CN1983797A - 抽油机高效节能控制柜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抽油机高效节能控制柜，属于电子控制技术领域，是一种用于380V/660V/1140V三相交流电压，以高性能变频调速技术为核心，具有独立的调频、调压以及频率电压协调控制功能的抽油机专用配套产品。该产品主要有主电路、驱动、控制、数据采集、回馈、显示和电源等构成，其中的主电路包括整流和逆变两部分，驱动是输出高效型SPWM波形驱动IGBT工作，数据采集是对三相电流、三相电压、直流电流、直流电压进行采样，回馈是将电能回馈电网，显示是用液晶显示数据，电源用来提供整机所需直流工作电源。本发明的抽油机高效节能控制柜与现有技术相比，具有有功电能计量、电机过电流保护、过电压保护、电能回馈电网及停机报警等功能，是油田抽油机的高效节能配套产品。

Description

抽油机高效节能控制柜

(一)技术领域

本发明涉及一种电子控制技术，具体地说是一种抽油机高效节能控制柜。

(二)背景技术

长期以来，针对抽油机的节电技术主要从3个方面着手：一是对抽油机的机械部分进行改进；二是开发不同类型的抽油机节能电机；三是使用节能配电箱。近年来，随着大功率电子开关器件IGBT的发展，研制具有高性价比的抽油机电机专用变频电源将成为具有最有发展前途的油田节能产品。变频控制技术已广泛应用在国内外各大油田的原油集输系统、供水系统、石油钻机等方面。但是，到目前为止，该技术仍然不能在游梁抽油机上得到有效的推广应用。主要原因是价格高，可靠性低。西安石油学院、西北工业大学、甘肃工业大学以及诸多油田研究单位对此做出了不懈努力，但至今未能从根本上解决问题。今后抽油机的电动机节能研究方向：一是从电动机本身考虑，就是提高电动机负荷率，从而提高功率因数和运行功率；而提高电动机自身功率的潜力不大，能提高几个百分点就很不容易，而且是以提高电动机成本为代价的。当电动机负荷率高于临界负荷率时，只要并联适当的补偿电容器就能达到节能之目的。二是从系统考虑，就是在改变电动机的机械特性基础上，“下大泵、降冲次、增杆管径比、减摩阻”，使机-杆-泵系统达到较好的配合，提高系统效率。两者比较，后者同样有一定的节能潜力，也是本发明的研究方向。

(三)发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种以变频调速技术为核心，具有独立的调频、调压以及频率电压协调控制的功能，节能效果好，使抽油系统增产、节能、无级调速，提高了抽油系统效率的抽油机高效节能控制柜。该产品通过整流，逆变，数据采集，电能回馈等过程达到了节能降耗的目的，提高了抽油系统的系统效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的抽油机高效节能控制柜实现上述功能主要利用了两个电路，即控制电路和回馈电路，两个电路分别与主电路相并接，控制电路包括保护电路、数据采集电路、CPU、SPWM、驱动电路和数据电路；其中，数据采集电路与CPU相连，CPU又分别与SPWM和数据电路连接，SPWM又与保护电路相连接，SPWM串接驱动电路后与主电路相连，电源电路提供电源给主电路，在主电路中完成电流的整流和逆变，CPU输出控件信号SPWM信号发生器输出，经过驱动电路驱动IGBT桥臂逆变输出三相交流驱动电机工作。CPU实时对三相电流、三相电压、直流电流、直流电压进行采样，通过A/D转换模拟开关时，8路数据进行实时采集，并输出到液晶显示器显示，同时，对所采集数据进行分析处理，根据电流的大小分析抽油机负荷大小，根据负荷大小实时调整SPWM脉冲宽度，以使输出功率自动跟踪实际所需功率，避免了大马拉小车的现象，节省了有功功率。CPU根据采集电流、电压大小进行比较判断是否过压、过流、失压、失流等故障。如发生故障则停机，并将数据记录、保存。短路故障发生时，为了缩短动作时间，保护价格昂贵的主电路，不经过CPU处理，而直接停机迅速切断输出，达到保护的目的。主电源通过三相全控桥式整流电路IGBT中的二极管将三相交流电源进行整流、滤波。启动后，CPU输出控制信号SPWM信号发生器输出，经过驱动电路驱动IGBT桥臂逆变输出三相交流驱动电机工作。启动方式为软启动，以降低电机启动时大电流对电网的冲击。

回馈电路包括同步电路、SPWM电路、驱动、电压检测电路和保护电路，同步电路与SPWM电路相接，SPWM电路又分别与电压检测电路和保护电路相接，SPWM电路通过驱动与主电路相接，电源电路也为回馈电路提供电能，当电机处于再生制动时，电机处于发电状态，直流电压持续升高，当电压检测电路检测到电压达到设定值时，通过SPWM电路驱动IGBT对再生电能回馈至电网，同步电路控制回馈电流与电网实现同步。

由于抽油机下冲程时，电机处于发电状态，为了使该部分电能顺利回馈电网使能量不消耗在耗能电阻上，特增加回馈电路。在三相电源输入端串入三个高频扼流电抗器，以抑制逆变时可能产生的双向电磁干扰，同时起到等效直流电抗器的作用。

当电动机工作在发电状态时，电动机工作在再生制动状态，电能通过逆变器整流、滤波电容贮能，直流母线电压升高，当电压检测电路检测到超过设定的上限时，SPWM电路控制驱动电路，驱动变流器开始工作，将支流母线上的能量回馈电网。高频扼流电抗器将平衡直流母线电压和电网线电压之间的差值，保证逆变状态的正常进行，当直流母线电压下降到下限设定值时停止逆变。

同步电路的作用是在逆变进行时，使变流器输出与电网电路相位同步，输出与电网和位同步的回馈电压。

电压检测电路作用是当电机处于再生制动时，电机处于发电状态，直流电压持续升高，当电压检测电路检测到电压达到设定值时，通过SPWM电路驱动IGBT对再生电能，回馈至电网，同步电路控制回馈电流与电网实现同步。

本发明的抽油机高效节能控制柜与现有技术相比，所产生的有益效果是：及时采集电流、电压数据，CPU根据采集的数据判断是否存在过压、过流、失压、失流等故障，故障发生时直接停机并切断输出，以保护主电路并将数据记录保存，通过电能的双向流动，当抽油机电机处于发电状态时，把电能回馈电网，减少了能量的流失，节约了电能，提高了系统效率。

(四)附图说明

附图1为本发明的原理结构框图；

附图2为图1的回馈电路图；

附图3为图1的控制电路图；

附图4为图1的直流稳压电源电路；

附图5为图1的三相全控整流逆变主电路。

图中，A-主电路，B-回馈电路，C-控制电路，D-电源电路，E-负载，1-数据采集电路，2-CPU，3-SPWM，4-驱动电路，5-数据电路，6-保护电路，7-同步电路，8-SPWM电路，9-驱动，10-电压检测电路，11-模拟开关电路，12-A/D转换电路，13-地址锁存器，14-数据存储器，15-液晶显示器，16-逆变芯片，17-逆变芯片，18-逆变芯片，19-驱动A，20-驱动B，21-驱动C。

(五)具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的抽油机高效节能控制柜作以下详细地说明。

如图1所示，该发明的抽油机高效节能控制柜，包括与主电路A连接的回馈电路B和控制电路C两部分，控制电路C包括数据采集电路1、CPU 2、SPWM 3、驱动电路4、数据电路5和保护电路6；其中，数据采集电路1与CPU 2相连，CPU 2的型号为：AT89C52，CPU2又分别与SPWM3和数据电路5连接，SPWM 3又与保护电路6相连接，SPWM 3串接驱动电路4后与主电路A相连；回馈电路B包括同步电路7、SPWM电路8、驱动9、电压检测电路10和保护电路6，保护电路6为回馈电路B和控制电路C的公共部分，同步电路7与SPWM电路8相接，SPWM电路8又分别与电压检测电路10和保护电路6相接，SPWM电路8通过驱动9与主电路A相接，电源电路D为控制电路C和回馈电路B提供电能。主电路A包括整流和逆变，整流是通过三相全控桥式整流电路IGBT中的二极管将三相交流电源进行整流、滤波；逆变是通过IGBT将直流变为三相交流控制电机。

如图2所示，同步电路7包括三个桥式整流器2W06和多个电阻R、电容C、二极管D、三极管T和反相器CD4069，SPWM电路8包括三个逆变芯片SG3525，三个逆变芯片SG3525分别与驱动A、驱动B、驱动C连接。回馈电路B将传统变频器中二极管整流电路用PWM整流电路取代，构成电压型双SPWM变频电路，对整流电路进行SPWM控制，以实现电路的双向流动。电路工作在整流状态时，电机电动运行；当抽油机电机M处于发电状态时，负载电流给直流滤波电容反向充电，整流器逆变运行，把电能回馈电网。

如图3所示，控制电路C是本发明的核心部分，包括CPU控制、输入、输出、数据分析等。数据采集电路1是由三相电流、三相电压、直流电流、直流电压共8路数据采集单元、模拟开关电路11和A/D转换电路12构成，模拟开关电路11的型号为：SD4051，A/D转换电路的型号为：AD0809，采集的电流和电压信号依次经数据采集单元、模拟开关电路11和A/D转换电路12处理后进入数据电路的液晶显示器15和CPU 2。数据采集电路1具有标准的232接口，通过该端口并按一定的通信协议完成各种参数和控制，采集电流数据和电压数据。

SPWM 3的型号为：SM2001。

驱动电路4的作用在于输出高效型SPWM波形驱动IGBT工作。

数据电路5是由地址锁存器13、数据存储器14和液晶显示器15构成，地址锁存器13的型号为：74LS373，数据存储器14的型号为：62164。

液晶显示器15显示当前三相电压、电流、功率以及功率因数，其型号为12864。

如图4所示，电源电路D由三个电源稳压芯片ST7812、ST7805、ST7905及电容C1、C2、C3、二极管4007、电感E1、E2、E3构成，为整机提供不同的直流稳压电源，以保证整机电路能正常工作。

如图5所示，三相全控整流逆变主电路IGBT模块，其型号为SKM200GB176D。

本发明的抽油机高效节能控制柜其加工制作非常简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。

Claims (5)

1、抽油机高效节能控制柜，包括与负载(E)相接的主电路(A)，其特征在于，主电路(A)又分别与控制电路(C)和回馈电路(B)相并接，控制电路(C)包括保护电路(6)、数据采集电路(1)、CPU(2)、SPWM(3)、驱动电路(4)和数据电路(5)；其中，数据采集电路(1)与CPU(2)相连，CPU(2)又分别与SPWM(3)和数据电路(5)连接，SPWM(3)又与保护电路(6)相连接，SPWM(3)串接驱动电路(4)后与主电路(A)相连，电源电路(D)提供电源给主电路(A)，在主电路(A)中完成电流的整流和逆变，CPU(2)输出控件信号SPWM(3)信号发生器输出，经过驱动电路(4)驱动IGBT桥臂逆变输出三相交流驱动电机(M)工作。CPU(2)实时对三相电流、三相电压、直流电流、直流电压进行采样，通过A/D转换模拟开关(11)时，8路数据进行实时采集，并输出到液晶显示器(15)显示，如果出现故障，则通过保护电路停机并将数据记录保存；回馈电路(B)包括同步电路(7)、SPWM电路(8)、驱动(9)、电压检测电路(10)和保护电路(60，同步电路(7)与SPWM电路(8)相接，SPWM电路(8)又分别与电压检测电路(10)和保护电路(6)相接，SPWM电路(8)通过驱动(9)与主电路(A)相接，电源电路(D)也为回馈电路(B)提供电能，当电机(M)处于再生制动时，电机(M)处于发电状态，直流电压持续升高，当电压检测电路(10)检测到电压达到设定值时，通过SPWM电路(8)驱动IGBT对再生电能回馈至电网，同步电路(7)控制回馈电流与电网实现同步。

2、根据权利要求1所述的抽油机高效节能控制柜，其特征在于，数据采集电路(1)是由三相电流、三相电压、直流电流、直流电压共8路数据采集单元、模拟开关电路(11)和A/D转换电路(12)构成，采集的电流和电压信号依次经数据采集单元、模拟开关电路(11)和A/D转换电路(12)处理后进入数据电路的液晶显示器(15)和CPU(2)。

3、根据权利要求1所述的抽油机高效节能控制柜，其特征在于，数据电路(5)是由地址锁存器(13)、数据存储器(14)和液晶显示器(15)构成。

4、根据权利要求1所述的抽油机高效节能控制柜，其特征在于，SPWM电路(8)包括三个逆变芯片(16)、(17)、(18)，三个逆变芯片(16)、(17)、(18)分别与驱动(9)三个驱动(19)、(20)、(21)对应连接。

5、根据权利要求1所述的抽油机高效节能控制柜，其特征在于，该技术应用于游梁式抽油机，适用于380V、660V、1140V电压，用于供电系统的电机节能控制。

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