CN201435707Y - 潜油伺服拖动系统 - Google Patents

Abstract

一种潜油伺服拖动系统，包括泵和直接与泵相连的伺服电机系统，地面控制装置通过电缆与地面电源相连，该电缆与伺服电机系统相连；地面电源经过地面控制装置控制对伺服电机和泵的供电，所述的伺服电机系统包括伺服电机和伺服控制器，所述的伺服电机的电机轴尾部设有光电式编码器，带有光电式编码器的电机轴头部密封并伸入伺服控制器的壳体中，光电式编码器将检测到的位置信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机的运转。本实用新型的潜油伺服拖动系统功率因数高，节能率高，更省电，可以实现柔性化生产，系统的灵活性高，减少了作业成本。在抽油机启动时可以提供大转矩，并与软启动结合，降低抽油机选配电机的功率。

Description

潜油伺服拖动系统

技术领域

本实用新型涉及一种拖动系统，尤其是一种潜油伺服拖动系统。

背景技术

目前我国和世界其它产油国家，油田上都广泛使用潜油电机来驱动潜油电泵来汲取原油，传统的潜油电泵系统，其动力源主要是二极三相异步电动机，现有的采油系统在采油工艺配套中存在三个问题：

一是与离心潜油泵配套时因电机转速低于同步转速、电机效率和功率因数偏低；

二是与潜油螺杆泵配套上时，转速过高很难经过转速器将速度降低到与螺杆泵相适应的转速，即使采用减速器也大大的提高了采油成本和降低了系统的效率，若采用变频调速装置，使电机长期处于低频工作状态又容易引起电机的温升加快，引起电机故障。系统不能实现灵活控制，效率低。

三是传统的潜油电泵系统即使采用变频控制，其电机控制柜往往置于地面其交流电在传输至电机时由于是远距离传输，能量损耗严重，进一步降低了系统的效率。

随着新技术的发展，伺服技术的逐渐成熟，伺服潜油抽油系统成为潜油抽油系统的一种发展趋势。公开号为CN228745Y的文献提出了一种稀土永磁潜油电动机，但它总得来说只是在原有异步潜油电机的基础上通过在转子上嵌入永磁体来改善同步转速的问题，极限于电机本体，没有解决转速可调，在低速场合的应用仍然很困难，效率也不是很高。公开号为CN2627715Y的文献也公开了一中稀土永磁同步潜油电机，不足依然是在其节能以及速度可调上的缺乏。虽然结合变频控制器使用仍然存在节能率低的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种潜油伺服抽油系统，以永磁同步伺服电机作为动力源，利用伺服系统实现整个系统的闭环控制，调速范围大，功率因数高，提高了系统的可控性和节能率，实现了油井的柔性生产。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种潜油伺服拖动系统，包括泵和直接与泵相连的伺服电机系统，地面控制装置通过电缆与地面电源相连，该电缆与伺服电机系统相连；地面电源经过地面控制装置控制对伺服电机和泵的供电，所述的伺服电机系统包括伺服电机和伺服控制器，所述的伺服电机的电机轴尾部设有光电式编码器，带有光电式编码器的电机轴头部密封并伸入伺服控制器的壳体中，光电式编码器将检测到的位置信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机的运转。

优选地，电机轴尾部是密封的。

优选地，伺服电机的壳体外壁的头部通过电机头部法兰与泵相连，所述的电机头部法兰上开设有注油孔。

可选地，电缆从伺服电机的壳体外部走线，通过电缆连接头进入伺服控制器与电路板相连，电路板输出电机动力线为伺服电机提供动力，输出信号线控制位置检测装置。

可选地，电缆从伺服电机的壳体内部走线，电缆接头从壳体内部顶端输入，通过线束穿过伺服电机内腔，与伺服控制器中的电路板相连，电路板分别输出电机动力线为伺服电机提供动力，输出信号线控制位置检测装置。

可选地，伺服控制器包括伺服控制器壳体，在所述壳体的内壁上设有控制器转接件，该转接件使伺服控制器与电机连接成一体。

可选地，控制器壳体上设有散热片，该散热片与转接件连接。

优选地，控制器壳体内腔中灌封导热胶便于控制器内腔散热。

可选地，控制器壳体的下方还设有散热腔，其内部充满散热液体，该散热液体为不具有腐蚀性、不可燃的任何液体，比如：水或45^#液压油；散热腔的腔壁开设有通孔，散热片的末端延伸并从通孔插入所述的散热腔内；通孔处设有密封圈。

可选地，伺服控制器包括伺服控制器壳体，控制器壳体内腔中灌封导热胶，便于控制器内腔散热。

所述的导热胶为环氧树脂灌封胶、硅橡胶灌封胶、聚氨酯灌封胶、UV灌封胶、热熔性灌封胶或有机硅灌封胶。

优选地，伺服电机为多节伺服电机，相邻的两节电机的转子轴通过联轴器连接；相邻的两节电机上设置的电机转子的N极对应在一条直线上，S极对应在一条直线上；电机定子的U、V、W三相绕组分别对应在一条直线上。

优选地，多节伺服电机相邻的两节电机之间还设有扶正轴承，对电机进行支撑。

优选地，光电式编码器可以为增量式编码器、绝对式编码器或混合式绝对值编码器等多种。

综上所述，本实用新型具有如下优点：

1、系统采用永磁同步伺服电机，伺服电机本省就有效率高的优点。永磁同步电机的转子由永磁体励磁，出功大，功率密度高，使得电机转速等于同步转速，功率因数高，节能率高，更省电。

2、伺服系统可以实现电机的灵活调速，满足多种应用场合。尤其在低速场合目前的潜油系统很难实现，中间不得不另加减速器，而采用伺服系统则可以根据实际的需要调整转速。

3、油田的出油情况处于变化当中，或者根据生产的需要，需要油井的产油量发生变化，采用伺服抽油系统可以根据油井的出油情况灵活的调整潜油电泵机组的出油量，实现柔性化生产。

4、潜油伺服系统采用双控制箱形式，电机主要控制箱置于井下信号传输线路短，衰减小，实现了控制系统对电机的有效控制，信号传递干扰少。地面控制箱用于实现交流到直流的转换，以及地面同井下控制箱的通信。通过地面控制箱可以了解井下的情况和电机的运行情况，实现对井下控制器参数的灵活修改，增强了系统的灵活性，减少了作业成本。

5、控制箱的供电由地面交流变直流装置，直接把交流电转换为直流电，然后通过电缆进入井下的控制箱，避免了交流电在长距离的传输过程当中能量的大量损耗，节约了用电。

6、在螺杆泵等速度要求低速的场合，伺服系统可以实现与之相适应的低速，从而省去中间的减速结构，提高了传动效率的同时，也降低了设备成本。

7、过载能力强，一般来说，短时间可以达到三倍过载，在抽油机启动时可以提供大转矩，并与软启动结合，解决以往抽油机电机“大马拉小车”问题，降低抽油机选配电机的功率。

8、潜油抽油伺服系统充分利用原有潜油抽油系统的工艺和结构，在提升自己性能的同时，实现了操作简单，模块化设计。

附图说明

图1是潜油伺服抽油系统安装示意图；

图2是潜油伺服系统的一种走线图；

图3是潜油伺服电机的另一种走线图；

图4A和图4B是电机头部法兰示意图；

图5是潜油伺服系统的框架示意图；

图6-图10是表示控制器的连接方式及散热结构图；

图11是单节永磁同步伺服潜油电机的结构示意图；

图12-图14是多节永磁同步伺服潜油电机的结构示意图；

图15是转子结构的立体示意图；以及

图16和图17是电机的头部、尾部及光电编码器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体描述本实用新型的实施例，以使本领域的技术人员更加明白和容易实现本实用新型。

图1是潜油伺服抽油系统安装示意图。潜油电泵机组一般置于井下2000多米处，整个伺服潜油电泵机组主要由地面控制箱2、潜油电泵6、分离器(未标示)、保护器7、潜油伺服电机8、井下伺服控制箱、地面电缆1、潜油电缆12等组成，各个部分通过相关的法兰等连接件连接。其它附图标记表示分别为：油管3、套管4、出口接头5、编码器9、潜油伺服系统11以及井口装置13。图1中潜油伺服电机8和井下伺服控制箱是潜油伺服抽油系统11的伺服核心模块，潜油伺服电机8是潜油伺服抽油系统11的动力拖动源，伺服控制箱内的伺服控制器10则是整个潜油伺服抽油系统11的控制核心。地面控制箱2，潜油伺服电机8，井下伺服控制箱构成了潜油伺服系统的伺服动力系统。其中，伺服电机的电机尾轴上设有光电编码器，光电编码器将检测到的位置信号输出给伺服控制箱内的伺服控制器10，伺服控制箱内的伺服控制器10控制潜油伺服电机8的运转；光电编码器连接在伺服控制器上。优选地，潜油电泵6和保护器7之间还可以设有油气分离器。

传统的潜油异步机系统，三相交流电经过地面控制柜后，直接进入潜油异步电机，使得电机转动，潜油电机的转动通过电机保护器和分离器，将动力传至电泵带动电泵汲取原油。

在潜油伺服系统中，地面控制箱2的作用与传统不同，其主要负责将外接的三相电流转换为直流电输送给井下控制箱内的伺服控制器10，同时也实现地面同井下伺服控制器的通信，通过地面控制箱2可以对井下伺服控制箱内的伺服控制器10的控制参数进行修改，从而起到控制潜油伺服电机8的目的。地面控制箱2与井下控制箱靠地面电缆1、潜油电缆12以及电机内的导线连通。

井下伺服控制器根据用户设定的要求，发出信号，实现电机的转动，从而带动电泵抽油，伺服控制器通过编码器反馈电机的转速、位置等信号实现对电机的闭环控制，同时也可以感知压力传感器等其它传感器的反馈信号对系统的运转实现有效调节。

整个系统由井下伺服控制箱内的伺服控制器10控制潜油伺服电机8的运转，由潜油伺服电机8拖动整个潜油系统。电机内部灌有电机油，保护器7用于平衡潜油电机的内外压力，保证电机的密封性，分离器是把油井生产出的原油和伴生天然气分离开来的一种装置。油气分离器置于潜油离心泵和保护器之间，将井液中的游离气体与井液分离，液体送给潜油电泵，气体释放到油管和套管的环形空间，潜油电泵6是抽油装置，将原油输送到地面。

图2是潜油伺服系统的一种走线图。潜油伺服电机8包括电机尾轴18、线束40等；潜油伺服电机8通过连接法兰19与编码器连接，伺服控制器10包括电路板30、散热片33、控制器连接件35等。从图1中可知，地面电缆1与地面控制箱2连接，再与潜油电缆12连接，结合图2所示，潜油电缆12通过电缆连接头41引入潜油伺服电机8内部。如图2所示，在潜油伺服电机8内部，与相应的导线连接，导线从电机定子上的开槽或者壳体上的槽，由电机内部进入伺服控制器10。潜油电缆12和潜油伺服电机8内的导线传输井下控制器所需的电流，以及传输井下控制箱和地面控制箱之间的信号流，达到连通地面控制箱和井下控制箱的目的。井下控制箱与地面控制箱是通过潜油电缆以及通过电机的导线连通的。

同时控制器提供给伺服电机的三相电供给电机的三相绕组，控制电机的运转。电机尾轴部的光电编码器用于反馈电机的速度、位置等信息，其通过密码器线与控制箱连接，因此形成了一个闭环控制系统。提供给井下控制箱电源的是直流电，伺服控制器给电机的交流电经过的路程很短，在减少电磁干扰的同时也减少了损耗。

在潜油异步机系统中，潜油电缆的导线往往是3根，在潜油伺服系统中，为了满足系统需要，电缆中含有导线的根数根据实际情况定的，这其中包含有井下伺服控制器所需的动力线和以及用于和地面控制箱实现通信的信号线。

图3是潜油伺服电机的另一种走线图。潜油伺服电机8包括潜油电缆12、电机尾轴18等；潜油伺服电机8通过连接法兰19与编码器连接，伺服控制器10包括电缆连接头29、电路板30、散热片33、控制器连接件35等。与图2从潜油伺服电机头部进入电机不同，图3中的潜油电缆12直接通过电缆连接头29引入井下控制箱，与伺服控制器10连接。也就是说这种情况下提供给潜油伺服电机的电流的导线，包含井下控制器动力线和信号线的电缆被直接引入到井下控制箱。

图4A和图4B是电机头部法兰示意图。图4A是电缆从电机头部接入时的法兰立体图，法兰盘上设有电缆接入孔42，图4B是电缆直接连接控制器时的法兰立体图。从图中可以看出，由于走线方案不同，电机头部的结构不一样。

图5是潜油伺服系统的框架示意图。潜油伺服系统的控制部分包括地面控制器和井下控制器。地面控制器包括MCU1、整流滤波电路和控制面板等，地面控制器的功能是为井下控制器提供直流电，同时设定井下控制器的控制参数和控制模式。井下控制器包括MCU2、IPM和电流传感器等，井下控制器的功能是根据地面控制器设定的控制参数和控制模式，控制潜油伺服电机运行。地面控制器和井下控制器通过电缆连接，电缆为多芯电缆，包括地面控制器MCU1与井下控制器MCU2通讯用的通讯线和给IPM提供功率电即输送直流电的线。操作人员通过控制面板操作地面控制器，设定相应的控制参数和控制模式。地面控制器的MCU1通过通讯线与井下控制器MCU2通讯，将操作人员设定的控制参数和控制模式传递给井下控制器。外部三相交流电输入地面控制器，通过整流滤波电路，将三相交流电转换为直流电，然后通过电缆输送给井下控制器的IPM，直流电的正、负极分别接入IPM的P、N极。地面控制的MCU1同时会进行电压检测，包括三相交流电压检测和直流电压检测，确保输送到井下控制器的直流电正常，如果不正常则会发出报警信号。井下控制器MCU2根据地面控制器MCU1设定的控制参数和控制模式，以及电流传感器和编码器的反馈信号，运行控制程序，产生PWM信号控制IPM。IPM根据PWM信号，产生三相电压给交流伺服电机。整个系统是一个闭环的控制系统，控制周期短(一个控制周期只有几十个微秒)，响应快，精度高。

图6到图10是表示控制器的连接方式及散热结构图，图中附图标记表示为：线束43、44，控制器转接件35、散热片33、电机动力线28、编码器信号线22、控制器外壁31、电路板30、密封端盖32、导热胶45、散热部件47、散热液体46、密封圈48。

图6和图7中采用的是转接件的连接方式，图6除了转接件35之外，还包括散热片33；图7除了转接件35、散热片33之外，还包括导热胶45。控制器通过控制器转接件35与伺服电机的壳体相连，从而与电机连为一个整体。控制箱转接件35与伺服电机壳体的连接方式为法兰连接或者螺纹连接；控制器外壁31与控制器转接件35的连接方式为法兰连接或者螺纹连接。散热片33固定在控制器转接件35上，电路板30固定在散热片33上。散热片33紧贴控制器外壁31，便于将控制器内部的热量散出去。如图7所示，控制器内部可以选择用导热胶45灌封，导热胶45可以为导热硅脂等，以增强散热效果。

图8和图9为控制器直接与伺服电机壳体连接的方案的结构图。图8中还设有散热片33，而图9中不使用散热片。控制器直接与伺服电机壳体连接，中间不使用转接件。控制器内部用导热胶45灌封。也可以如图9所示的那样，将散热片去掉，控制器内部用导热胶45灌封。导热胶45为环氧树脂灌封胶、硅橡胶灌封胶、聚氨酯灌封胶、UV灌封胶、热熔性灌封胶或有机硅灌封胶。

图10所示的是另一散热结构。控制器通过控制器转接件35连接到伺服电机壳体上，从而与电机连为一个整体。控制箱转接件与伺服电机壳体的连接方式为法兰连接或者螺纹连接；控制器外壁31与控制器转接件35的连接方式为法兰连接或者螺纹连接。散热片33固定在控制器转接件35上，电路板30固定在散热片33上。散热片33紧贴控制器外壁31，便于将控制器内部的热量散出去。在控制器的一端接有散热部件47，连接方式为法兰连接或者螺纹连接。散热部件47内部充满散热液体46，散热片33伸入散热部件47腔内，与散热液体46接触，增强散热效果。散热液体46为不具有腐蚀性、不可燃的任何液体，比如：水或45^#液压油。在散热片33与散热部件47连接处有密封圈48密封，防止散热部件的散热液体46进入到控制器内部。

永磁同步伺服电机可以采用单节，为了提供更大的功率也可以采用多节的形式。图11是单节永磁同步伺服潜油电机的结构示意图，附图标记表示为：电机头49、电机本体50、下法兰51、电机尾轴52。单节电机时，电机只有一节。

图12-图14是以四节为例的多节电机装配结构示意图，附图标记为：首节电机53、电机壳体54、螺纹法兰55、58、下法兰56、上法兰57、中间节电机59、末节电机60、转子轴61、花键联轴器62、上螺纹法兰63、下螺纹法兰64、宽螺母65、窄螺母66。潜油伺服电机由多节组成时，每两节电机中间通过法兰螺纹和螺栓连接相结合的形式。如图12所示，转子轴61用花键联轴器62连接。螺纹法兰55、58与电机壳体54通过螺纹连接，上、下法兰56、57再通过螺栓与螺纹法兰55、58连接，上、下法兰56、57之间通过螺栓连接。这种形式主要是适合于电机壳较薄时的情况。潜油伺服电机由多节组成时，没两节电机中间通过螺栓连接的形式。转子轴61用花键联轴器62连接。如图13所示，上、下法兰56、57再通过螺栓与电机壳体54连接，上、下法兰56、57之间通过螺栓连接。这种形式主要是适合于电机壳较厚度足够可以拧上螺栓时的情况。潜油伺服电机由多节组成时，每两节电机中间通过螺栓连接的形式。转子轴61用花键联轴器62连接。如图14所示，上、下螺纹法兰63、64与电机壳体54通过螺纹连接，两个法兰之间通过螺栓连接，同时在上螺纹法兰上安装有两个可动的螺母，总装时调整好各节电机的位置后，通过拧紧两个螺母完成电机的总装。螺母拧紧后可以防止每节电机之间的转动。

对于多节伺服电机，相邻的两节电机的转子轴通过联轴器连接；相邻的两节电机上设置的电机转子的N极对应在一条直线上，S极对应在一条直线上；电机定子的U、V、W三相绕组分别对应在一条直线上。

如果潜油电机长度比较长，就需要扶正轴承，扶正轴承可以是滑动轴承等，其作用是起支撑作用，防止轴由于过长弯曲。当电机较短时不需要扶正轴承，潜油电机通过联轴器与保护器连接或者泵连接，联轴器可以是花键联轴器等。图15是转子结构的立体图，如图15所示，转子磁钢63是分节设置的，当潜油电机的长度比较长时，在相邻的两节转子磁钢63之间设置扶正轴承64，轴端设有用于联接的花键65。

图16和图17是电机的头部、尾部及光电编码器的结构示意图，其中，66为光电编码器，67、82为轴承，68为轴承端盖，69、85是密封件，70、75是电机外壁，71、76是走线槽，72、77是定子，73、78是转子磁钢，74、79是电机轴，80是电缆连接头安装孔，81是电机头部法兰，83是花键，84是注油孔，86是挡线套。在图16中采用的是头部密封加尾部密封并注油的方案，挡线套86的作用是防止电机轴79旋转时与线摩擦，将轴与线隔开。注油孔84的作用是用于向电机内部注油，电机内部充满绝缘油。在电机的尾部，轴承端盖68上有密封件69，防止电机内部的油流出。作为替代，可使用图17中采用的仅由头部密封的方案。挡线套86的作用是电机轴79旋转时与线摩擦，将轴与线隔开。电机内部不灌油，没有注油孔，在电机头部作好密封处理。这种情况下，不使用保护器，电机直接与泵相连。电机的尾部不用密封。

本实用新型所采用的光电式编码器可以为增量式编码器、绝对式编码器或混合式绝对值编码器等多种。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (15)

1、一种潜油伺服拖动系统，包括泵和直接与泵相连的伺服电机系统，地面控制装置通过电缆与地面电源相连，该电缆与伺服电机系统相连；地面电源经过地面控制装置控制对伺服电机和泵的供电，其特征在于，所述的伺服电机系统包括伺服电机和伺服控制器，所述的伺服电机的电机轴尾部设有光电式编码器，带有光电式编码器的电机轴头部密封并伸入伺服控制器的壳体中，光电式编码器将检测到的位置信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机的运转。

2、如权利要求1所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的电机轴尾部密封。

3、如权利要求2所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的伺服电机的壳体外壁的头部通过电机头部法兰与泵相连，所述的电机头部法兰上开设有注油孔。

4、如权利要求3所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的电缆从伺服电机的壳体外部走线，通过电缆连接头进入伺服控制器与电路板相连，电路板输出电机动力线为伺服电机提供动力，输出信号线控制位置检测装置。

5、如权利要求3所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的电缆从伺服电机的壳体内部走线，电缆接头从壳体内部顶端输入，通过线束穿过伺服电机内腔，与伺服控制器中的电路板相连，电路板分别输出电机动力线为伺服电机提供动力，输出信号线控制位置检测装置。

6、如权利要求1所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的伺服控制器包括伺服控制器壳体，在所述壳体的内壁上设有控制器转接件，该转接件与所述的伺服电机的壳体相连，使伺服控制器与电机连接成一体。

7、如权利要求6所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的控制器壳体上设有散热片，该散热片与转接件连接。

8、如权利要求7所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的控制器壳体内腔中灌封导热胶，便于控制器内腔散热。

9、如权利要求6所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的控制器壳体的下方还设有散热腔，其内部充满散热液体；散热腔的腔壁开设有通孔，散热片的末端延伸并从通孔插入所述的散热腔内；通孔处设有密封圈。

10、如权利要求9所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的散热液体为水或45^#液压油。

11、如权利要求1所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的伺服控制器包括伺服控制器壳体，控制器壳体内腔中灌封导热胶，便于控制器内腔散热。

12、如权利要求8或11任一项所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的导热胶为环氧树脂灌封胶、硅橡胶灌封胶、聚氨酯灌封胶、UV灌封胶、热熔性灌封胶或有机硅灌封胶。

13、如权利要求1所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的伺服电机为多节伺服电机，相邻的两节电机的转子轴通过联轴器连接；相邻的两节电机上设置的电机转子的N极对应在一条直线上，S极对应在一条直线上；电机定子的U、V、W三相绕组分别对应在一条直线上。

14、如权利要求13所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的多节伺服电机相邻的两节电机之间还设有扶正轴承，对电机进行支撑。

15、如权利要求1所述的潜油伺服拖动系统，其特征在于，所述的光电式编码器为增量式编码器、绝对式编码器、混合式绝对值编码器。

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