CN1323098A - 抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备 - Google Patents

Abstract

抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备。现有的高效电动机转子电阻大,负荷稍重就耗能急剧增大,并且发热严重,由于过热产生的返修率也高于原有电机,并且使用寿命远低于前者。本产品的组成包括:原有的电动机的零部件,其绕组每相分为2或3或4段,每段的抽头分别与智能控制设备相连,并将三相绕组的线圈“△”接或者“Y”接或者“△Y”接的方式接线。本产品用于需要高启动转矩、高效节能的油田游梁式抽油机上。

Description

抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备

本发明创造涉及一种高启动转矩的高效节能电机，也是一种可以在油田的游梁式抽油机上使用的具有高启动转矩的节能电机及其根据载荷选定绕组的智能控制设备。

现有的油田抽油机电机包括两大部分，即普通的Y系列电机和高滑率电机。由于采油过程中的负载变化比较大，特别是启动时的载荷与持续工作载荷相差特别大。这样，在使用普通的Y系列电机的时候，为了满足启动的要求必须按照启动转矩选用电机，平均是正常工作的功率的两倍，这样就造成电机长期在低载荷下运行，效率和功率因数都很低。取而代之的高滑率电机提高了启动转矩，能够实现一定程度的节能，但因转子电阻大，负荷稍重就耗能急剧增大，并且发热严重，以致不能采用封闭式电机，绕组外露，在电机的定子端部绕组接有6个温度传感器这使电机的可靠性下降，成本上升，长期野外运行易于损坏。即使不封闭使用，电机也由于过热产生的返修率也高于原有电机，以致使用寿命远低于前者。

本发明创造的目的在于提供一种抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，启动转矩高，可以根据载荷情况选用承担相应载荷的绕组。

本发明创造的目的是这样实现的：

抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，其组成包括：电动机的零部件，所述的电动机的绕组每相分为2或3或4段，每段的抽头与智能控制设备相连，所述的智能控制设备将三相绕组“△”接或者“Y”接或者“△Y”混合接的方式接线。

上述的抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，所述的智能控制设备与电动机的接线方式是将所述的抽头根据分成的段数相应分成2或3或4组，根据所测负载情况自动换组。

上述的抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，所述的智能控制设备包括与所述的电动机相连的电流互感器、与所述的电流互感器相连的采样电阻、与所述的采样电阻相连的有效值电路、与所述的有效值电路相连的带有周期平均值计算和反时限计算功能的CPU、与所述的CPU相连的动作继电器、连接所述的动作继电器和所述的电动机的交流接触器或无触点开关。

本发明创造的优点在于：

1．本产品通过对电机每相绕组分段的方式，改变电机的工作参数，以得到高转矩和按档降低的低转矩，由于不需采用耗能发热量大的转子电阻，克服了长期以来，使用转子电阻的发热问题和使用普通Y系列电动机出现的启动与运行功率因数差问题。

2．在抽油工作过程中需要的工作功率，远小于启动功率，采用常规的降低电机输出功率的方法，虽然效果显著，但是由于受环境温度、潮汐等影响，抽油机的负载情况可能会发生很大变化，本产品可以随电机的输出功率跟随负载上升或者下降，即通过计算波动负载下抽油机电机的平均负载功率来控制电机的输出功率。根据测得的或者规定的负载情况自动调换或者手工调换工作位置即工作圈数，工作效率高，可以适应载荷的变化，在额定载荷为0-150％的情况下，均可以取得较高的功率因数和与之配合的整机的工作效率，其节能效果，可以达到10-20％。本产品不但能够节约有功功率，而且能够节约无功功率，效果明显，可以降低电网污染。

3．采用普通的电动机零部件，对于电机部分，仅仅是改变了电机的抽头连接的结构方案，使用原来的机械零件生产线就可以更换机型，不需要新的电动机生产线投入，单台电机月节电900度一年即可收回成本，其控制系统的价格也低于高滑电机。因此，本产品易于推广使用，能够及时地进入工业化生产、取得巨大的社会效益、在短期内节约大量能源。

4．解决了发热问题，提高了电机的使用寿命，并且降低了因电动机故障停工比例，能够带来较大的工作效益。

附图1是本发明创造的结构示意图。

附图2是绕组接线和智能控制选载的示意图。

附图3是所述的智能控制装置的工作原理图。

附图4是所述的智能控制装置的流程图。

附图5是有效值电路的一种典型电路图。附图6是有关采样电阻的电路图。

下面结合附图作进一步的说明：

实施例1：

抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，其组成包括：原有的电动机1的零部件，所述的电动机的绕组2每相分为2或3或4段，抽头位置标记为：第一相A1、A2、A3、A4，第二相B1、B2、B3、B4，第3相C1、C2、C3、C4，每段的抽头分别与智能控制设备的可调控制端子D1、D2、D3相连，通过所述的智能控制装置将三相绕组的线圈“△”接或者“Y”接或者“△Y”混合接的方式接线，通过可调控制端子选择线圈的工作长度即与其中一个长度的接线相连接，如将D1、D2、D3分别与A2、B2、C2联接或者分别与A3、B3、C3相联接。

即所述的智能控制设备与电动机的接线是将所述的抽头根据分成的段数相应分成2或3或4组，根据所测负载情况自动或者手工换组。

实施例2：

上述的抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，所述的智能控制设备包括与所述的电动机相连的电流互感器、通过该互感器可以将主回路的电流变为0-5安培的交流信号电流，与所述的电流互感器相连的采样电阻可以为0.1欧姆5瓦、与所述的采样电阻相连的是有效值电路、对于有效值电路可以参考附图5中的电路图，与所述的有效值电路相连的是带有周期平均值计算和反时限计算功能的CPU、该CPU可以是单片机、单板机、工业PC机等，例如8031单片机，其中所携带的所述的周期平均值算法是根据抽油机的负载周期变化规律在负载变化的一个或者多个周期内(指配重块运动的一个周期)等间隔在N个点(如40-50个)采样，取得N个点的数值再取其平均值，以此控制电动机的输出功率选档位置，在CPU中加入反时限算法是为了避免频繁切换的发生，反时限算法首先是求得某段时间的电动机功率的平均电流值和本段功率极限电流值的差的绝对值，根据油田的实际情况，该绝对值可以与时间成反比、或者成对数曲线关系，例如T=C/I，式中T为时间，C为常数、I为电流差的绝对值，与所述的CPU相连的还有动作继电器，以及连接所述的动作继电器和所述的电动机的交流接触器或无触点开关。附图3中8为开始、9为读取设定参数、10为测量电机功率、12为模糊控制集1即判断功率变化是否为波动噪声、13为判断是否满足模糊控制集1、14为模糊控制集2即在功率发生较大变化(故障情况)时导致继电器无延时动作从而改变电机的输出功率、15为判断是否满足模糊控制集2、16为继电器动作、17为模糊控制集3即在功率确实因负载变化而发生变化时，调用反时限法计算动作时间和动作功率、18为反时限计算法、19为判断是否达到动作时间、20为继电器动作附图4中21为电流互感器即电流检测环节22为由采样电阻构成分信号转换环节23为有效值电路24为CPU25为动作继电器26为交流接触器或无触点开关下面进行更详细的说明：

降低电机输出功率的方法，其节能效果显著，但受环境温度、潮汐等因素的影响，抽油机负载有可能发生较大变化，当负载从重负载变为轻负载时，虽然对电机不会造成损坏，但如果节能控制器不能使电机的输出功率跟随下降，就不能将控制器的节能作用充分发挥出来。而当负载由轻变重时，如果控制器不能及时提升电机输出功率，在长时间运行的情况下，有可能导致电机因过载而烧毁。电机损毁的费用姑且不算，单是由于停机造成的石油减产，其损失就将十分巨大。因此本控制器采用闭环控制方式。以CPU为主控制芯片，采用专门电路检测电机的三相电流有效值，并通过模糊算法计算出波动负载下抽油机电机的平均负载功率，以此控制电机的输出功率。同时为避免频繁切换情况的发生，本控制器借用电力系统保护中广泛采用的反时限算法，根据负载变化的大小，动态调整切换动作时间，以达到既不使电机因长时间过载而烧毁，又能达到最大限度节能的目的。

原理：

首先：采用交流互感器将主回路三相电流转换为0～5安培信号电流，再通过0.1欧姆精密电阻将此电流信号转换为0～0.5V的交流电压信号，第一级运放采用射极跟随电路，用以提高输入阻抗，第二级运放将其放大到0～4V，再通过有效值电路，最终得到主回路交流电流有效值记作I_Ls，但因抽油机电机负载程周期性变化规律，所以现在测得的电流有效值随时间不同而呈周期性变化，一般来说在抽油机配重块上升阶段电流有效值较大，而在配重块下降阶段电流有效值较小，因此不能根据某一点的电流有效值来判断此时电机的负载功率情况。为解决这个问题，本控制器采用整周期平均值的计算方法，即在负载变化的一个整周期内(配重块旋转一周)，等间隔测量40～50个采样点，计算这些点的平均功率值记作I_s，作为此时电机的负载功率；

然后：再用此负载功率与控制器预先设定好的功率切换点电流进行比较得出此时电机应运行的功率段，如果和电机现在所处的运行段相同(即不需切换功率)则不采取任何动作而直接返回，进行下一次测量。如果不同也不立即进行切换而是通过反时限算法计算出一个动作时间，在此时间内若计算出的电机应运行功率段与电机现在所处的功率段始终不同(即负载确有变化)，则时间一到即执行切换动作，将电机切换到计算出的负载段下运行，反之，如果在此时间内负载功率恢复则清除计时，重新测量。电流检测环节：采用电流互感器将主回路电流变换为0～5安培的

          交流信号电流。信号转换环节：采用采样电阻将互感器得到的电流信号变换为电

          压信号。并通过放大电路将此电压信变换为0～5

          伏特的交流标准电压信号。其典型电路如图6。有效值电路：由0～5伏特交流信号得到其对应的有效值或与有效

        值成比例的其它信号(如峰值)。其典型电路如图5。周期平均值算法：根抽油机负载呈周期性变化的规律，在负载变

          化的一个(或多个)周期内等间隔采样N个点计

          算此N个点的平均值。具体算法如下：反时限算法：

首先将测得的代表此时电机功率的平均电流值I_s与本段功率段极限电流值作差并求绝对值记作I_abs。

然后根据此I_abs值计算出动作时间t，所谓的反时限即：I_abs值越大动作时间t越短。例：当前电机运行在50％负载段下，此段极限电流值为10安培，假如此时实测的I_s=11安培，则根据反时限算法I_abs=1，计算出的动作时间为24小时。但如果此时实测的I_s=20安培，则I_abs=10，计算出的动作时间将为1小时。具体实现时可采用线形、反比、对数等算法。其中反比算法可表示为：

动作时间(常数)/I_abs其中周期有效值算法和反时限算法通过控制器的软件来实现。其CPU可采用包括单片机、单板机、工业PC机在内的任何一种CPU设备如典型的8031单片机。

Claims (3)

1．一种抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，其组成包括：电动机的零部件，其特征是：所述的电动机的绕组每相分为2或3或4段，每段的抽头与智能控制设备相连，所述的智能控制设备将按三相绕组“△”接或者“Y”接或者“△Y”混合接的方式接线。

2．根据权利要求1所述的抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，其特征是：所述的智能控制设备与所述的电动机的接线方式是将所述的抽头根据分成的段数相应分成2或3或4组，根据所测负载情况自动换组。

3．根据权利要求1所述的抽油机专用高启动转矩节能电机及其智能控制设备，其特征是：所述的智能控制设备包括与所述的电动机相连的电流互感器、与所述的电流互感器相连的采样电阻、与所述的采样电阻相连的有效值电路、与所述的有效值电路相连的带有周期平均值计算和反时限计算功能的CPU、与所述的CPU相连的动作继电器、连接所述的动作继电器和所述的电动机的交流接触器或无触点开关。

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