動態節能抽油控制系統技術方案

本實用新型專利技術公開了一種動態節能抽油控制系統，包括用于拖動抽油機電機的伺服驅動器，還包括通過充放電控制電路接入伺服驅動器直流母線的一超級電容模組，其中超級電容模組中超級電容的個數匹配直流母線的電壓。依據本實用新型專利技術的控制系統能夠動態節能，能夠提高能量利用率。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種用于油田游梁式抽油機節能的配套設備。
技術介紹
游梁式抽油機是開采石油的一種機器設備，俗稱“磕頭機”，通過加壓的辦法使石油出井。在抽油機的一個完整循環的沖次內，隨著抽油桿的上升/下降，而使電機工作在電動/發電狀態。上升過程電機從電網吸收能量電動運行；下降過程電機的負載性質為位勢負載，加之井下負壓等使電動機處于發電狀態，把機械能量轉換成電能回饋到電網。這也為抽油節能提供了前提。油田早期不使用變頻器，而是采用變換電機主動輪直徑來調節沖程。該方法使用面非常窄，目前油田絕大多數采用變頻器調速，依據油井的實際需求改變變頻器的輸出頻率，調節抽油機的沖程次數，由于游梁式抽油機屬位能性負載，如前所述，在抽油桿向上運動的半個周期內電動機要克服抽油桿及采液的重力而做功，在抽油桿向下運動的半個周期內因為抽油桿動能與平衡塊的勢能差，會出現電動機被拖動旋轉超過同步轉速的現象，此時電動機向電網反輸電能。從而，抽油電機在工作時有兩種不同的工作狀態一種是電機驅動機械負荷運行，此時電機為電動機工作狀態，抽油機從電網吸收電能；另一種是在機械負荷拖動電機運行，由于配重塊的不平衡，此時電機為發電機工作狀態，電機產生反向電勢，變頻器直流側電壓將上升，因為變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動，這部分電能沒有流回電網的通路，通為避免變頻器過電壓保護，必須通過制動電阻來就地消耗。目前采用的方法是根據變頻器功率在直流側加裝配套的制動單元與制動電阻，安裝制動單元與制動電阻后，變頻器直流母線電壓上升到設定值時，可通過制動單元與制動電阻釋放，由制動電阻將多余能量吸收，但制動單元與制動電阻吸收過多的能量對于抽油機節能是不利的，通常由制動電阻白白耗損的電能多達20%。綜合以上內容可知，盡管變頻器具有軟起動功能起動時電流較小，對電網沖擊小，起動時能耗大為降低的特點，但變頻器目前也只能用制動電阻來完成多于能量的消耗。
技術實現思路
因此，本技術的目的在于提供一種能夠動態節能抽油控制系統，提高能量的利用率。本技術所采用的技術方案為一種動態節能抽油控制系統，包括用于拖動抽油機電機的伺服驅動器，還包括通過充放電控制電路接入伺服驅動器直流母線的一超級電容模組，其中超級電容模組中超級電容的個數匹配直流母線的電壓。依據上述結構的動態節能抽油控制系統，超級電容模組直接與伺服驅動器直流母線相連，伺服驅動器直流母線位于伺服驅動器整流模塊之后，當電機在電動狀態時，機械負載消耗電能，變換成機械能，此時，系統控制直流母線從超級電容模組吸收該超級電容模組存儲的能量，而減少了從電網側的能量消耗，達到節能的目的。而在電機處于發點狀態時，機械負載的勢能轉換成電能，產生的電能通過伺服驅動器的逆變部分回饋給直流母線，此時超級電容模組從直流母線吸收能量，將能量暫時儲存起來，減少了對電網和伺服驅動器的沖擊。上述動態節能抽油控制系統，所述超級電容模組串接有限流電阻。上述動態節能抽油控制系統，所述限流電阻并接有一直流接觸器，以在所述超級電容模組電壓達到設定閾值時，短接所述限流電阻。上述動態節能抽油控制系統，所述伺服驅動器配有備用的制動電阻。上述動態節能抽油控制系統，所述充放電控制電路設有熔斷器。 附圖說明圖I為依據本技術的一種動態節能抽油控制系統的電路原理圖。圖2為一種充放電控制電路的電路原理圖。圖3為伺服驅動器未加裝超級電容時直流母線電壓曲線。圖4為伺服驅動器與超級電容共直流母線后的電壓曲線。圖5為同一口油井在相同工況下加裝超級電容儲能裝置前后直流母線電壓曲線對比圖。圖中1、伺服驅動器，2、超級電容模組，3、空氣斷路器，4、電抗器，5、直流接觸器，6、限流電阻，7、熔斷器。具體實施方式參照說明書附圖1，一個伺服驅動器I或者變頻器，通過該伺服驅動器或者變頻器出廠手冊規定的接線方式構成主電路，通過空氣斷路器3和電抗器4把電源接入所述伺服驅動器或者變頻器I的電源接線端子，并從驅動側U、V、W、PE連接抽油機電機。以伺服驅動器為例進行說明，在給定的端子上接有制動電阻R1，這是制動電阻制動類伺服驅動器的固有配置，在本方案中，制動電阻Rl作為輔助備用配置，用于充放電保護電路失效情況下的耗能止動。關于所述充放電保護電路，從伺服驅動器引出端子，連接到伺服驅動器的直流母線上，以一組超級電容形成的超級電容模組2構成充放電保護電路的主體。通常，在伺服驅動器或者變頻器中，直流母線電壓是輸入電壓的I. 35倍，而通常，抽油機電機的應用中，直流母線最高電壓耐受值為740V，當回饋電壓大于740V時，所述制動電阻被接入，多余的能量消耗在制動電阻上。依據本方案中，超級電容模組與伺服驅動器或者變頻器共有直流母線，伺服驅動器控制止動晶體管在直流母線電壓超過600V時打開，將多余的能量消耗在制動電阻上，避免直流母線電壓過高，也起到保護超級電容的作用，因此，這里可以把600V作為加載超級電容上面最大的電壓，并據此配置超級電容的個數。在上述的應用中，增加超級電容模組，正常工作中有倒發電的情況，超級電容模組吸收直流母線上倒發電部分，因此在超級電容模組正常工作中驅動器直流母線電壓不會達到600V。另一方面，制動電阻一般情況下不會啟動，只有在上述的特殊條件下才會被接入，起到保護直流母線和超級電容模組的作用。圖3為一種伺服驅動器未加裝超級電容儲能裝置時采用制動電阻消耗回饋的能量，制動晶體管闕值為585V，未加裝超級電容時直流母線電壓曲線t圖。從圖3所示的曲線可以看出，該油井抽油機在每一個周期內都有兩次發電過程，母線電壓達到制動闕值，累計時間約占系統周期的1/4左右，總體發電量很大。若抽油機電動機采用工頻或者簡單的變頻運行，每一周期內所產生的巨大電能都會白白浪費，造成耗電量居高不下。圖4則是與圖3所示用同伺服驅動器同配置條件下與超級電容共直流母線后直流母線電壓曲線，從該曲線可以看出，在采用超級電容后，每一周期內發電狀態下所產生的巨大能量都由超級電容儲存起來，母線電壓被拉低到，制動闕值不再達到，也就是回饋的電能被超級電容模組儲存，而不是變成熱量被消耗，變能耗止動為能量內部的儲存制動。 為了有更清楚地說明，說明附圖5表示了同一口油井在相同工況下加裝超級電容儲能裝置前后直流母線電壓曲線對比，從該曲線可以看出，加裝超級電容儲能裝置前后直流母線電壓變化比較明顯，在加裝超級電容后，每一周期內發電狀態下所產生的巨大能量都由超級電容儲存起來，母線電壓被拉低到，不再達到制動闕值，儲存的電能在電動狀態時直接供電動機使用，大大減少了從電網汲取的能量，使得耗電量下降，節約了開采成本。再進一步的應用中，首先為了避免超級電容模組在充電時受到比較大的沖擊，為其串接起保護作用的限流電阻6，也就是圖I中所示的電阻R2。在圖2所示的結構中，R2-1和R2-2充當了限流的作用。在圖I和圖2所示的結構中，限流電阻通過直流接觸器5實現在既定條件下的對限流電阻的短接，從而，當超級電容模組達到設定的閾值，也就是在超級電容上的電壓降變小，充電電流降低，對超級電容的沖擊變小，為了避免能量在限流電阻上的過多消耗，通過所述直流接觸器5把限流電阻短接。再進一步的應用中，為充放電控制電路設置熔斷器7，當發生短路或者電流過大時，將熔斷器燒斷，熔斷器熔斷后超級電容本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種動態節能抽油控制系統，包括用于拖動抽油機電機的伺服驅動器，其特征在于，還包括通過充放電控制電路接入伺服驅動器直流母線的一超級電容模組，其中超級電容模組中超級電容的個數匹配直流母線的電壓。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王生春，張心勤，李樹生，劉偉，李永貴，李斌，原國亮，董磊，金建文，王志強，羅楊，詹學忠，齊光峰，錢程，邊江，
申請(專利權)人：中國石油天然氣集團公司，中國石油集團濟柴動力總廠，
類型：實用新型
國別省市：