴的力矩直至抽油机周率平衡；控制模块判断抽油机电动机工作状态是否周率平衡，需要则控制第二电动机检测模块进行周率平衡调整；接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速。本发明通过对抽油机电动机的电流、电压和相位差的检测获取抽油机电机工作状态，控制模块根据抽油机电机工作状态判断抽油机是否平衡而进入自动调节，从而有效地保证各个抽油机处于平衡状态，使得抽油机平衡满足各个抽油井开采需求，同时提高工作人员的人身安全，省时省力，提高了抽油机周率平衡的自动调节能力。本发明的控制模块接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速，可编程控制器接收功率变换器发送来的信号，处理后将信号传送变频器，以控制电动机的转速，从而实现对抽油机的控制，实现配电箱的节能；本发明采用变频调速控制，则可以改变抽油机长期处于低效做功的状态，使其工作方式与油井实际负荷相匹配，保证每次都抽油，减少低效甚至无效抽取，从而降低电费开支，减少维护成本，提高抽油机的运行效率。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明实施例提供的电流传感器为霍尔电流传感器，其传感单元的磁光材料为：掺杂Tb3+的稀土磁光玻璃，磁光材料的费尔德常数V＝2.23×10-5rad/A，线偏正光的入射起偏角θ＝45°，载流导体电流I＝10kA，轴倾斜角β＝0.3°。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明采用传感单元的磁光材料掺杂Tb3+的稀土磁光玻璃的电流传感器，提高了电流传感器的灵敏度，提高了抽油机电动机的电流检测的准确度，采用线偏正光的入射起偏角θ＝45°提高了电流传感器的耦合效率，将轴倾斜角的对耦合效率的干扰降到最低，降低了入射起偏角对电流传感的影响，提高了电流传感的精度。
实施例3
如图2所示，本发明实施例提供的电压传感器的内部电路连接为：电容Cp1的正极与电机火线连接，负极与电容C3的正极、电容Cb1的正极连接，继电器开关S1与电容Cb1并联，电容Cb1的负极与电容C1的正极的一端，电阻R1、电容Cs1的正极及运算放大器U0的反相输入端连接，电容Cp2的负极与电机火线连接，正极与电容C3的负极、电容Cb2的正极连接，继电器开关S2与电容Cb2并联，电容Cb2负极与电容C2的正极，电阻R2、电容Cs2的正极及运算放大器U0的正相输入端连接，电容C1的负极及电容C2的负极连接GND。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：由于抽油机工作环境复杂，使得抽哟及相关测量设备容易产生较大的误差，本发明通过上述电路，通过对采集抽油机电动机的电压测量值重构获取到准确的电压值，提高了对抽油机电动机电压的测量精度，降低了电压的测量误差，为后续的周率平衡调整提供了准确的数据基础，同时对抽油机整体设备的稳定性及可靠性提供了硬件基础。
实施例4
在实施例1的基础上，本发明实施例提供的功率变换器的电流控制模型为：
其中，电流控制模型为功率变换器在dq0坐标系下的数学模型，Dq表示功率变换器在q轴下的稳态运行的工作状态，Dd表示功率变换器在d轴下的稳态运行的工作状态，D0表示功率变换器在0轴下的稳态运行的工作状态，
和
分别表示电流id、iq和i0的指令值，id、iq和i0分别表示抽油机电动机d轴、q轴和0轴的采样电流，C(z)表示电流控制器算法函数，L表示电感，udc是功率变换器输出抽油机电动机d轴电压，uqc是功率变换器输出抽油机电动机q轴电压，c为功率变换器的桥臂，eq、ed和e0分别表示抽油机电动机q轴、d轴和0轴的采样电压，ω为功率变换器输出电压的角频率。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明的功率变换器的电流控制模型，消除了d轴和q轴间的耦合，提高了功率变换器输出抽油机电动机功率的结果的正确率，采用前馈补偿的方式，消除轴间耦合，降低轴间耦合对功率的跟踪的影响，实现控制抽油机电动机的转速精准变频控制，实现配电箱的节能。
实施例5
在实施例1的基础上，本发明实施例提供的抽油机电动机的电流传感器与电流控制器连接，电压传感器与电压控制器连接，电流控制器和电压控制器分别对其交流信号进行调节，具体包括：
电流控制器Hi(s)的传递函数为：
式中，kpi和kii分别为电流环比例和积分调节器的比例系数和积分系数；s表示电流的状态变量的稳态值；
电压控制器Hv(a)的传递函数为：
其中，kpv和kiv分别为电压环比例谐振调节器的比例系数和积分系数，ω1为基波角频率，a表示电压的状态变量的稳态值。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明采用电流控制器和电压控制器分别对其交流信号进行调节，提高了抽油机电动机的工作稳定性，使得抽油机电动机在额定电压和额定电流下正常工作，能够保证抽油机电动机在额定功率下工作，对提高抽油的效率及延长设备使用寿命有很大的帮助；本发明通过对电压和电流优化，进而保证功率的稳定，实现了抽油机的智慧调节，实现了设备的智能化调节和自动控制水平的提高。
实施例6
如图3所示，本发明实施例提供的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，还包括：箱体1、散热孔2、观察窗3和安全门4。
箱体1的左侧和右侧开有多个散热孔2，箱体1的前端通过销轴安装有安全门4，安全门4上嵌装有观察窗3。
箱体1的内部安装有第一电动机检测模块、控制模块、第二电动机检测模块、功率变换器、可编程控制器和变频器。控制模块与第一电动机检测模块、第二电动机检测模块和功率变换器连接，功率变换器与可编程控制器连接，可编程控制器与变频器连接。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明设置有散热孔，散热孔采用正方形，长方形、菱形或三角形等，提高了配电箱的散热效率，对箱体内的设备的工作稳定性及延长使用寿命有促进作用；设置有观察窗便于操作人员及时观察设备的工作状况，若发现故障及时排查处理；设置有安全门提高配电箱的安全性，降低危险；第一电动机检测模块对抽油机电动机的电流、电压、相位差及功率进行检测；控制模块判断抽油机电动机工作状态是否周率平衡，需要则控制第二电动机检测模块进行周率平衡调整；接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速；第二电动机检测模块控制平衡电机正向转动或者反向转动，实时调整平衡块靠近或远离抽油机支架轴，从而改变游梁尾部距支架轴的力矩直至抽油机周率平衡。
本发明的控制模块接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速，可编程控制器接收功率变换器发送来的信号，处理后将信号传送变频器，以控制电动机的转速，从而实现对抽油机的控制，实现配电箱的节能。
实施例7：
在实施例6的基础上，本发明实施例提供的观察窗3包括护膜粘胶层、聚烯烃层和呋喃胶泥层。
护膜粘胶层上涂覆有聚烯烃层，聚烯烃层上涂覆有呋喃胶泥层。
护膜粘胶层、聚烯烃层和呋喃胶泥层的厚度比例为2：0.5：1。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明采用护膜粘胶层提高了观察窗的硬度，提高了耐磨性，降低了设备的使用成本；聚烯烃层和呋喃胶泥层的配合使用提高了配电箱的防腐性能，由于抽油机工作环境复杂，容易存在碱性或酸性环境，此方案对配电箱内设备防护起到了很好的作用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，包括：
箱体；
箱体内安装有第一电动机检测模块、控制模块、第二电动机检测模块、功率变换器、可编程控制器和变频器；
控制模块与第一电动机检测模块、第二电动机检测模块和功率变换器连接，功率变换器与可编程控制器连接，可编程控制器与变频器连接。
2.如权利要求1所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，
第一电动机检测模块，通过电流传感器、电压传感器、电机相位差检测仪及功率变换器分别对抽油机电动机的电流、电压、相位差及功率进行检测；
控制模块，接收第一电动机检测模块得到的抽油机电动机的电流、电压和相位差，判断抽油机电动机工作状态是否周率平衡，需要则控制第二电动机检测模块进行周率平衡调整；接收功率变换器的信号，控制抽油机电动机的转速；
第二电动机检测模块，控制平衡电机正向转动或者反向转动，实时调整平衡块靠近或远离抽油机支架轴，从而改变游梁尾部距支架轴的力矩直至抽油机周率平衡。
3.如权利要求2所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，电流传感器为霍尔电流传感器，其传感单元的磁光材料为：掺杂Tb3+的稀土磁光玻璃。
4.如权利要求3所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，磁光材料的费尔德常数V＝2.23×10-5rad/A，线偏正光的入射起偏角θ＝45°，载流导体电流I＝10kA，轴倾斜角β＝0.3°。
5.如权利要求2所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，电压传感器的内部电路连接为：电容Cp1的正极与电机火线连接，负极与电容C3的正极、电容Cb1的正极连接，继电器开关S1与电容Cb1并联，电容Cb1的负极与电容C1的正极的一端，电阻R1、电容Cs1的正极及运算放大器U0的反相输入端连接，电容Cp2的负极与电机火线连接，正极与电容C3的负极、电容Cb2的正极连接，继电器开关S2与电容Cb2并联，电容Cb2负极与电容C2的正极，电阻R2、电容Cs2的正极及运算放大器U0的正相输入端连接，电容C1的负极及电容C2的负极连接GND。
6.如权利要求2所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，功率变换器的电流控制模型为：
其中，电流控制模型为功率变换器在dq0坐标系下的数学模型，Dq表示功率变换器在q轴下的稳态运行的工作状态，Dd表示功率变换器在d轴下的稳态运行的工作状态，D0表示功率变换器在0轴下的稳态运行的工作状态，
和
分别表示电流id、iq和i0的指令值，id、iq和i0分别表示抽油机电动机d轴、q轴和0轴的采样电流，C(z)表示电流控制器算法函数，L表示电感，udc是功率变换器输出抽油机电动机d轴电压，uqc是功率变换器输出抽油机电动机q轴电压，c为功率变换器的桥臂，eq、ed和e0分别表示抽油机电动机q轴、d轴和0轴的采样电压，ω为功率变换器输出电压的角频率。
7.如权利要求1所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，箱体的左侧和右侧开有多个散热孔，箱体的前端通过销轴安装有安全门，安全门上嵌装有观察窗。
8.如权利要求7所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，散热孔采用正方形，长方形、菱形或三角形。
9.如权利要求7所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，观察窗包括护膜粘胶层、聚烯烃层和呋喃胶泥层；
护膜粘胶层上涂覆有聚烯烃层，聚烯烃层上涂覆有呋喃胶泥层；
护膜粘胶层、聚烯烃层和呋喃胶泥层的厚度比例为2：0.5：1。
10.如权利要求1所述的抽油机周率平衡智慧调节的节能配电箱，其特征在于，抽油机电动机的电流传感器与电流控制器连接，电压传感器与电压控制器连接，电流控制器和电压控制器分别对其交流信号进行调节，具体包括：
电流控制器Hi(s)的传递函数为：
式中，kpi和kii分别为电流环比例和积分调节器的比例系数和积分系数；s表示电流的状态变量的稳态值；
电压控制器Hv(a)的传递函数为：
其中，kpv和kiv分别为电压环比例谐振调节器的比例系数和积分系数，ω1为基波角频率，a表示电压的状态变量的稳态值。
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