CN203377832U - 一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备，包括用于驱动螺杆泵电机的变频器，所述变频器带有与螺杆泵电机工作状态相对应的正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路；所述驱动控制设备还设有向变频器正转激活回路、反转激活回路和反转速度激活回路发送导通信号的可编程控制器。设有用于向所述可编程控制器输入螺杆泵电机正转、反转或停止指令的输入按钮。本实用新型克服了能耗制动抑制反转存在的短时反转速度过高的问题，通过变频器驱动螺杆泵电机以恒定的低速反转，逐步释放泵杆上的弹性势能，避免飞车危险。

Description

一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备

技术领域

本实用新型涉及螺杆泵电机驱动设备领域，具体涉及一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备。

背景技术

螺杆泵电机用于采油举升设备中螺杆泵的驱动，现已在油田开采中广泛应用。经过长时间的工作后，螺杆泵的泵杆变形累积了大量的弹性势能，当螺杆泵电机停机时，泵杆上的势能快速释放，造成螺杆泵电机飞车，不利于设备的安全运行，同时也会对操作人员的人身安全造成一定威胁。

授权公告号为CN201616807U的实用新型公开了一种永磁电机直驱式螺杆泵抽油机的电机控制装置，包括变频器、开关、断电延时继电器、通电延时继电器、接触器、输入/输出接线端子、电阻制动电路，开关与断电延时继电器串联，串联在断路器的任一输出侧接线端与输入接线端子中的中性线接线端子间；断电延时常开触点、变频器内故障触发触点中的常闭触点、接触器串联，与起停开关、断电延时继电器的串联支路并联；两延时继电器并联；通电延时常开触点串联于变频器的运行控制端与公共端间；变频器电源端与接地端间串联有滑片与变频器频率设定输入端子相连的可变电阻器。

现有螺杆泵电机的抑制反转技术普遍采用能耗制动，存在着短时反转速度过高的问题，容易损毁设备，威胁人员安全，而且目前使用的控制设备都是带传感器的，油田上的粉尘多，环境恶劣，极易损坏传感器，造成传感器失效，进而导致控制设备无法正常工作，同时，油田控制柜内部只有机械仪表，只能固定几个参数，不方便螺杆泵电机运行状态监控的调整。

实用新型内容

本实用新型提供了一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备，克服了能耗制动抑制反转存在的短时反转速度过高的问题，通过变频器驱动螺杆泵电机以恒定的低速反转，逐步释放泵杆上的弹性势能，避免飞车危险。

一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备，包括用于驱动螺杆泵电机的变频器，所述变频器带有与螺杆泵电机工作状态相对应的正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路；所述驱动控制设备还设有向变频器正转激活回路、反转激活回路和反转速度激活回路发送导通信号的可编程控制器。

三相电源与变频器的输入端相连接，变频器的输出端与螺杆泵电机通过电缆相连接；可编程控制器的输出端与变频器的控制端相连接。

变频器的正转激活回路激活时，螺杆泵电机驱动螺杆泵正转，变频器的反转激活回路激活时，螺杆泵电机驱动螺杆泵反转。由于变频器控制螺杆泵电机采用无传感器矢量控制，能够有效克服油田上传感器失效的问题。

在螺杆泵电机停机时，一方面，可以通过手动输入反转指令，导通反转激活电路，使螺杆泵电机以恒定的低速反转，释放泵杆上积累的弹性势能，避免飞车的危险；另一方面，也可以通过可编程控制器自动向反转激活回路发送导通信号，激活螺杆泵电机以恒定的低速反转，释放泵杆上积累的弹性势能，避免飞车的危险。

为了防止螺杆泵泵杆脱扣，反转的速度不能过高，满足弹性势能的释放即可，恒定的低速可以预先进行设定。

作为优选，设有用于向所述可编程控制器输入螺杆泵电机正转、反转或停止指令的输入按钮。

输入按钮与可编程控制器的输入端相连接，通过手动输入控制螺杆泵电机的正转、反转以及停止。

作为优选，所述正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路中连接有继电器组，所述可编程控制器通过该继电器组控制正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路的通断。

通过改变继电器组的通断状态来改变正转激活回路与反转激活回路以及反转速度激活回路的通断状态，进而影响螺杆泵电机的工作状态。

作为优选，所述输入按钮为三个，三个输入按钮分别连接可编程控制器的三个输入端子，分别对应螺杆泵电机的正转、反转和停止指令。

所述可编程控制器具有第一输出回路、第二输出回路和第三输出回路，所述的继电器组包括第一继电器、第二继电器和第三继电器；

其中：所述第一输出回路为相互串联的第一继电器控制接点和第二继电器常闭触点；

所述第二输出回路为相互串联的第二继电器控制接点和第一继电器常闭触点；

所述第三输出回路为相互串联的第三继电器控制接点和第一继电器常闭触点；

所述正转激活回路接有第一继电器常开触点；

所述反转激活回路接有第二继电器常开触点；

所述反转速度激活回路接有第三继电器常开触点。

1）按下正转输入按钮时，第一输出回路导通，即第一继电器的控制线圈得电，第一继电器常开触点闭合，正转激活回路导通，螺杆泵电机正转；

2）按下停止输入按钮时，第一输出回路断开，即第一继电器的控制线圈不得电，正转激活回路中在步骤1）已经闭合的第一继电器常开触点再次断开，正转激活回路断开，螺杆泵电机正转减速停止；

3）同时按下停止输入按钮和反转输入按钮时，第二输出回路导通，即第二继电器的控制线圈得电，第二继电器常开触点闭合，反转激活回路导通，螺杆泵电机正转减速至零后，开始恒定低速反转；

4）同时松开停止输入按钮和反转输入按钮时，第二输出回路断开，即第二继电器的控制线圈不得电，反转激活回路中在步骤3）已经闭合的第二继电器常开触点再次断开，反转激活回路断开，螺杆泵电机反转停止。

螺杆泵电机正转减速过程中，如果停止输入按钮和反转输入按钮没有按下，则可编程控制器控制第二继电器常开触点和第三继电器常开触点同时闭合，反转激活回路和反转速度激活回路导通，螺杆泵电机正转减速至零后，开始恒定低速反转。速度由变频器内预设的速度设定控制。

作为优选，所述可编程控制器带有用于采集变频器输出转矩的通信端子，且在变频器输出转矩小于设定值时，断开螺杆泵电机的反转激活回路。

通信端子检测到变频器输出转矩小于设定值时（即泵杆的弹性势能已经释放完全），可编程控制器控制反转激活回路和反转速度激活回路中已经闭合的第二继电器常开触点和第三继电器常开触点再次断开，反转激活回路和反转速度激活回路断开，螺杆泵电机反转停止。

作为优选，所述可编程控制器连接有在变频器驱动电机反转时输出转矩小于设定值时点亮的反转停止指示灯。

可编程控制器检测到变频器输出转矩小于设定值时（即泵杆的弹性势能已经释放完全），反转停止指示灯亮，反转激活回路断开，螺杆泵电机反转停止。

作为优选，还设有与可编程控制器通信连接，用于显示变频器工作参数的文本显示器。

文本显示器与可编程控制器实时通讯，通过可编程控制器采集变频器的输出参数，实现对螺杆泵电机运行状态的实时监控，同时可以根据需要修改实时监控参数。

作为优选，还设有接触器组，所述变频器带有通过接触器组与螺杆泵电机相连的电源输出端，以及用于控制所述接触器组开启或关闭螺杆泵电机的控制信号输出端。

变频器的控制信号输出端用于控制接触器组的开启或者关闭，通过接触器组的开启或者关闭，进一步控制电源输出端是否向螺杆泵电机供电。

所述螺杆泵电机还连接有能耗电阻，当螺杆泵电机突然停机时，螺杆泵电机的三相绕组与能耗电阻串联，抑制螺杆泵电机在泵杆带动下反转的速度，实现能耗制动反转。

设有检测驱动控制设备内部温度的温度传感器以及依据温度传感器信号控制开启和关闭的加热器。

本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备与现有技术相比具有如下优点：

第一、文本显示器上可实时监控变频器的相关输出参数，并且可以根据需要修改监控参数；

第二、集成了自动电磁反转抑制、手动电磁反转抑制和能耗制动反转抑制，可根据具体情况进行选择，实现反转抑制的梯级保护；

第三：可编程控制器中的程序可根据现场工况进行更改，灵活多变；

第四、无传感器磁场矢量控制，能够避免油田恶劣的环境引起传感器失效，进而导致整个采油驱动系统停机；

第五、弱磁扩速功能，能够弱磁控制同步电机、使之具备一定的超速功能，满足油田上的超速使用需求；

第六、自加热系统，保证低温环境下控制设备内电气元件性能不受影响。

附图说明

图1为本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备的控制原理示意图；

图2为本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备的主电路图；

图3为本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备的控制电路图；

图4为本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备的控制流程图；

图5为本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备的通讯连接示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图进一步描述本实用新型的技术内容和具体实施方式。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本实用新型，并不是为了限定本实用新型。

如图1所示，一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备，包括用于驱动螺杆泵电机的变频器，变频器带有与螺杆泵电机工作状态相对应的正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路；驱动控制设备还设有向正转激活回路、反转激活回路以及反转激活回路发送导通信号的可编程控制器，设有与可编程控制器通信连接，用于显示变频器工作参数的文本显示器。

如图5所示，可编程控制器（DVP20EC00R3台达）的通讯口D+，D-分别与变频器（DVP-C2000台达）的通讯口SG+，SG-连接，可编程控制器的通讯口COM1与文本显示器（TP04G-BL-C台达）的通讯口COM2连接。可编程控制器作为变频器的上位机，是整个驱动控制设备的逻辑控制器，可编程控制器内部存储有螺杆泵永磁同步电机的启动运行控制程序，停机控制程序，实现对整个驱动控制设备逻辑工作的控制，同时，还存储有与变频器和文本显示器的通讯程序，可编程控制器与变频器和文本显示器之间的通讯，且这些程序可以随时改变。

可编程控制器通过与变频器的通讯程序，读取变频器内部的相关数据并存储在可编程控制器内部的存储器中；可编程控制器通过与文本显示器的通讯程序，将存储在存储器中的数据写入文本显示器中，并在文本显示器中显示出来，如果需要更改显示的数据，只需要更改可编程控制器写入文本显示器的数据所对应的存储器内部的地址即可。

变频器作为驱动器，采用无传感器磁场矢量控制方式驱动螺杆泵永磁同步电机，不需要传感器，同时具有弱磁扩速的功能，当螺杆泵永磁同步电机转速超过额定速度，变频器会自动判断进入弱磁状态，此时螺杆泵永磁同步电机处于恒功率运行状态，实现对螺杆泵永磁同步电机超速运行的控制。

如图2、图3所示，三相电源通过输入端子R、S、T输入变频器，变频器输出端子U、V、W与螺杆泵永磁同步电机M1连接。图中L为火线，N为零线，各端子PE为接地端GND，M2为风扇电机，G1为文本显示器电源。

设有用于向可编程控制器输入螺杆泵电机正转指令的输入按钮SB1，停止指令的输入按钮SB2以及反转指令的输入按钮SB3，连接时，可编程控制器的输入端子X0、X1、X2分别与输入按钮SB1、输入按钮SB2、输入按钮SB3连接。

正转激活回路和反转激活回路中以及反转速度激活回路连接有继电器KA1、继电器KA2以及继电器KA3，可编程控制器通过继电器KA1、继电器KA2以及继电器KA3控制正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路的通断，具体连接方式如下：

可编程控制器输出端子Y0、继电器KA1控制接点和继电器KA2的常闭触点串联；

可编程控制器输出端子Y1、继电器KA2控制接点和继电器KA1的常闭触点串联；

可编程控制器输出端子Y2、继电器KA3控制接点和继电器KA1的常闭触点串联；

变频器的FWD端子、继电器KA1的常开触点、变频器的DCM端依次串联，构成正转激活回路。

变频器的REV端子、继电器KA2的常开触点、变频器的DCM端依次串联，构成反转激活回路；变频器的MI1端子、继电器KA3的常开触点、可编程控制器的Y4依次串联，构成第一通路；变频器的MI2端子、继电器KA3的常开触点、可编程控制器的Y6依次串联，构成第二通路；第一通路和第二通路共同构成反转速度激活回路。

可编程控制器带有用于采集变频器输出转矩的通信端子D+和D-，且在变频器输出转矩小于设定值时，断开螺杆泵电机的反转激活回路。可编程控制器连接有在变频器输出转矩小于设定值时点亮的反转停止指示灯HL1，反转停止指示灯HL1与可编程控制器的输出端子Y3串联。（可编程控制器的输出端子Y3上为控制反转停止指示灯HL1通断的输出端子，采集变频器的输出转矩是通过通讯完成的）

还设有接触器组（包括KM1和KM2），变频器带有通过接触器组与螺杆泵电机相连的电源输出端，具体连接方式如下：

变频器的三个端子U(T1)、V(T2)、W(T3)通过接触器KM1的常开触点分别与螺杆泵永磁同步电机的输入端U、V、W相连接，螺杆泵永磁同步电机的输入端U、V、W还分别通过接触器KM1常闭触点与能耗电阻R4、R5和R6相连接，且接触器KM2的常开触点与该处的接触器KM1常闭触点并联。

另外接触器组与变频器的输出端子RA1、RC1之间还通过如下方式连接成相互并联的第三通路与第四通路，第三通路与第四通路的两端接入电源的两极L、N，其中：

第四通路为：相互连接的变频器的输出端子RA1、RC1与接触器KM1控制线圈；

第五通路为：相互串联的接触器KM1常闭触点和接触器KM2控制线圈。

变频器驱动螺杆泵电机运行期间，变频器的输出端子RA1、RC1导通，接触器KM1线圈得电，KM1常开触点闭合，KM1常闭触点断开，接触器KM2线圈失电，KM2常开触点断开，螺杆泵电机与能耗电阻R4、R5和R6断开连接，与变频器的输出端连接；当变频器停止运行时，变频器的输出端子RA1、RC1断开，接触器KM1线圈失电，KM1常闭触点闭合，接触器KM2线圈得电，KM2常开触点闭合，能耗电阻R4、R5和R6与螺杆泵电机的输入端U、V、W相连接，抑制螺杆泵电机在泵杆带动下的反转速度。

如图3所示，设有检测驱动控制设备内部温度（控制柜内部的温度）的温度传感器以及依据温度传感器信号控制开启和关闭的加热器R1。当温度传感器检测到驱动控制设备内部温度低于设定温度时，温控开关ST1闭合，加热器R1开始加热；当温度传感器检测到驱动控制设备内部温度高于设定温度时，温控开关ST2断开，加热器R1停止加热。

如图4所示，本实用新型油田螺杆泵电机的驱动控制设备工作过程如下：

1）按下正转输入按钮SB1时，继电器KA1控制线圈得电，继电器KA1常开触点闭合，正转激活回路导通，螺杆泵电机正转；可以通过调节电位器R2调节螺杆泵电机正转速度。

2）按下停止输入按钮SB2时，继电器KA1的控制线圈不得电，在步骤1）中已经闭合的继电器KA1常开触点再次断开，正转激活回路断开，螺杆泵电机正转减速停止；

3）在螺杆泵电机正转停止工作过程中，若输入按钮SB2和输入按钮SB3没有同时按下，螺杆泵电机正转减速至零后，可编程控制器会自动输出发送信号，继电器KA2常开触点和继电器KA3常开触点同时闭合，反转激活回路和反转速度激活回路导通，变频器驱动螺杆泵电机自动反转，速度由变频器内预设的速度设定控制；

4）在螺杆泵电机正转停止工作过程中，同时按下停止输入按钮SB2和反转输入按钮SB3时，继电器KA2的控制线圈得电，继电器KA2常开触点闭合，反转激活回路导通，螺杆泵电机正转减速至零后，开始恒定低速反转（反转速度可以通过电位器R2手动设置）；

5）同时松开停止输入按钮SB2和反转输入按钮SB3时，继电器KA2的控制线圈不得电，在步骤4）中已闭合的继电器KA2常开触点再次断开，反转激活回路断开，螺杆泵电机反转停止；

若仅按下反转输入按钮SB3，可编程控制器不动作；

可编程控制器检测到变频器输出转矩小于设定值时反转停止指示灯亮，反转激活回路断开，螺杆泵电机反转停止。

若控制设备运行过程中突然失电，变频器控制信号输出端RA1，RC1断开，接触器KM1和接触器KM2不得电，接触器KM1常闭触点闭合，螺杆泵电机通过接触器KM1的常闭触点与能耗电阻R4，R5，R6相连，通过能耗制动抑制螺杆泵电机反转的速度。

Claims (9)

1.一种油田螺杆泵电机的驱动控制设备，包括用于驱动螺杆泵电机的变频器，其特征在于，所述变频器带有与螺杆泵电机工作状态相对应的正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路；所述驱动控制设备还设有向变频器正转激活回路、反转激活回路和反转速度激活回路发送导通信号的可编程控制器。

2.如权利要求1所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，设有用于向所述可编程控制器输入螺杆泵电机正转、反转或停止指令的输入按钮。

3.如权利要求2所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，所述正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路中连接有继电器组，所述可编程控制器通过该继电器组控制正转激活回路和反转激活回路以及反转速度激活回路的通断。

4.如权利要求3所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，所述输入按钮为三个，三个输入按钮分别连接可编程控制器的三个输入端子，分别对应螺杆泵电机的正转、反转和停止指令。

5.如权利要求4所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，所述可编程控制器具有第一输出回路、第二输出回路和第三输出回路，所述的继电器组包括第一继电器、第二继电器和第三继电器；

其中：所述第一输出回路为相互串联的第一继电器控制接点和第二继电器常闭触点；

所述第二输出回路为相互串联的第二继电器控制接点和第一继电器常闭触点；

所述第三输出回路为相互串联的第三继电器控制接点和第一继电器常闭触点；

所述正转激活回路接有第一继电器常开触点；

所述反转激活回路接有第二继电器常开触点；

所述反转速度激活回路接有第三继电器常开触点。

6.如权利要求5所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，所述可编程控制器带有用于采集变频器输出转矩的通信端子，且在变频器输出转矩小于设定值时，断开螺杆泵电机的反转激活回路。

7.如权利要求6所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，所述可编程控制器连接有在变频器驱动电机反转时输出转矩小于设定值时点亮的反转停止指示灯。

8.如权利要求7所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，还设有与可编程控制器通信连接，用于显示变频器工作参数的文本显示器。

9.如权利要求8所述的油田螺杆泵电机的驱动控制设备，其特征在于，还设有接触器组，所述变频器带有通过接触器组与螺杆泵电机相连的电源输出端，以及用于控制所述接触器组开启或关闭螺杆泵电机的控制信号输出端。

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