CN1688099A - 游梁式抽油机电动机断续供电全自动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种控制游梁式抽油机电动机断续供电连续运行的全自动控制方法及装置。在连续供电时，数据采集单元检测电动机的电压和电流，主控制器据此确定一个工作循环中的断电次数以及断电时刻的电气参数。在断续供电运行状态，监视电动机的运行参数是否发生显著变化，确定是否回到连续供电状态或断电保护状态；在断续供电、断电运行时，监视电动机的转速，通过调节断电时间及断电次数使其保持正常范围。通过在电动机转速接近同步速时接通电源并控制晶闸管的导通角，防止通电时出现电流冲击。本发明提供的数据采集单元、主控制器、驱动单元以及功率开关元件，可以有效地完成以上自动控制过程，实现抽油机电动机断续供电连续运行的全自动控制。

Description

游梁式抽油机电动机断续供电全自动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及石油开采机械领域，具体涉及一种游梁式抽油机电动机的自动控制方法及装置。

背景技术

现有石油开采领域的游梁式抽油机电动机在一个工作循环中，通常存在着电动机与发电机两种工况：在发电机工况，电机中仍然存在着四种电气损耗：定子铜损、转子铜损、铁耗、附加损耗。其中铁耗以及与铁耗相关的空载附加损耗通常比电动机工况的相应损耗更大。在发电机工况发出的电能在变压器一、二次绕组及馈电线路上产生损耗，剩余部分则表现为向电力系统输出的脉动功率。这种脉动功率是属于对电网的干扰和污染，而不是向电力系统提供的有用功率。

基于上述情况，发明人提供一种游梁式抽油机断续供电连续运行全自动控制方法及装置，其运行方式是在电动机处于发电机状态时断电，断电后借助抽油机自身的重力势能及惯性继续运行，在电动机达到一定转速时接通电源完成抽油任务。断电后电动机中的上述四种损耗以及变压器绕组和馈电线路上的损耗都没有或基本没有了，所以可以显著节约电能。

虽然在石油生产中早就有了抽油机间隙抽油的运行方式，即井下液体少则停机，待液体逐渐增多后再重新启动电动机的“间抽”方式，但是这种运行方式与本专利的断续供电运行方式是完全不相同的。在“间抽”运行方式下，一旦停电就会停机，而本专利的断续供电方式，则是停电不停机的运行方式。

由于抽油机的一个工作循环周期非常短，断续供电运行时电动机会出现频繁通断电。如果不采取有效措施，异步电动机在通电时的电流通常可以达到额定电流的7倍左右，所以，为了实现抽油机电动机的断续供电运行，需要解决的一个关键问题就是断电后再通电时如何防止电流冲击。

此外，对一口具体的抽油机，抽油泵轴杆的有效重量既可能大于偏心配重块的等效重量，也可能小于后者，或者两者基本相等，这样就存在三种不同情况。不同情况需要不同的控制方法。对同一种情况，在运行过程中，实际负荷的大小也不是固定不变的，它会随着井下液体多少、液体温度以及含水量等参数的变化而变化。所以，当采用断续供电模式时，还必须对抽油机的运行参数进行实时辨识，并根据辨识结果及时调整断电时刻等断电控制参数；同时，应该有效地解决以下问题：断电运行时防止转速过高或过低。

发明内容

为了改变现有游梁式抽油机电动机的运行状况，本发明提供一种游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法及装置，对游梁式抽油机实行断续供电运行模式的全自动控制。

为此，本发明解决所述问题提供的游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法，包括以下步骤：

1)存储单元存储电动机同步转速(N1)、空载运行电气参数铁耗(P_Fe)、空载电流(IO)基准值及抽油机允许的最高转速基准值(Nm)；

2)电动机进入连续供电的运行状态，数据采集单元实时采集电动机运行电压和电流的瞬时值，并将采集的数据传输给运算单元；

3)运算单元进行运算，进行电气参数求值解析，确定电动机断电运行起点的电气参数参考值和断电超时限值(D_T1)以及抽油机的工作周期(T)，存入存储单元，设置断电计时器初始值；

4)电动机进入断续供电运行状态的通电运行阶段。数据采集单元实时采集电动机电压和电流的瞬时值，并传输给运算单元；

5)运算单元进行数字运算，得出电动机通电阶段运行时电气参数随机值，并传送给主控制单元；

6)主控制单元的比较器将电气参数随机值与所述电气参数参考值相比较，断电条件满足时输出断电控制信号和断电计时器的复位信号；

7)驱动单元根据接收到的断电控制信号，控制开关元件动作使电动机断电，电动机进入断电运行阶段，断电计时器开始计时；

8)速度检测装置开始实时检测电动机转速(N)，将数据传递给速度比较器(硬件或软件)；

9)速度比较器将实测转速(N)与高速基准(Nm)比较，高于高速基准时，输出“转速过高”信号给主控制单元，主控制单元输出通电信号给驱动单元，驱动单元控制开关元件动作使电动机在短时间内通电运行，随后继续断电，并执行步骤8)，否则执行步骤10)；

10)速度比较器将实测转速(N)与同步转速(N1)相比较，接近同步转速时输出“接近同步速”信号给主控制单元，由主控制单元输出通电信号给驱动单元，驱动单元控制可控硅开关导通使电动机通电，通过改变触发角逐步增大电压直到额定值，并执行步骤4)，否则执行步骤11)；

11)断电计时器判别断电计时时间(t)，如果断电时间超过断电超时限值(D_T1)时，输出“断电超时”信号给主控制器，由主控制器输出通电信号给驱动单元，驱动单元控制开关元件动作使电动机通电，并执行步骤2)，否则执行步骤8)。

本发明同时提供一种实现游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法的自动控制装置，包括，

数据采集单元，与电动机的电源回路连接，采集电动机运行时的电压和电流的瞬时值；

速度检测装置，实时检测电动机的转速，输出给主控制器；

主控制器，其输入信号端连接所述数据采集单元的信号输出端，输出连接驱动单元，在连续供电时采集电压与电流瞬时值，进行电气参数求值解析，建立电气参数参考值，确定断电时刻和断电时间；在断续供电的通电阶段继续采集电压与电流瞬时值，计算出电气参数随机值，确定是否满足断电条件；在断电运行阶段，根据速度检测装置检测的转速，实时发出控制信号给驱动单元对电动机进行控制；

驱动单元，输入端连接主控制器，输出端连接开关元件，接收主控制器的控制信号，控制开关元件的通断；

开关元件，连接在电动机的主电源输入回路上，控制电动机的电源通断。

与现有的抽油电动机供电方式相比，本发明提供的自动控制技术，可以实现游梁式抽油机电动机断续供电的全自动控制。主控制单元针对数据采集单元采集的数据，通过驱动单元对开关元件实时有效地加以控制，控制电动机电源回路的接通时间和接通电流，并通过保护装置保护，对转速加以监控，有效地解决断续供电运行模式的电流冲击和转速失控问题，从而使电动机有效地运行于断续供电运行状态，获得显著的节能效果。同时，通过在连续供电状态下的参数辨识，可以为具有不同平衡状况及负荷情况的抽油机分别确定适当的控制参数，从而使断续供电全自动控制装置能对不同类型的抽油机进行有效控制并可以跟踪一台具体抽油机的负荷变化。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明游梁式抽油机电动机断续用电自动控制装置的电气主回路图。

图2是本发明自动控制装置的电气原理图。

图3是本发明数据采集单元的一种数据采集电路结构图。

图4是本发明主控制单元的管脚接线示意图。

图5是本发明驱动电路的电路原理图。

图6是本发明自动控制装置的电路原理框图。

图7是本发明优选实施例的电路原理框图。

图8是本发明自动控制方法的流程图。

具体实施方式

请参见图1，图1是游梁式抽油机电动机断续用电自动控制装置的一种电气主回路图，电动机受接触器KM1常开触点和可控硅开关元件选择控制，可以选择连续供电时由接触器控制，断续供电时由可控硅控制。

请参见图2、图6、图7，图2是本发明自动控制装置的电气原理图，图6是自动控制装置的电气原理框图，图7是本发明优选实施例的电路原理框图。电流传感器CT1、CT2、CT3与三相电源回路感应连接，电压传感器T1、T2、T3直接接在电源回路中，实时采集电动机连续供电时的工作电流i和工作电压u的瞬时值；分别将采集的电流信号CT1、CT2、CT3和电压信号A、B、C传送给数据采集单元100，数据采集单元100采用数据采集电路(如图3，也可以是控制器的内置A/D电路)对信号进行处理，将处理结果传递给主控制器200(U0)(见图4，本例中采用Mega8535单片机，也可以采用其它单片机)，主控制器200的输入信号端IN1-IN6分别连接三相共六个数据采集电路的输出端IN1-IN6，输出连接驱动单元160(见图5)。来自主控制器200的触发控制信号PC1-PC7，经过典型的光耦电路及振荡电路后所形成的频率为10kHZ左右的脉冲信号施加到驱动单元160的IN端，经过R2加到MOS管V的控制极，MOS管V的输出经过脉冲变压器B的作用分两路输出，分别控制图1中一条支路上的两个正反并联的可控硅。速度检测装置180实时检测电动机210的转速，输出给主控制器200。

请参见图6、图7，本发明实现游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法依以下步骤进行：

1)存储单元140存储电动机同步转速(N1)、空载运行电气参数铁耗(P_Fe)、空载电流(IO)基准值及抽油机允许的最高转速基准值(Nm)；

2)电动机进入连续供电的运行状态，数据采集单元100实时采集跟踪井况发生变化时电动机运行电压和电流的瞬时值，并将采集的数据传输给运算单元110；

3)运算单元110进行运算，进行电气参数求值解析，确定电动机断电运行起点电动机的输入功率参考值和断电超时限值(D_T1)以及抽油机的工作周期(T)，存入存储单元，设置断电计时器初始值；

4)电动机进入断续供电运行状态的通电运行阶段。数据采集单元100实时采集电动机电压和电流的瞬时值，并传输给运算单元110；

5)运算单元110进行数字运算，得出电动机通电阶段运行时输入电功率随机值，并传送给主控制单元130；

6)比较器120将输入功率随机值与所述输入功率参考值相比较，断电条件满足时输出断电控制信号和断电计时器的复位信号；

7)驱动单元160根据接收到的断电控制信号，控制开关元件170动作使电动机断电，电动机进入断电运行阶段，断电计时器接收到复位信号后开始计时；

8)速度检测装置180开始实时检测电动机转速(N)，将数据传递给速度比较器190；

9)速度比较器190将实测转速(N)与高速基准(Nm)比较，高于高速基准时，输出“转速过高”信号给主控制单元130，主控制单元130输出通电信号给驱动单元160，驱动单元160控制开关元件170动作使电动机在短时间(0.05T-0.2T)内通电运行，随后继续断电，并执行步骤8)，否则执行步骤10)；

10)速度比较器190将实测转速(N)与同步转速(N1)相比较，接近同步转速时输出“接近同步速”信号给主控制单元130，由主控制单元130输出通电信号给驱动单元160，驱动单元160控制可控硅开关170进入导通状态使电动机通电，通过改变触发角逐步增大电压直到额定值，并执行步骤4)，否则执行步骤11)；

11)断电计时器判别断电计时时间(t)，如果断电时间超过断电超时限值(D_T1)时，输出“断电超时”信号给主控制器130，由主控制器输出通电信号给驱动单元160，驱动单元控制开关元件170动作使电动机通电，并执行步骤2)，否则执行步骤8)。

步骤4)可以进一步包括，数据采集单元100将实时采集的电动机210运行电压和电流的瞬时数据，传送给保护单元比较器与电路的额定数据比较，异常时输出信号使保护装置动作。

步骤1)中的电气参数基准值可以通过显示装置150的人机界面输入主控制器的内存储单元140存储。

参见图8可以进一步理解本发明。微机加电步骤(1)，是指控制系统的主控制器接通电源；步骤(2)通过人机界面输入电动机额定功率、极数、抽油机允许的最高转速Nm、电动机同步转速N1；步骤(3)，计算额定运行时铁耗P_Fe，作为断电控制时输入功率P1的限值；步骤(4)，通过手动起动电动机；步骤(5)，电动机工作于连续供电状态，通过数据采集系统测电动机的三相电压与电流；步骤(6)，主控制器的运算单元根据所采集的数据辨识抽油机工作周期T；步骤(7)，计算断电控制判据N_max，Δn，D_T1；其中N_max根据抽油机所允许的最高转速Nm决定，一般为额定转速的1.3倍以下，但不超过抽油机最高允许转速Nm的70％；Δn可取为同步转速N₁的10％以内；D_T1可取为一个工作循环所需时间(工作周期)的0.6-0.9倍；步骤(8)，根据步骤(5)中的采集的电气量计算电动机的输入功率P₁；步骤(9)，判断P₁是否小于步骤(3)中的P_Fe；步骤(10)，进入停电状态；步骤(11)，停电后检测电动机转子转速N；步骤(12)，判断所检测的转速N是否超过N_max，如果超界，则施加限速措施步骤(13)，最简单的限速措施是在发电机状态短时通电，例如通电(0.05～0.2)T；判断转子速度是否接近同步速N₁(14)(N与N₁之差Δn小于N₁的10％)通电运行，电源通过图1中的可控硅开关元件与电动机M接通(15)，通过改变触发角逐步增大电压，直到额定值；通电后测三相电压与电流，计算输入功率P₁步骤(16)；根据所测电压、电流及功率，判断抽油机运行是否正常，继电保护是否需要动作步骤(17)；判断停电时间是否超过由步骤(7)所决定的时限；步骤(18)如果超过时限，则接通电力电子开关或交流接触器使电动机接通电源步骤(19)；保护动作，断开电源步骤(20)；判断是否满足所确定的断电运行条件步骤(21)。

本发明使用的比较器可以是硬件比较器，也可以是主控制器的内置软件比较器单元。

以上方案表明，在电动机连续供电时，通过实时检测电动机的电压和电流，辨识出其运行参数，该步骤经常发生在井况发生变化或不同井况的情形，作为对电动机进行断续供电控制的依据，用以确定一个循环中断电的次数以及断电运行控制电气参数。在断续供电的通电运行时间段，监视抽油机电动机的运行参数是否发生显著变化，以便确定是否回到连续供电运行状态。在断续供电的断电运行时间段，实时检测电动机的转速，通过调节断电时间及断电方式使其保持正常范围。通过适当控制电力电子开关的导通角，防止再通电时出现电流冲击。断续供电与保护实现一体化，以便在电源缺相、电动机断线、过载、超速、泵停止工作等情况下能停机并报警。

Claims (7)

1、一种游梁式抽油机电动机断续供电连续运行的全自动控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)存储单元存储电动机同步转速(N1)、空载运行电气参数铁耗(P_Fe)、空载电流(IO)基准值及抽油机允许的最高转速基准值(Nm)；

2)电动机进入连续供电的运行状态，数据采集单元实时采集电动机运行电压和电流的瞬时值，并将采集的数据传输给运算单元；

3)运算单元进行运算，进行电气参数求值解析，确定电动机断电运行起点的电气参数参考值和断电超时限值(D_T1)以及抽油机的工作周期(T)，存入存储单元，设置断电计时器初始值；

4)电动机进入断续供电运行状态后，在通电运行的时间段，数据采集单元实时采集电动机电压和电流的瞬时值，并传输给运算单元；

5)运算单元进行数字运算，得出电动机通电运行时电气参数随机值，并传送给主控制单元；

6)主控制单元的比较器将电气参数随机值与所述电气参数参考值相比较，断电条件满足时输出断电控制信号和断电计时器的复位信号；

7)驱动单元根据接收到的断电控制信号，控制开关元件动作使电动机断电，电动机进入断电运行的时间段，断电计时器开始计时；

8)速度检测装置开始实时检测电动机转速(N)，将数据传递给速度比较器；

9)速度比较器将实测转速(N)与高速基准(Nm)比较，高于高速基准时，输出“转速过高”信号给主控制单元，主控制单元输出通电信号给驱动单元，驱动单元控制开关元件动作使电动机在短时间内通电运行，随后继续断电，并执行步骤8)，否则执行步骤10)；

10)速度比较器将实测转速(N)与同步转速(N1)相比较，接近同步转速时输出“接近同步速”信号给主控制单元，由主控制单元输出通电信号给驱动单元，驱动单元控制可控硅开关进入导通状态使电动机通电，通过改变触发角逐步增大电压直到额定值，并执行步骤4)，否则执行步骤11)；

11)断电计时器判别断电计时时间(t)，如果断电时间超过断电超时限值(D_T1)时，输出“断电超时”信号给主控制器，由主控制器输出通电信号给驱动单元，驱动单元控制开关元件动作使电动机通电，并执行步骤2)，否则执行步骤8)；

2、如权利要求1所述的游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法，其特征在于：所述步骤3)，其电气参数是电动机的输入功率(P1)、功率因数(COSφ)或功率因数角(φ)。

3、如权利要求1所述的游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法，其特征在于：所述步骤3)，其断电超时限值(D_T1)取抽油机工作周期的(0.6-0.9)倍。

4、如权利要求1所述的游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法，其特征在于：所述步骤4)进一步包括，数据采集单元将实时采集的电动机电压和电流，传送给保护单元比较器与保护定值比较，异常时输出信号使保护装置动作。

5、如权利要求1所述的游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法，其特征在于：所述步骤1)，其电气参数基准值通过人机界面输入主控制单元的存储单元存储。

6、一种实现如权利要求1所述游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法的自动控制装置，其特征在于：包括，

数据采集单元，与电动机的电源回路连接，采集电动机运行时的电压和电流的瞬时值；

速度检测装置，在断电运行阶段实时检测电动机的转速，输出给主控制器；

主控制器，其输入信号端连接所述数据采集单元的信号输出端，输出连接驱动单元，在连续供电时采集电压与电流瞬时值，进行电气参数求值解析，建立电气参数参考值，确定断电时刻和断电时间；在断续供电的通电阶段继续采集电压与电流瞬时值，计算出电气参数随机值，确定是否满足断电条件；在断电运行阶段，根据速度检测装置检测的转速，实时发出控制信号给驱动单元对电动机进行控制；

驱动单元，输入端连接主控制器，输出端连接开关元件，接收主控制器的控制信号，控制开关元件的通断；

开关元件，连接在电动机的主电源输入回路上，控制电动机的电源通断。

7、如权利要求6所述的实现游梁式抽油机电动机断续供电连续运行全自动控制方法的自动控制装置，其特征在于：所述开关元件由可控硅和接触器并联连接，控制电动机电源的通断，连续供电时由接触器或可控硅接通电路，断续供电时由可控硅接通电路。

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