CN201504219U - 超级电容储能式抽油机节电装置 - Google Patents

Abstract

一种电梯超级电容储能式抽油机节电装置，在通用变频拖动抽油机电路中增设了超级电容储能模块与充放电控制单元。抽油机驱动电机在制动工况发出的电能通过向超级电容储能模块充电储存，在电动工况下通过超级电容储能模块放电利用，提高了能源使用效率，可显著地节省运行电费，对电网无谐波干扰问题。适用于抽油机的变频拖动系统。

Description

超级电容储能式抽油机节电装置

技术领域

本实用新型涉及一种油田抽油机节电装置，尤其是一种应用超级电容对抽油机运行中的制动电能进行回收利用的节电装置。

背景技术

抽油机(俗称磕头机)是石油开采中的必备设备。一般，每个原油生产井都至少应用一台抽油机，将深藏在地下的石油通过抽油管抽出。抽油机通常由电机拖动，抽油机的每个工作循环可分为上提抽油杆与下放抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的石油送到地面。随着抽油杆的上升/下降，其驱动电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电机处于发电状态。

对于油田已经广泛使用的变频拖动抽油机，在电机处于电动工况时，交流电源由电网引入变频器，经整流滤波成为直流电，再由逆变电路输出频率与电压可控的三相交流电，驱动电机按工作要求运转，改善了机械性能与节电效果。当电机处于发电工况时，电机的制动电能经逆变电路加载到变频器的直流母线上。目前有二种处理制动电能的方案：其一是加设制动单元把制动电能泻放，缺点是制动电能全部浪费；其二是另设逆变电路把加载到变频器直流母线上的制动电能再变换成三相交流电反馈至电网，提高了电能使用效率，缺点是反馈电能的谐波对电网存在干扰问题，以及反馈电能的计量未得到供电部门的普遍认同，回收电费在一部分地区或部门不能兑现，影响了推广应用。

近年在抽油机节能方面已经取得较多成果，其中实用新型专利200820151630.9公开了一种油田抽油机用电机控制系统，提出了在多台永磁电机的正负极电源上直接并联万发拉级超级电容，用以吸收永磁电机的制动电能并利用的技术方案。此方案由于未对超级电容的充放电进行控制，存在超级电容的能量利用率不充分与电网电源对超级电容的充电电流过大等问题。

实用型新内容

本实用新型的目的是针对现有技术状况，提供一种应用超级电容的储能功能，对变频拖动抽油机运行中的制动电能进行回收利用的节电装置。

本实用新型的技术方案是：

在目前广泛使用的变频拖动抽油机电路中，增设一个超级电容储能模块，经充放电控制单元接入该电路的变频器。

所述充放电控制单元，其输入端接超级电容储能模块，经IGBT模块接入变频器的直流母线，构成了超级电容储能模块的充电控制回路。

所述充放电控制单元，其输入端接超级电容储能模块，经二极管接入变频器的直流母线，构成了超级电容储能模块的放电控制回路。

由于采用上述技术方案，本实用新型提供的超级电容储能式抽油机节电装置具有这样的有益效果：可以把抽油机驱动电机制动工况发出的电能储存，供电机在电动工况使用，提高了能源使用效率，可显著地节省运行电费，对电网不存在谐波干扰问题。

附图说明

图1是现有技术的变频调拖动抽油机电路结构框图。

图2是本实用新型的电路结构框图。

图3是本实用新型实施例的电路原理框图。

图中：1.电机，2.变频器，3.制动单元，4.超级电容储能模块，5.充放电控制单元，6.整流器，7.电容器，8.制动电阻，9.二极管，10.逆变电路，11.DC(+)，12.电压监测与驱动电路，13.IGBT模块，14.二极管，15.双极开关，16.氖管指示灯，17.电阻，18.DC(-)，19.IGBT模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。

在图1中，交流电源经变频器2接电机1，以及接入变频器2的制动单元3，构成了目前广泛使用的变频拖动抽油机电气系统。其工作过程是：变频器2把接入的交流电源整流为直流电，再逆变成频率与电压可控的交流电，驱动电机1带动抽油机运转；当电机1处于制动发电工况时，其制动电能反馈到变频器2，经制动单元3释放。

图2是本发明的电气结构框图，与图1相比，增设了超级电容储能模块4，经充放电控制单元5接入变频器2。其作用是：在抽油机驱动电机1处于制动发电工况时，制动电能反馈到变频器2，经充放电控制单元5向超级电容储能模块4充电，将抽油机的制动电能存储起来；在电机1处于拖动用电工况时，由充放电控制单元5控制，先由超级电容储能模块4供电，直至其放电电压到达规定值，然后再由交流电源整流的直流电供电。

超级电容是近年才发展起来的一种新型电力储能器件，有着比传统的电解电容器更高的电容密度和能量密度；比蓄电池更高的功率密度、更长的寿命和更快的充放电时间；比超导储能装置更少的投资，是一种理想的大功率物理二次电源。自美国人Becker发表第一篇关于超级电容的专利以来，其容量已经达到万发拉级，价格从1美元/发拉下降至0.01美元/发拉，应用范围越来越广。超级电容相关技术的快速发展，为本实用型新的实施提供了支持。

制动单元3作过充电保护。受超级电容储能模块4的容量限制，在特殊工况有可能出现超级电容储能模块4充电电压到达规定值时抽油机驱动电机1仍然处于制动发电状态，此时，由制动单元3放电做过充电保护，最高充电电压被限制在制动单元3的放电电压值。

图3是本发明的第一个实施例。图3中，三相交流电经整流器6成为直流电，正极为DC(+)11，负极为DC(-)18；经电容器7滤波后，由逆变电路10形成电压与频率可控制的三相交流电，驱动抽油机电机1运转。DC(+)11与DC(-)18称为变频器直流母线。

超级电容储能模块4正向串接二极管14之后并联到变频器直流母线上，构成了超级电容储能模块4的放电回路。当超级电容储能模块4的电压高于变频器直流母线电压时，二极管14正向导通，逆变电路10由其供电。当超级电容储能模块4放电电压小于变频器直流母线电压时，二极管14反向截止，逆变电路10由变频器直流母线即交流电源整流后的直流电供给。

超级电容储能模块4串接IGBT模块13之后并联到变频器直流母线上，构成了超级电容储能模块4的充电回路。IGBT模块13的通断受电压监测与驱动电路12的控制，当电压监测与驱动电路12监测到变频器直流母线电压大于“充电设定电压”时，立即驱动IGBT模块13导通，变频器直流母线向超级电容储能模块4充电。“充电设定电压”即超级电容储能模块4充电启动时变频器直流母线电压的设定值。为了避免电网电源经整流后的直流电向超级电容储能模块4充电，“充电设定电压”约为电网电源经整流的直流电压1.2倍，或者按制动单元开启电压减去30V，本实施例为650V。

IGBT模块19与制动电阻8、二极管9构成充电过压保护单元，与现有技术的变频器制动单元的原理与构成相同，当变频器直流母线电压到达规定值时，由制动单元导通放电，限制电压再升高，消耗制动发电的电能。本实施例由380V三相交流电供电，开启电压为DC680V。

电容储能模块4的规格为2F/700V，充放电容量可以满足20kW电机工作10秒。因单个超级电容的耐压较低，电容储能模块4为多个超级电容串(并)联的组合件。

由于电容储能模块4的储能作用，变频器在电网交流电源断开之后，其直流母线及其接线端子上存在较高的电压，对检修人员有触电风险。本实施例设置了由电阻17与氖管指示灯16的危险电压警示电路，原理与通用试电笔相同。双极开关15的作用是，在检修抽油机电路时先人为切断电容储能模块的连接，检修之后再闭合，避免带电检修作业。

以上结合附图与实施例对本实用新型的描述是示意性的，不具有限制性。所以，本实用新型的超级电容储能式抽油机节电装置并不局限于所述的具体实施例。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型的宗旨与权利要求保护范围的情况下，对本实用新型做出简单的变化或其它类似的实施方式，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种超级电容储能式抽油机节电装置，其特征是，一个超级电容储能模块，经充放电控制单元接入变频拖动抽油机电路的变频器。

2.根据权利要求1所述的超级电容储能式抽油机节电装置，其特征是，所述充放电控制单元，其输入端接超级电容储能模块，经IGBT模块接入变频器的直流母线，构成了超级电容储能模块的充电控制回路。

3.根据权利要求1所述的超级电容储能式抽油机节电装置，其特征是，所述充放电控制单元，其输入端接超级电容储能模块，经二极管接入变频器的直流母线，构成了超级电容储能模块的放电控制回路。

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