CN201860286U - 一种油田抽油机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种油田抽油机控制系统，其中的电动机为永磁同步电动机，该控制系统包括三相整流器、IPM模块、电动机、DSP控制器模块、驱动及保护电路以及电动机位置和转速检测模块，其中，三相整流器将交流电压整流为直流电压提供给IPM模块，所述IPM模块中包括逆变器电路，产生驱动电动机所需的交流电压，保护电路提供过电流保护、短路保护、欠电压保护和过热保护。利用本专利申请的抽油机控制系统可简化结构，提高效率，同时，永磁同步电动机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制。

Description

一种油田抽油机控制系统

技术领域

本实用新型涉及电动机变频控制技术，尤其是涉及应用于抽油机的以永磁同步电动机为核心的控制系统。

背景技术

现今油田抽油机应用领域中还是以直流电动机为核心，因此，目前面临着直流电动机的换向器和电刷等缺点。直流电动机的改进方案是采用异步电动机，但是也存在定子电阻损耗大、需要无功励磁、功率因数不高、效率低的劣势。如果采用普通的同步电动机，也需要励磁装置，结构复杂，影响了效率。

实用新型内容

为了克服上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、效率提高的油田抽油机控制系统。

根据本实用新型的油田抽油机控制系统的一个实施方式，该油田抽油机控制系统包括三相整流器、IPM模块、电动机、DSP控制器模块、驱动及保护电路以及电动机位置和转速检测模块，其中，三相整流器将交流电压整流为直流电压提供给IPM模块，所述IPM模块中包括逆变器电路，产生驱动电动机所需的交流电压，保护电路提供过电流保护、短路保护、欠电压保护和过热保护，所述电动机为永磁同步电动机，并且，在电动机的行程范围内设置上、下位置传感器，DSP控制器模块根据位置传感器采集到的位置信号控制IPM模块在电动机的上、下冲程中分别输出不同频率的电压，使得电动机上、下冲程转速不同，从而无级调节抽油机的上、下冲程速比。

根据本实用新型的油田抽油机控制系统的一个实施方式，在DSP控制器模块中采用矢量控制算法来驱动所述IPM模块中的逆变器。

根据本实用新型的油田抽油机控制系统的一个实施方式，电动机位置和转速检测模块包括光电编码器。

根据本实用新型的油田抽油机控制系统的一个实施方式，通过检测光电编码器发出的正交脉冲信号，不仅可以得到电动机转速，还可以得到电动机的转动方向。

根据本实用新型的油田抽油机控制系统的一个实施方式，所述DSP控制器模块借助RS232总线或者CAN总线通讯接口与上位计算机进行通讯。

和异步电动机相比，永磁同步电动机不需要无功励磁电流，因此相对效率更高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。和普通同步电动机相比，永磁式同步电动机省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率，因此，具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。同时，永磁同步电动机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制。

附图说明

图1为根据本实用新型的抽油机控制系统的一个实施例的永磁同步电动机变频器系统硬件结构图；

图2为根据本实用新型的抽油机控制系统的一个实施例的永磁同步电动机变频器系统中的DSP的外围电路方块图。

具体实施方式

为了能够更充分地理解本实用新型，以下将通过举例的方式详细说明本实用新型的抽油机控制系统。本领域技术人员应当明白，这并不构成对本专利申请所请求保护的范围的限制。

图1为根据本实用新型的一个具体实施方式的抽油机系统中的永磁同步电动机变频器系统硬件结构图，可分为主回路和控制回路。主回路包括三相整流电路和IPM模块(智能功率模块)，三相整流电路的直流母线经滤波电容接IPM模块，IPM模块中包含逆变器主电路，产生输出给永磁同步电动机的电压。控制回路部分主要包括电流采样电路、编码器、DSP控制器模块、驱动及保护电路以及各种I/O电路，例如面板I/O、上位机I/O等。控制回路部分所执行的功能主要包括电梯的运行逻辑、速度曲线的设定、控制方案的实现、反馈信号的处理等。典型地，采用TI公司的TMS320F2812作为处理器，该款DSP具有可高速结构和精简的指令集，并具有面向电动机控制的PWM输出单元、以及电压、电流采样用的多路高速A/D转换器，DSP内核使面向电动机控制的控制算法得以实现。另外，DSP芯片还设计了标准的RS232及CAN总线通讯接口，可以实现与上位机的通讯和控制。驱动及保护电路中包括过电流保护、短路保护、欠电压保护和过热保护。

在本实用新型的抽油机控制系统的一个实施例中，是以DSP为核心来实现永磁同步电动机的控制方案，下面结合图2进一步说明DSP芯片的外围输入、输出信号。如图2所示，以方块图的方式示出了DSP芯片的外围电路。DSP的外围电路模块主要包括信号调理、通讯接口、存储器E²PROM、码盘接口、辅助电源、电源监控、I/O端子信号、PWM输出等，其中I/O信号包括输出控制系统中的继电器(充电继电器)通断的信号。控制系统中的检测信号经信号调理电路模块的调制后输入至DSP进行A/D转换，DSP芯片通过通讯接口实现与上位机的数据传送，码盘接口输出电动机的转速信号至DSP芯片，存储器E2PROM用来存储和交换DSP芯片工作计算过程中的各类数据。

在对抽油机控制系统中的永磁同步电动机的控制中，关键是对IPM(智能功率模块)中的逆变器的控制。在永磁同步电动机的矢量控制中，是依靠DSP芯片输出PWM信号，经驱动电路来实现对逆变器主电路中的功率器件的通断控制。利用IPM同步电动机转子具有的电气凸极性，即无传感器也可检测出电动机的速度、方向和旋转角度、控制电动机的旋转，同时接受上位机(PLC)控制中心的信号，实行对电动机及整机的控制运行。

永磁同步电动机矢量控制系统所需检测的用于矢量控制的量有整流电路的直流母线电压，三相交流电路中的两相线电流，转子的速度和位置，保护信号等等。检测到的模拟信号需要经过模拟信号调理才能够输入DSP进行A/D转换。例如，经过霍尔传感器得到的电流信号，经过电阻转换成为电压信号。通过运算放大器将该电压信号调整到±2.75V的范围内，然后利用一分压电阻，将±2.75V的范围内的电压信号压缩到0～+3V的范围内。最佳的是，利用一稳压管来起过载保护作用，将输入电平箝位。

在对电动机的转速测量中，利用的是增量式光电编码器。转盘上的窄槽(光栅)与固定盘上的光栅相重合时，位于固定盘后面的光敏元件可接收到来自发光管的光线。当与电动机轴相连的转盘转动时，转盘上的窄槽(光栅)不断遮挡发光管发出的光线，在光敏元件端分别产生相位相差90度的脉冲信号。这两路脉冲信号经过隔离整型后，传递给DSP芯片(TMS320F2812)中的正交编码脉冲(QEP)电路，组成转速检测电路。通过检测光电编码器发出的正交脉冲信号，不仅可以得到电动机转速，还可以得到电动机的转动方向。另外，还有一个Z信号，送入DSP芯片(TMS320F2812)的CAP3中断输入口，电动机每转一圈，会产生一个Z中断信号，Z中断子程序就对QEP计数结果进行一次清零，重新开始计数。但是只用ABZ信号并不能确定电动机转子的初始位置，而由光电编码器输出的UVW信号，经过调理后，送入TMS320F2812的三路AD转换，可以大致确定转子的初始位置，虽然并不精确，有±30度电角度的位置误差，但可以保证永磁电动机启动时不会反转。

为了提高系统的可靠性，保护逆变器与电动机能够正常工作。除了在软件中设置保护程序，还应当有硬件保护电路。通过检测三相(U/V/W)中的两相电流，例如IU与IV，通过运算放大器组成的加法器可以得到第三相电流，例如IW＝-(IU+IV)。三相输出电流的瞬时值与给定的电流保护限进行比较。当电流超过保护限时，保护电路就产生一个过流保护信号，封锁变换器的开关器件，使电流降到安全水平。

另外，本实用新型中采用的IPM与常规的IGBT模块相比有许多特点：

(1)驱动电路与IGBT间距离很短，抗干扰性能较好。共需4组控制电源，上桥臂3组，互相独立；下桥臂三个驱动器共用一组电源；

(2)具有过电流保护(OC)和短路保护(SC)，模块中任何一个IGBT过电流均可受到保护；

(3)欠电压保护(UV)，当控制电压低于规定值时，进行欠压保护；

(4)过热保护(OT)，监测IPM基板的温度，当温度超过规定值时，进行保护；

(5)误动作输出报警输出信号(Fo)，当OC、SC、OT、和UV各种故障动作时间持续一定时间时，IPM即向外部发出误动作报警信号Fo。

由于IPM内置保护电路，因此鲁棒性大大提高。同时内置相关外围电路，缩短了系统设计周期，缩小了整个系统体积。

采用以永磁同步电动机为核心的控制，可实现对电动机的软启动和无级速度调节，启动时对电网和抽油设备无冲击，电动机功率因数可由0.3左右提高到0.90以上，从而减轻了电网及变压器的负担，降低了线损。操作方便，不需停产即可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度。借助应用矢量控制算法的永磁同步电动机的变频调速器，配以过程控制、位置传感等技术改造现有的抽油机，可以实现油井节电、增效和增产，从而提高整个有杆抽油系统的机采效率。为了实现抽油机最大程度与不同油井的供液能力和原油物性相配合，变频控制柜一般需要提供上、下冲次独立调节功能。

上、下冲程的独立调节，需要在抽油机上加装感应开关，并将感应开关接到控制柜内部变频器的控制端子，通过变频器的多段速功能来实现。需要合理设定上、下冲程两个感应开关相对应的两段速度。根据油井的供液量情况和粘稠度的不同，对于不同的油井，可以分别采用慢提快放、快提慢放、慢提慢放、快提快放等不同的控制策略，以最大程度的适应不同的井况，提高泵的充满程度，减少泵的漏失，在不同的井况下取得最佳的节能效果。

下面将举例说明采用本实用新型的以永磁同步电动机为核心的抽油机系统的应用过程。

应用一：动态调节抽油机的冲程频次

动态调节抽油机的冲程频次，起到节电的效果。抽油机的冲程频次可以通过机械的方法调整，但一旦调好，不宜于经常性的改动，此外通过皮带轮直径调整的方法也是有限的，不能动态地适应油井符合的需要。现在，只要通过变频调速则能动态调整抽油机的转速，可无级调节抽油机的冲次，从而调整了泵的充满度，提高抽取效率，增加原油产量，减少了电动机功率，实现了节能目的。通过RS485通信适配器能够实现控制系统与油井示功设备的连接，根据采集的信息按照要求预定的程序自动调节抽油杆的速度，最大限度地提高采油的效率，节省能源。

应用二：动态调节抽油机上、下行程的速度

通过动态调节抽油机其上、下行的速度实现节能增产的目的。一共设有2个电流工作频率调节器，一个调节上行速度，一个调节下行速度，目的是确定一个调节上行速度使之适合油田开采速度，同时对低渗透油田能通过调节抽油机上、下行频率从而可以改变上、下行运行时间，增加油井渗透时间，提高产量。采用现在的应用永磁同步电动机的变频调速技术，通过上、下四个点的位置传感器控制变频器上、下冲程输出不同频率的电压，使得电动机上、下冲程转速不同，可无级调节抽油机上、下冲程速比。采用的四个传感器，其中二个是控制抽油机运行，另外二个是起保护作用，位置传感器信号输送至PLC，再传送到控制器的计算中心，控制抽油机上、下往复运动，当位置传感器系统发生故障不能准确定位，起保护作用的传感器将启动强制保护，起停止或保护作用。

此外，还可根据实际的需求分别调整每一冲程下行程的速度，可提高抽油机工作时原油在泵的充满度；而恰当地提供上行程速度，可减少在提升过程中的漏失系数，有效地提高单位时间内的原油产量，达到节电、节能的效果。

应用三：无线远程监控

对于多台抽油机同时工作，可利用CDMA网络进行信号传输，此时，每台抽油机相当于一台CDMA手机，通过无线网络向控制中心传输各种我们所需的信息，了解油井抽油机的运行状态，冲程、冲次，故障信息，并在第一时间排除故障，提高工作效率。

应用四：实现油田管理自动控制

通过抽油机的控制器，可以实现油田整体控制，实现实施监控管理。通过中心控制室，将各种指令传输到抽油机的控制器，控制器接收到指令信息，按照原来内部设定的程序控制器监督抽油机完成工作冲程、冲次、运行或者停止，记录原油生产活动情况，再通过控制器反馈给控制室，从而达到自动化生产管理的目的。

本实用新型的永磁电动机控制器除了驱动电动机时无需通常位置控制必须的传感器(PG)外，还具有下列特性：

全新的转矩特性：即使无传感器，零速高转矩，能够做到以往难以做到的无传感器的同步电动机驱动，驱动IPM电动机时零速就能输出高启动转矩，即omin-1200％转矩(可测速范围1∶100)，这是立式抽油机的必备特性。

平稳运转：降低转矩脉动，实行更平稳的运行。

符合用途的瞬间停止措施：可以选择二种瞬时停电补偿；停电时安全可靠

节能：先进的节能控制技术，永磁同步电动机加控制器属于高效电动机和变频器的节能控制同时使用，可以超越感应电动机，实现超级节能。

耐环境性：耐湿、耐尘、耐油、耐环境的强化产品；噪音低；抑制电源高次谐波；适合野外露天使用。

Claims (5)

1.一种油田抽油机控制系统，其特征在于包括三相整流器、IPM模块、电动机、DSP控制器模块、驱动及保护电路以及电动机位置和转速检测模块，其中，三相整流器将交流电压整流为直流电压提供给IPM模块，所述IPM模块中包括逆变器电路，产生驱动电动机所需的交流电压，驱动及保护电路提供过电流保护、短路保护、欠电压保护和过热保护，所述电动机为永磁同步电动机，并且，在电动机的行程范围内设置上、下位置传感器，DSP控制器模块根据位置传感器采集到的位置信号控制IPM模块在电动机的上、下冲程中分别输出不同频率的电压，使得电动机上、下冲程的转速不同，从而无级调节抽油机的上、下冲程速比。

2.根据权利要求1所述的油田抽油机控制系统，其特征在于，在所述DSP控制器模块中采用矢量控制算法来驱动所述IPM模块中的逆变器。

3.根据权利要求1所述的油田抽油机控制系统，其特征在于，所述电动机位置和转速检测模块包括光电编码器。

4.根据权利要求3所述的油田抽油机控制系统，其特征在于，通过检测光电编码器发出的正交脉冲信号，不仅可以得到电动机转速，还可以得到电动机的转动方向。

5.根据权利要求1所述的油田抽油机控制系统，其特征在于，所述DSP控制器模块借助RS232总线或者CAN总线通讯接口与上位计算机进行通讯。 

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