CN201474942U - 螺杆泵直驱智能举升装置控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，应用了嵌入式系统控制技术、伺服电机控制技术、电力电子技术、传感器技术等多高新技术，以降低油田生产的电能消耗，提高生产效率，实现油井的自动化管理为目的。其具体的技术方案是：三相交流电源经三相整流滤波电路、IGBT功率元件与永磁直流无刷力矩电机电路联接，在永磁直流无刷力矩电机上设有位置传感器、经位置信号取样电路与DSP数字信号处理器联接，DSP数字信号处理器的输出端与光电隔离及功率驱动电路联接，光电隔离及功率驱动电路的输出端与IGBT功率元件联接，解决了电机输出力矩和电机体积问题及抽油杆反转制动问题，且免维护，增加采油工作时间，有效地降低盘根渗漏油问题。

Description

螺杆泵直驱智能举升装置控制器

技术领域

本实用新型属于控制装置，特别是涉及到一种螺杆泵直驱智能举升装置控制器。

背景技术

螺杆泵采油是近十多年来迅速发展起来的一种新型机采油方式，我国各大油田相继开始对该技术进行了研究。在稠油井、含砂油井、高含水油井和低产油井的开采中，特别是游梁式抽油机无法正常生产的油井中，螺杆泵巨大的增产节能优越性日益显现。美国Amoco公司自1991年开始在高含水油井用螺杆泵进行采油实验，比较在相同或相近的井况下螺杆泵、游梁式抽油机、电潜泵等不同采油设备的电力消耗及机械效率。实验结果表明，螺杆泵装置的平均总系统效率达到了63.4％，它比游梁式抽油机高出13％，比电潜泵高出50％。由此可见，螺杆泵抽油系统不仅节能高效，而巨具有体积小、重量轻、安装方便、井日占地面积小、一次性投资及运行费用低和便于管理等优点。与其他举升方式相比具有明显的优势，所以用它取代游梁式抽油机和电潜泵在高含水油井中采油，必然是一个经济合理的选择。我国传统的螺杆泵井上驱动系统一般采用异步电动机，再配套相应的减速箱。虽然螺杆泵总体要比游梁式抽油机效率高，但其正常工作时处于低负荷状态，而起动时又需要高转矩，因此与之相配套的电机长期以来存在“大马拉小车”的问题，效率和功率因数低。此外，螺杆泵参数调整不方便，皮带和减速器的使用增加了约20％的功率损耗；日常生产管理中减速器、皮带等配件易损坏，生产维护费用较高；棘轮棘爪机械防反转装置的应用使杆、管承受较高的冲击载荷，使用寿命受到影响；螺杆泵驱动头转速较高时，存在安全隐患。

发明内容

本实用新型旨在于克服现有技术的不足，提供了一种螺杆泵直驱智能举升装置控制器，本装置采用永磁无刷直流电机直接驱动螺杆泵，减少了一般的电励磁电机的励磁损耗，因此电机的整体效率得到提高，且直接驱动不需要配置减速箱，不但提高了系统的工作效率，也避免了螺杆泵采油系统生产中经常出现的诸如更换皮带轮、改变生产参数和管理困难等问题。

本实用新型的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，应用了嵌入式系统控制技术、伺服电机控制技术、电力电子技术、传感器技术等多高新技术，以降低油田生产的电能消耗，提高生产效率，实现油井的自动化管理为目的。其具体的技术方案是：三相交流电源经三相整流滤波电路、IGBT功率元件与永磁直流无刷力矩电机电路联接，在永磁直流无刷力矩电机上设有位置传感器、经位置信号取样电路与DSP数字信号处理器联接，DSP数字信号处理器的输出端与光电隔离及功率驱动电路联接，光电隔离及功率驱动电路的输出端与IGBT功率元件联接。

作为本实用新型的进一步改进，在IGBT功率元件输出至永磁直流无刷力矩电机的线路上设有电流信号取样电路，电流信号取样电路与DSP数字信号处理器联接。

作为本实用新型的进一步改进，有液晶模块和操作键盘与DSP数字信号处理器联接。

本实用新型是以数字信号处理器DSP为核心，构成功能齐全的全数字控制系统。本系统是一个电流、速度双闭环系统。DSP负责采样各相电流、计算电机的转速和位置，最后运用增量式PI算法，得到PWM控制信号经过光电隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件。同时，DSP还监控控制系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压等故障时，DSP封锁PWM，输出信号，使电机停机。

无刷直流力矩控制器可以准确控制永磁电机的力矩，当杆泵的力矩增大，超出设定力矩时，控制器会减速，按最大限制力矩控制模式控制，可以有效防止泵杆断裂等机械事故，且当地下短时发生沙堵，控制器能够做到允许电机输出超过额定扭矩1.5～2倍，时间约为1～2分钟，出现无油和泵轻载(定子脱落、断杆)等异常情况时，控制器可自动识别并停机处理。

本实用新型的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，具有以下优越性：

(1)解决了电机输出力矩和电机体积问题。螺杆泵地面直接驱动技术的实现需要动力驱动电机具有低速、大力矩输出的性能；同时受螺杆泵井口空间限制，要求驱动电机体积不能过大；普通低速异步电动机无法实现这一要求。本装置则采用正弦波驱动方式的无刷直流力矩电机驱动方式，可以实现对负载的大力矩变速驱动。通过指令输入对驱动器进行设置，可以实现电机输出速度设置，实时速度调节，驱动转矩调节、软启动、软停机等功能，从而实现对螺杆泵负载的直接驱动。

(2)解决了抽油杆反转制动问题：原来的传动方式由于机械棘轮棘爪防反转装置的应用使螺杆泵停止时抽油杆储存了部分势能，作业施工时抽油杆势能释放发生反转，易发生危险。直驱式螺杆泵的刹车采用电气控制，在控制箱内设有能耗电阻和独立的刹车控制器，当停机操作时(或系统失电)，泵杆弹性释放，会拖动永磁电机反转，接通刹车电阻。控制方式属于抑制型，泵杆反转的加速度(趋势速度)越大，电阻吸收的能量就越多，即发电制动力就越大，最终使泵杆回到初始状态。同时螺杆泵下次起动时，初始起动力矩很小，便于起动，修井作业也不会出现任何问题。

(3)免维护，增加采油工作时间：直驱式由于在结构上较传统机械式省去了机械减速箱和皮带传动装置，使机械维护量大大降低，降低了工人劳动强度同时降低了维护时间，相应就增加了采油工作时间。

(4)有效降低盘根渗漏油问题：新型直驱式电机为低速直接驱动，对螺杆泵杆的驱动为四周均匀驱动方式，不产生侧摆力，大大减轻了盘根的渗漏油问题，实际运行也明显比较出，新型直驱式驱动系统比传统机械驱动系统盘根渗漏大大降低。

(5)高效节能：与传统机械式螺杆泵驱动方式相比综合节电率可达25％以上。

(6)实现快速调掺：通过控制器的按键，调整螺杆泵的运行速度，直观监视螺杆泵的运行状态，输出转速连续可调。

附图说明

附图是本实用新型的螺杆泵直驱智能举升装置控制器的结构原理图。

具体实施方式

本实用新型的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，是由电源、电机、处理器和取样电路构成，其特征在于三相交流电源1经三相整流滤波电路2、IGBT功率元件3与永磁直流无刷力矩电机4电路联接，在永磁直流无刷力矩电机4上设有位置传感器5、经位置信号取样电路6与DSP数字信号处理器7联接，DSP数字信号处理器7的输出端与光电隔离及功率驱动电路8联接，光电隔离及功率驱动电路8的输出端与IGBT功率元件3联接。

在IGBT功率元件3输出至永磁直流无刷力矩电机4的线路上设有电流信号取样电路9，电流信号取样电路9与DSP数字信号处理器7联接。

有液晶模块10和操作键盘11与DSP数字信号处理器7联接。

本实用新型的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，现场应用时与永磁无刷力矩电机配套使用，通过现场低压配电线路获取三相交流电源，经过整流滤波电路将交流电源变成平滑稳定的直流电源提供给功率单元，电机位置传感器的作用是准确地检测出转子的位置、并把位置信号发送给数字信号处理器，数字信号处理器按照预定规则发出所需的信号去触发功率单元相对应的IGBT(大功绝缘栅双极型晶体管)工作，把直流电压依次加到电动机的各相上，电动机定子上产生的磁场与转子永磁磁场相互作用而使转子转动。每当转过一个磁极时，位置传感器就发出一组新的信号给数字信号处理器，功率单元中各IGBT的导通逻辑就发生一次变化，使通往电动机中的电流不断依次换向，功率单元中IGBT的通断关系按照严格的程序进行，具有了他励直流电动机同样的特性，获得较宽的调速范围和较慢的速度特性。智能控制器根据螺杆泵的特性、采用了专用的算法，使系统的性能更加优越。

Claims (3)

1.螺杆泵直驱智能举升装置控制器，是由电源、电机、处理器和取样电路构成，其特征在于三相交流电源(1)经三相整流滤波电路(2)、IGBT功率元件(3)与永磁直流无刷力矩电机(4)电路联接，在永磁直流无刷力矩电机(4)上设有位置传感器(5)、经位置信号取样电路(6)与DSP数字信号处理器(7)联接，DSP数字信号处理器(7)的输出端与光电隔离及功率驱动电路(8)联接，光电隔离及功率驱动电路(8)的输出端与IGBT功率元件(3)联接。

2.如权利要求1所述的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，其特征是在IGBT功率元件(3)输出至永磁直流无刷力矩电机(4)的线路上设有电流信号取样电路(9)，电流信号取样电路(9)与DSP数字信号处理器(7)联接。

3.如权利要求1或2所述的螺杆泵直驱智能举升装置控制器，其特征在于有液晶模块(10)和操作键盘(11)与DSP数字信号处理器(7)联接。

Images