CN2702083Y - 游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于油田游梁式抽油机节能降损的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置。由控制器、固态继电器、动补电容器、静补电容器、断路器、避雷器、熔断器、电流互感器、箱体组成，其中，固态继电器分为Δ接固态继电器、Y接固态继电器和电容器投切固态继电器。主要用于对游梁式抽油机电动机定子绕组进行Δ－Y形接法转换，调整绕组的电压，同时进行动态、静态无功补偿，可有效降低有功和无功损耗，取得显著的节能效果。

Description

游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置

技术领域

本实用新型属于电学技术领域，涉及一种用于游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置。

背景技术

游梁式抽油机具有结构简单，制造容易，可靠性高，适应性强等优点，在采油工业发展初期被大量使用。但是，也存在效率低，用电成本高等缺点。据统计资料显示，我国目前各油田使用的游梁式抽油机的采油井数约占机械采油井总数的15％左右。

游梁式抽油机具有特殊的负荷特性，抽油杆在下降过程中，驱动电机处于轻载状态；抽油杆在上升过程中，驱动电机处于重载状态，负载呈周期性波动。这一负荷特性要求其驱动电动机的设计容量留有较大的裕度，因此所选的电机容量大，负荷匹配不合理，大多数电机处于轻载状态，造成系统效率低，电能损耗大。

据了解，目前油田抽油机的用电费用，已占到石油开采成本的35％左右，因此，针对游梁式抽油机进行节能降耗、提高效率，将给油田带来巨大的经济效益。同时，也改善了供电质量，还可缓解油田电力供应紧张的状况。

发明内容

鉴于以上已有技术存在的不足之处，本实用新型的目的在于，提供一种带有专门设计的控制器控制固态继电器接通或关断，改变游梁式抽油机驱动电动机绕组接法、控制补偿电容器的投切，可实现对游梁式抽油机进行电压调整和无功补偿，从而达到节能的目的。

为了实现上述目的，本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种用于油田的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，包括：连接在主电源的电流互感器CT、避雷器、断路器、熔断器；其特点是，线路上还包括有控制器、△接固态继电器、Y接固态继电器、电容器投切固态继电器、静补电容器和动补电容器；上述各个器件安装在箱体内；

静补电容器通过熔断器并联在线路上，动补电容器通过电容器投切固态继电器和熔断器并联在线路上，避雷器并联在主电源上，△接固态继电器和Y接固态继电器分别将游梁式抽油机的电动机定子绕组接成△形或Y形，实现电压的调整；

主电源通过断路器、熔断器到游梁式抽油机的电动机；

控制器的一端与主电源上的电流互感器CT连接，另一端连接在断路器一端，并根据内部设定的参数控制△接固态继电器、Y接固态继电器和电容器投切固态继电器。

本实用新型其他一些特点是：所述的△接固态继电器和Y接固态继电器是无触点开关元件、也可以是有触点开关，还可以是接触器或继电器。

所述控制器由中央处理模块，信号输入模块，频率采样模块，电源模块，控制信号输出模块，通讯模块，液晶显示及键盘模块，数据存储模块构成。其中电源模块分别给通讯模块、液晶显示及键盘模块、信号输入模块、控制信号输出模块、频率采样模块、数据存储模块和中央处理模块提供电源；输入模块为中央处理模块提供输入信号，中央处理模块分别和通讯模块、频率采样模块、液晶显示及键盘模块、数据存储模块互连，并控制控制信号输出模块。

所述动补电容器、静补电容器是充油并联补偿电容器或干式并联补偿电容器。

本实用新型的工作原理是，由控制器控制三组固态继电器的通断，电源进线开关断路器闭合后，静补电容器即投入运行，电动机开始起动。此时，电动机定子绕组为△形接法，以获得较大的启动转距，控制器直接从线路上采集三相电压信号，通过电流互感器采集三相电流信号，经过分析计算得出电动机的负载率。当电机负载率大于临界负载率时，控制器发出指令接通△接固态继电器，电机绕组接成△形接法；反之，当电机负载率小于临界负载率时，控制器发出指令接通Y接固态继电器，电机绕组接成Y形接法。当电机接成△形接法的同时，控制器发出指令接通电容器投切固态继电器，使动补电容器投入运行。

本实用新型适用于电机定子绕组原来是△形接法并有六个接线端子的电动机。

本实用新型的技术效果是：

1.控制装置与其他的节能措施相比较，成本低，投资少，简单易行。

2.自动调整游梁式抽油机电动机绕组电压，同时进行无功补偿，节能效果好。

3.利用固态继电器转换电动机定子绕组接线方法、投切动补电容器，无触点，响应速度快，不产生电弧，适合频繁操作。可实现电容器过零投切，限制合闸涌流。

4.控制器结构设计运用数字信号处理技术，处理数据速度快，适应游梁式抽油机周期性负载变化大的特点。可显示工作电流，电压，功率因数，有功功率，无功功率，有功电度等参数。

5.控制器的软件设计采取层次化，模块化的设计思路，采用C语言和汇编语言混合编程，简化了设计程序，增加了程序的易扩展性。

6.具有RS232/485通讯接口，可实现有线或无线通讯，可以与上位机进行数据交换。

7.控制器采用工业级芯片和多种抗干扰措施。抗干扰性能好，工作可靠，适应油田游梁式抽油机野外的工作环境。

本实用新型由专门设计的控制器控制固态继电器的接通或关断，实现对游梁式抽油机电动机定子绕组进行△-Y转换，从而实现对电动机电压的调整，还可以对电容器进行自动投切，实现对电动机的无功补偿。

本实用新型的控制装置不仅仅适用于游梁式抽油机，也适用于负载特性与游梁式抽油机相似的其它设备。

附图说明

图1是游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置电气原理图；

其中图号表示的是1.控制器2.△接固态继电器3.Y接固态继电器，4.电容器投切固态继电器，5.静补电容器，6.动补电容器7.熔断器，8.避雷器，9.断路器，10.游梁式抽油机的电动机，CT1、CT2、CT3为电流互感器。

图2是控制器原理框图。

图3和图4是控制器的电路原理图。

下面结合附图和发明人给出的实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

依本实用新型的技术方案，一种用于油田的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，由控制器1，△接固态继电器2，Y接固态继电器3，电容器投切固态继电器4，静补电容器5，动补电容器6，熔断器7，避雷器8，断路器9，游梁式抽油机的电动机10及其电流互感器，箱体组成。

三相工作电源进入控制装置后，经过避雷器8和三相电流互感器CT1、CT2、CT3到达断路器9，通过断路器9、熔断器7，到达游梁式抽油机的电动机10的电源输入端。静补电容器5经过熔断器7直接并联于断路器9的出线端，动补电容器6通过电容器投切固态继电器4和熔断器7并联于断路器9的出线端；三相电压和三相电流互感器CT1、CT2、CT3采集到的电流信号进入控制器。控制器的信号输出端分别连接△接固态继电器，Y接固态继电器和电容器投切固态继电器。△接固态继电器2和Y接固态继电器3的输出端分别连接游梁式抽油机定子绕组的另外三个端子。△接固态继电器2和Y接固态继电器3之间具有电气互锁功能，不允许同时接通。

断路器合闸后，静补电容器立即投入运行，电机启动进入工作状态，这时，控制器检测电动机的电压和电流，计算出功率因数、有功功率、无功功率和负载率。当电动机负载率大于临界负载率时，控制器发出指令到△接固态继电器，使之接通，电机绕组为△形接法，同时控制器发出指令接通电容器投切固态继电器，使动补偿电容器投入运行。当电动机负载率小于临界负载率时，控制器发出指令到Y接固态继电器，使电动机绕组转换为Y形接法，降低了绕组电压和电流，降低了有功和无功损耗。

控制器由八个模块部分组成：中央处理模块，信号输入模块，频率采样模块，电源模块，控制信号输出模块，通讯模块，液晶显示及键盘模块，数据存储模块.中央处理模块：是整个控制器的核心模块，负责处理和分析现场运行参量，以及上级管理中心或者现场操作人员给出的操作指令；信号输入模块：对电压、电流信号进行调理，将交流信号转换为中央处理模块的输入信号，供中央处理模块使用；频率采样模块：对电网中电能频率信号进行采集；电源模块：给控制器各个模块提供工作电源；液晶显示及键盘模块：显示系统的各种参数，可以对控制器的某些参数进行修改，并可手动实现控制器的部分功能，更好地对控制器的工况进行监视；通讯模块：通过RS232/485接口与上位机进行通讯；控制信号输出模块：对控制器发出的控制信号进行隔离放大，驱动固态继电器动作；数据存储模块：对需保存的历史数据和部分重要参数进行保存、读取。

固态继电器，是一种无触点电子继电器，输入的控制电流很小，输出则用晶闸管来接通或关断负荷电流。

电容器采用自愈式并联补偿电容器，动、静补电容器的容量按电机的功率和负荷进行选择。

以下是发明人给出的实施例，但本实用新型并不局限于本实施例。

参见图1，图1为本实用新型的电气原理图，虚线框内的元件为控制装置的元件。三相电源进入控制装置，经过避雷器8和电流互感器，到达断路器9，经过熔断器7出线到游梁式抽油机的电动机10。静补电容器5通过熔断器7直接并联于主回路上，动补电容器5通过电容器投切固态继电器4和熔断器7并联于主回路上，进行无功补偿。控制器1采集三相电压和电流信号，计算出功率因数、有功功率、无功功率和电机负载率，进行分析判断，若负载率大于临界负载率，控制器1发出指令接通△接固态继电器2，使电机绕组为△形接法，同时发出指令接通电容器投切固态继电器4，使动补电容器5投入运行；若负载率小于临界负载率，则控制器1发出指令接通Y接固态继电器3，使电机绕组转换为Y形接法。通过对电动机绕组△-Y形接法转换来调整电压，并进行无功补偿，降低了有功和无功损耗，达到节能目的。

图2是控制器电路原理图框图，控制器包括：CPU中央处理模块，信号输入模块，频率采样模块，电源模块，控制信号输出模块，通讯模块，液晶显示及键盘模块，数据存储模块。其中电源模块分别给通讯模块、液晶显示及键盘模块、信号输入模块、控制信号输出模块、频率采样模块、数据存储模块和中央处理模块提供电源；输入模块为中央处理模块提供输入信号，中央处理模块分别和通讯模块、频率采样模块、液晶显示及键盘模块、数据存储模块互连，并控制控制信号输出模块。

图3和图4是控制器电路原理图，以下对图3和图4分为8部分作简单的说明。

电路图中的(1)为三相电压、电流取样信号调理电路。由6组信号调理电路构成，电路包括(以1组为例)互感器、调理电阻(R1、R13、R7、R30)、电位器(VR1)、运算放大器(LM324)、参考电压(VHALF).本电路输出是0～3.3V易被模/数转换器(A/D转换)处理的交流信号，直接与CPU单元(8)相连。

电路图中的(2)是频率采样电路，该电路与电路(1)中的ADIN4和CPU单元(8)直接相连，完成对电网中电能频率信号的采集。

图中(3)是控制器工作电源电路，由整流桥、滤波电容、稳压管(7805)构成。为整个控制器的正常工作提供电源。本电路输出双+5V不共地电压，一路+5V电压与电路(4)直接相连，为控制信号输出电路供电；另一路+5V电压与电路(1)和(5)中的MAX202E芯片相连，同时该5V电压经TPS7333(DC转DC)芯片转换成3.3V直流电压后，与CPU单元(8)、存储器电路(7)和电路(5)相连。

图中(4)是开关量控制信号输出电路，由3块型号为TLP521-4模块和2块ULN2003AN模块组成，此电路直接与CPU单元(8)相连，完成DSP控制器控制信号输出、放大。

图中(5)是通讯电路，由SN75176模块和MAX202E模块构成，该电路直接与CPU单元(8)相连，完成对数据通讯信号的转换。

图中(6)为液晶显示及键盘电路，由数据缓冲器(74LVC245)、128*64液晶显示器、与非门(SN74HC00D)构成。完成对数据的显示和选择，实现人机交互，该电路直接与CPU单元(8)相连。

图中(7)是数据存储电路，由铁电存储器(FM18L08)、掉电时钟芯片(DS1302)构成。直接与CPU单元(8)相连，对需保存的历史数据和部分重要参数进行保存、读取。

图中(8)是CPU中央处理电路，由DSP控制器、晶振(15MHZ)、编译器接头、双排插针构成。该电路使用TI公司的型号为TMS320LF2407的DSP控制器，直接与电路(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)相连，DSP控制器完成对采样信号的处理、运算和判断，使整个控制器系统各功能模块电路都正常工作。

Claims (4)

1.一种用于油田的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，包括：连接在主电源的电流互感器CT、避雷器(8)、断路器(9)、熔断器(7)；其特征在于，线路上还包括有控制器(1)、△接固态继电器(2)、Y接固态继电器(3)、电容器投切固态继电器(4)、静补电容器(5)和动补电容器(6)；上述各个器件安装在箱体内；

静补电容器(5)通过熔断器(7)并联在线路上，动补电容器(6)通过电容器投切固态继电器(4)和熔断器(7)并联在线路上，避雷器(8)并联在主电源上，△接固态继电器(2)和Y接固态继电器(3)分别设置在游梁式抽油机电动机的定子绕组上，实现△形接法和Y形接法；

主电源通过断路器(9)和熔断器(7)连接到游梁式抽油机的电动机(1 0)上；

控制器(1)的一端与主电源上的电流互感器CT连接，另一端连接在断路器(9)一端，并根据内部设定的参数控制△接固态继电器(2)、Y接固态继电器(3)和电容器投切固态继电器(4)。

2.如权利要求1所述的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，其特征在于，所述的△接固态继电器(2)和Y接固态继电器(3)是无触点开关元件或有触点开关或接触器或继电器。

3.如权利要求1所述的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，其特征在于，所述控制器(1)由中央处理模块，信号输入模块，频率采样模块，电源模块，控制信号输出模块，通讯模块，液晶显示及键盘模块，数据存储模块构成；其中电源模块分别给通讯模块、液晶显示及键盘模块、信号输入模块、控制信号输出模块、频率采样模块、数据存储模块和中央处理模块提供电源；输入模块为中央处理模块提供输入信号，中央处理模块分别和通讯模块、频率采样模块、液晶显示及键盘模块、数据存储模块互连，并控制控制信号输出模块。

4.如权利要求1所述的游梁式抽油机调压和无功补偿控制装置，其特征在于，所述动补电容器(6)、静补电容器(5)是充油并联补偿电容器或干式并联补偿电容器。

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