CN204578416U - 一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，包括三相电源电路、变频驱动单元、制动控制单元以及开关电源、驱动单元，三相电源电路包括三相电源线、缺相保护继电器，缺相保护继电器与三相电源线的每根电线分别相连，变频驱动单元的输入端在与一断路器相连后再接入三相电源线，变频驱动单元的输入端与开关电源的输入端相连，所述变频驱动单元的输出端与抽油机中的驱动电机相连，开关电源的输出端连接驱动单元并为驱动单元工作供电，制动控制单元连接三相电源电路用于控制整体供电电路的通断。本实用新型通过变频器作为驱动电机的驱动元件，系统高度集成，使得控制系统元器件和布线更为精简，为用户提供了更为简单直观的操作界面。

Description

一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，具体涉及一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统。

背景技术

一直以来，在各大油田的游梁式抽油机和无游梁式抽油机，均以PLC结合变频器来实现对异步电动机或永磁电机的开环驱动控制；但该控制系统存在一定的功能缺陷和安全隐患，尤其在立式直驱永磁电机抽油机上的应用效果不够理想。

永磁同步电机具有功率因数高，节能效果明显等多项优点，但永磁同步电机特性在实际使用过程中对变频器驱动要求较高，如何实现平滑启动，让运行曲线更流畅，则是一个重要的技术环节。因此，在目前国内所有立式抽油机上，尚未有一种集高效节能、安全可靠、成本更低、稳定可靠、操作更简单、功能更全面于一身的抽油机智能型控制系统。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，其同时提高控制系统的可扩展性和灵活性，从而来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提供一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，其包括三相电源电路、变频驱动单元、制动控制单元以及开关电源、驱动单元，三相电源电路包括三相电源线、缺相保护继电器，用于检测每一相电路状态的缺相保护继电器与三相电源线的每根电线分别相连，变频驱动单元的输入端在与一断路器相连后再接入三相电源线，所述变频驱动单元的输入端与开关电源的输入端相连，所述变频驱动单元的输出端与抽油机中的驱动电机相连，开关电源的输出端连接驱动单元并为驱动单元工作供电，制动控制单元连接三相电源电路用于控制整体供电电路的通断。

该闭环控制系统以变频器作为永磁电机的驱动元件，在控制系统上取代 了传统的PLC控制模式。该系统集检测、运算、控制、变频驱动为一体，从插补运算、反馈、预警、误差修正到速度与转矩的自我调制进行了一系列闭环控制，为用户提供了更为简单直观的操作界面。该系统高度集成，使控制柜元器件和布线更精简；运算速度、数据通讯更迅速直接；模块化设计使系统功能的灵活性和扩展性更强大。

对于上述技术方案发明人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，所述开关电源包括0V、+12V、+24V三个输出端，所述驱动单元包括并行设置在开关电源三个输出端之间的启动电路、制动模式切换电路(也就是自动与手动模式切换电路)、启动提醒电路、急停指示电路、启动指示电路。

作为优化，所述变频驱动单元包括变频器及其外围电路，所述变频驱动单元中的变频器输出端与抽油机中的驱动电机相连，在变频器的输出端与抽油机的驱动电机之间设有交流接触器，在交流接触器与驱动电机之间还并联有制动电阻。

与现有技术相比较，本发明所具有的有点在于：

本实用新型所描述的立式支取抽油机的控制系统，其通过变频器作为驱动电机的驱动元件，在控制系统上取代了传统的传统的PLC控制模式，且系统高度集成，使得控制系统元器件和布线更为精简，为用户提供了更为简单直观的操作界面。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1是本实用新型实施例所述控制系统的原理框图；

图2是本实用新型实施例所述控制系统控制下的电机运行曲线图。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而 不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

本实施例描述了一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，如图1所示，其包括三相电源电路、变频驱动单元、制动控制单元以及开关电源、驱动单元，三相电源电路包括三相电源线、缺相保护继电器，用于检测每一相电路状态的缺相保护继电器与三相电源线的每根电线分别相连，变频驱动单元的输入端在与一断路器相连后再接入三相电源线，所述变频驱动单元的输入端与开关电源的输入端相连，所述变频驱动单元的输出端与抽油机中的驱动电机相连，开关电源的输出端连接驱动单元并为驱动单元工作供电，制动控制单元连接三相电源电路用于控制整体供电电路的通断。

在电机制动方面，制动控制单元中的控制箱内采用电力失效型制动器(以鼓式FYWZS/YX型为例)，运行时，制动器闸瓦打开并自动切换到低电压状态下保持，停机、断电或故障等级达到制动等级时闸瓦在强力弹簧复位作用下对电机进行抱闸，从而达到可靠制动的目的。(对应制动措施)

所述变频驱动单元包括变频器及其外围电路，所述变频驱动单元中的变频器的输出端与抽油机中的驱动电机相连，在变频器的输出端与抽油机的驱动电机之间设有交流接触器，在交流接触器与驱动电机之间还并联有制动电阻。抽油机永磁电机运行在平衡载荷还是载荷差状态下皆存在发电现象，不同的是平衡载荷下为换向惯量短时发电，而载荷平衡差为电机被“拖跑”在一个冲程内发电，因此必须采用外部制动电阻将这部分电能转化为热能进行消耗，制动电阻值及功率值根据变频器功率来进行选择，本实施例中采用3KW、 20Ω的制动电阻。(对应能耗处理)

开关电源包括0V、+12V、+24V三个输出端，所述驱动单元包括并行设置在开关电源三个输出端之间的启动电路、制动模式切换电路、启动提醒电路、急停指示电路、启动指示电路。

该闭环控制系统的控制模式如下：

1.变频驱动： 

该控制系统以变频其结合外部单元对永磁电机实现了理想的平滑启动，解决了国内外绝大部分变频器对低转速大扭矩永磁电机电机启动时的震颤现象；在电机换向运行中为斜坡加、减速控制，运行曲线如图2所示。

2.控制模式切换：

设置变频器为DTC直接力矩控制模式；将控制系统分为自动运行模式和手动运行模式，在两种模式下分别对应“启动/上行”和“停止/下行”，以旋转开关进行选择。

3.手动模式下的系统控制：

此模式下，可对电机的正转(抽油杆上行)和反转(抽油杆下行)进行点动操作。为了防止制动器打开时抽油机最重端猛然下坠，变频器接收到点动信号时必须先对电机建立励磁电流，使电机输出力矩进入零速保持状态，随后制动器打开，电机按对应速度和点动方向运行；松开按钮时，制动器立即刹车，同时电机停止转动进入零速保持状态，为了确定制动器是否已可靠刹车，变频器输出转矩不会立即撤销，而是尝试缓慢减小；如中间突然出现溜车，重力突变会使电机“拖跑”，控制系统从电流、力矩和中间直流母线电压的反馈数据确定状态性质，使电机立即反向拖拽，在不超过额定电流2倍范围内输出对应力矩抑制溜车。

4.自动模式下的系统控制：

当切换到自动模式时“启动/上行”按钮属性为启动功能，按一下“启动/上行”按钮，运行程序进入启动倒计时，并输出语音提醒(重复两次)，提醒完毕，抽油机开始以5rpm/min的初始速度运行，两分钟后自动切换到面板调速旋钮的预设速度运行。在运行中按下“停止/下行”按钮，制动器刹车，电机停止转动。无论是手动还是自动，本实施例所述控制系统依然会启用电机力矩来保障刹车的可靠性。本实施例以反馈调制算法 利用电机以最大扭矩来配合机械制动，为运行安全提供保障。

5.位置控制： 

立式直驱抽油机在运行时，抽油杆提升高度和皮带轮卷绕直径变化成一定线性关系，通过插补运算、速度积分、位移惯量与累计误差修正等多种运算公式来确定配重箱的运行位置，使位移精度≤1mm。

除此之外，本实施例所描述的闭环控制系统在系统安全性方面也做了长足的考量，具体如下：

1.缺相保护功能：

当控制系统电源输入端或变频器输出端任意缺相，控制系统皆会通过触摸屏或控制系统内部所设指示灯报警提示。

2.手动过流保护：

手动操作中，当变频器输出电流超过设定的最大电流值，将限流输出，防止电机和变频器被烧毁。

3.自动过流保护：

当抽油机在自动运行中遇到卡泵或起抽困难，平衡载荷和电机扭矩发生剧烈变化，系统将同步数据和运行条件自动进行对比判断，超过设定限值30秒后系统保护停机并制动，有效避免了抽油杆被拉断或电机因持续大电流堵转而发热、退磁、烧毁。

4.失载保护： 

无论抽油机在手动或自动运行中遇到皮带或抽油杆断裂，系统立即启动一级保护，按失载端下落速度(母线电压脉冲)进行PWM脉宽调制，电机自动以反向力矩抑制重物下落速度；若负载重力过大，已超过电机极限力矩，系统立即启动二级保护，使电机与变频器之间的接触器(KM1)断开，同时将电机反电势通过(KM2)接触器旁路到控制柜顶部的备用制动电阻器上，对变频器和控制系统形成全面保护。

5.失速保护： 

该功能对抽油机的挂载、卸载提供了安全保障；作业中，当操作者因误操作导致最重端溜车下坠速度过快，电机会自动调整运行状态，极力抑制自己不被拖跑发电。一旦出现恶意操作导致重力失控，系统将按失载保护措施进行处理。

6.过冲保护： 

在抽油机手动或自动运行中，为了防止操作不当或环境影响导致配重箱过冲，在塔架上下部位分别安装了上极限和下极限开关，一旦过冲，设备停止运行并刹车制动。

7.过压保护： 

根据《★SY/T6729-2008T_无游梁式抽油机》第8.4条中抽油机的平衡标准规定：抽油机上下电流差值不得大于最大峰值电流的15％。但抽油机在油田实际使用中常常出现超标准运行，平衡状态严重失调，使电流差值超过40％以上，导致电机大功率提升和反电势拖跑。为了延长电机使用寿命，保护控制柜，针对这种违规运行，特设过压保护功能，一旦出现上述问题，系统将在触摸屏上进行预警，先提醒工作人员及时调整载荷平衡，若未及时处理，致使载荷平衡差严重威胁到设备安全，系统将启动过压保护措施对抽油机进行保护停机。

8.电机过热保护：

变频器通过在电机内部预埋的温度传感器(KTY84)对电机绕组进行温度检测，系统将限定值分成两个等级来进行设定，当温度超过一级限值，变频器和触摸屏将同步预警，提示电机温度过高，若未及时处理使状态得到改善，温度或将持续上升，一旦超过二级限值，抽油机停止运行。

9.紧急停止： 

在操作运行中，若出现紧急情况，操作人员可拍下控制系统面板上的紧急停止按钮中断变频器的自动运行并使设备紧急制动、停机，故障排除后再右旋即可复位。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，其特征在于，包括三相电源电路、变频驱动单元、制动控制单元以及开关电源、驱动单元，三相电源电路包括三相电源线、缺相保护继电器，用于检测每一相电路状态的缺相保护继电器与三相电源线的每根电线分别相连，变频驱动单元的输入端在与一断路器相连后再接入三相电源线，所述变频驱动单元的输入端与开关电源的输入端相连，所述变频驱动单元的输出端与抽油机中的驱动电机相连，开关电源的输出端连接驱动单元并为驱动单元工作供电，制动控制单元连接三相电源电路用于控制整体供电电路的通断。

2.根据权利要求1所述的一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，其特征在于，所述开关电源包括0V、+12V、+24V三个输出端，所述驱动单元包括并行设置在开关电源三个输出端之间的启动电路、制动模式切换电路、启动提醒电路、急停指示电路、启动指示电路。

3.根据权利要求1所述的一种立式直驱抽油机无位置传感器的闭环控制系统，其特征在于，所述变频驱动单元包括变频器及其外围电路，所述变频驱动单元变频器的输出端与抽油机中的驱动电机相连，在变频器的输出端与抽油机的驱动电机之间设有交流接触器，在交流接触器与驱动电机之间还并联有制动电阻。