專利名稱：游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置。
背景技術(shù)：
游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在采油工業(yè)發(fā)展初期被大量使用。但是，也存在效率低，用電成本高等缺點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國目前各油田使用的游梁式抽油機(jī)的采油井?dāng)?shù)約占機(jī)械采油井總數(shù)的15％左右。
游梁式抽油機(jī)具有特殊的負(fù)荷特性，抽油桿在下降過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于輕載狀態(tài)；抽油桿在上升過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于重載狀態(tài)，負(fù)載呈周期性波動(dòng)。這一負(fù)荷特性要求其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)容量留有較大的裕度，因此所選的電機(jī)容量大，負(fù)荷匹配不合理，大多數(shù)電機(jī)處于輕載狀態(tài)，造成系統(tǒng)效率低，電能損耗大。
據(jù)了解，目前油田抽油機(jī)的用電費(fèi)用，已占到石油開采成本的35％左右，因此，針對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能降耗、提高效率，將給油田帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，也改善了供電質(zhì)量，還可緩解油田電力供應(yīng)緊張的狀況。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上已有技術(shù)存在的不足之處，本實(shí)用新型的目的在于，提供一種帶有專門設(shè)計(jì)的控制器控制固態(tài)繼電器接通或關(guān)斷，改變游梁式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組接法、控制補(bǔ)償電容器的投切，可實(shí)現(xiàn)對(duì)游梁式抽油機(jī)進(jìn)行電壓調(diào)整和無功補(bǔ)償，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種用于油田的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置，包括連接在主電源的電流互感器CT、避雷器、斷路器、熔斷器；其特點(diǎn)是，線路上還包括有控制器、△接固態(tài)繼電器、Y接固態(tài)繼電器、電容器投切固態(tài)繼電器、靜補(bǔ)電容器和動(dòng)補(bǔ)電容器；上述各個(gè)器件安裝在箱體內(nèi)；靜補(bǔ)電容器通過熔斷器并聯(lián)在線路上，動(dòng)補(bǔ)電容器通過電容器投切固態(tài)繼電器和熔斷器并聯(lián)在線路上，避雷器并聯(lián)在主電源上，△接固態(tài)繼電器和Y接固態(tài)繼電器分別將游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)定子繞組接成△形或Y形，實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)整；主電源通過斷路器、熔斷器到游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)；控制器的一端與主電源上的電流互感器CT連接，另一端連接在斷路器一端，并根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)控制△接固態(tài)繼電器、Y接固態(tài)繼電器和電容器投切固態(tài)繼電器。
本實(shí)用新型其他一些特點(diǎn)是所述的△接固態(tài)繼電器和Y接固態(tài)繼電器是無觸點(diǎn)開關(guān)元件、也可以是有觸點(diǎn)開關(guān)，還可以是接觸器或繼電器。
所述控制器由中央處理模塊，信號(hào)輸入模塊，頻率采樣模塊，電源模塊，控制信號(hào)輸出模塊，通訊模塊，液晶顯示及鍵盤模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。其中電源模塊分別給通訊模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、信號(hào)輸入模塊、控制信號(hào)輸出模塊、頻率采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和中央處理模塊提供電源；輸入模塊為中央處理模塊提供輸入信號(hào)，中央處理模塊分別和通訊模塊、頻率采樣模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊互連，并控制控制信號(hào)輸出模塊。
所述動(dòng)補(bǔ)電容器、靜補(bǔ)電容器是充油并聯(lián)補(bǔ)償電容器或干式并聯(lián)補(bǔ)償電容器。
本實(shí)用新型的工作原理是，由控制器控制三組固態(tài)繼電器的通斷，電源進(jìn)線開關(guān)斷路器閉合后，靜補(bǔ)電容器即投入運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組為△形接法，以獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距，控制器直接從線路上采集三相電壓信號(hào)，通過電流互感器采集三相電流信號(hào)，經(jīng)過分析計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率。當(dāng)電機(jī)負(fù)載率大于臨界負(fù)載率時(shí)，控制器發(fā)出指令接通△接固態(tài)繼電器，電機(jī)繞組接成△形接法；反之，當(dāng)電機(jī)負(fù)載率小于臨界負(fù)載率時(shí)，控制器發(fā)出指令接通Y接固態(tài)繼電器，電機(jī)繞組接成Y形接法。當(dāng)電機(jī)接成△形接法的同時(shí)，控制器發(fā)出指令接通電容器投切固態(tài)繼電器，使動(dòng)補(bǔ)電容器投入運(yùn)行。
本實(shí)用新型適用于電機(jī)定子繞組原來是△形接法并有六個(gè)接線端子的電動(dòng)機(jī)。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果是1.控制裝置與其他的節(jié)能措施相比較，成本低，投資少，簡單易行。
2.自動(dòng)調(diào)整游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)繞組電壓，同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償，節(jié)能效果好。
3.利用固態(tài)繼電器轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)定子繞組接線方法、投切動(dòng)補(bǔ)電容器，無觸點(diǎn)，響應(yīng)速度快，不產(chǎn)生電弧，適合頻繁操作?？蓪?shí)現(xiàn)電容器過零投切，限制合閘涌流。
4.控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，處理數(shù)據(jù)速度快，適應(yīng)游梁式抽油機(jī)周期性負(fù)載變化大的特點(diǎn)?？娠@示工作電流，電壓，功率因數(shù)，有功功率，無功功率，有功電度等參數(shù)。
5.控制器的軟件設(shè)計(jì)采取層次化，模塊化的設(shè)計(jì)思路，采用C語言和匯編語言混合編程，簡化了設(shè)計(jì)程序，增加了程序的易擴(kuò)展性。
6.具有RS232/485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)有線或無線通訊，可以與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
7.控制器采用工業(yè)級(jí)芯片和多種抗干擾措施?？垢蓴_性能好，工作可靠，適應(yīng)油田游梁式抽油機(jī)野外的工作環(huán)境。
本實(shí)用新型由專門設(shè)計(jì)的控制器控制固態(tài)繼電器的接通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)定子繞組進(jìn)行△-Y轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)電壓的調(diào)整，還可以對(duì)電容器進(jìn)行自動(dòng)投切，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的無功補(bǔ)償。
本實(shí)用新型的控制裝置不僅僅適用于游梁式抽油機(jī)，也適用于負(fù)載特性與游梁式抽油機(jī)相似的其它設(shè)備。


圖1是游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置電氣原理圖；其中圖號(hào)表示的是1.控制器2.△接固態(tài)繼電器3.Y接固態(tài)繼電器，4.電容器投切固態(tài)繼電器，5.靜補(bǔ)電容器，6.動(dòng)補(bǔ)電容器7.熔斷器，8.避雷器，9.斷路器，10.游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)，CT1、CT2、CT3為電流互感器。
圖2是控制器原理框圖。
圖3和圖4是控制器的電路原理圖。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
依本實(shí)用新型的技術(shù)方案，一種用于油田的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置，由控制器1，△接固態(tài)繼電器2，Y接固態(tài)繼電器3，電容器投切固態(tài)繼電器4，靜補(bǔ)電容器5，動(dòng)補(bǔ)電容器6，熔斷器7，避雷器8，斷路器9，游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)10及其電流互感器，箱體組成。
三相工作電源進(jìn)入控制裝置后，經(jīng)過避雷器8和三相電流互感器CT1、CT2、CT3到達(dá)斷路器9，通過斷路器9、熔斷器7，到達(dá)游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)10的電源輸入端。靜補(bǔ)電容器5經(jīng)過熔斷器7直接并聯(lián)于斷路器9的出線端，動(dòng)補(bǔ)電容器6通過電容器投切固態(tài)繼電器4和熔斷器7并聯(lián)于斷路器9的出線端；三相電壓和三相電流互感器CT1、CT2、CT3采集到的電流信號(hào)進(jìn)入控制器?？刂破鞯男盘?hào)輸出端分別連接△接固態(tài)繼電器，Y接固態(tài)繼電器和電容器投切固態(tài)繼電器?！鹘庸虘B(tài)繼電器2和Y接固態(tài)繼電器3的輸出端分別連接游梁式抽油機(jī)定子繞組的另外三個(gè)端子?！鹘庸虘B(tài)繼電器2和Y接固態(tài)繼電器3之間具有電氣互鎖功能，不允許同時(shí)接通。
斷路器合閘后，靜補(bǔ)電容器立即投入運(yùn)行，電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，這時(shí)，控制器檢測電動(dòng)機(jī)的電壓和電流，計(jì)算出功率因數(shù)、有功功率、無功功率和負(fù)載率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率大于臨界負(fù)載率時(shí)，控制器發(fā)出指令到△接固態(tài)繼電器，使之接通，電機(jī)繞組為△形接法，同時(shí)控制器發(fā)出指令接通電容器投切固態(tài)繼電器，使動(dòng)補(bǔ)償電容器投入運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率小于臨界負(fù)載率時(shí)，控制器發(fā)出指令到Y(jié)接固態(tài)繼電器，使電動(dòng)機(jī)繞組轉(zhuǎn)換為Y形接法，降低了繞組電壓和電流，降低了有功和無功損耗。
控制器由八個(gè)模塊部分組成中央處理模塊，信號(hào)輸入模塊，頻率采樣模塊，電源模塊，控制信號(hào)輸出模塊，通訊模塊，液晶顯示及鍵盤模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊.中央處理模塊是整個(gè)控制器的核心模塊，負(fù)責(zé)處理和分析現(xiàn)場運(yùn)行參量，以及上級(jí)管理中心或者現(xiàn)場操作人員給出的操作指令；信號(hào)輸入模塊對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為中央處理模塊的輸入信號(hào)，供中央處理模塊使用；頻率采樣模塊對(duì)電網(wǎng)中電能頻率信號(hào)進(jìn)行采集；電源模塊給控制器各個(gè)模塊提供工作電源；液晶顯示及鍵盤模塊顯示系統(tǒng)的各種參數(shù)，可以對(duì)控制器的某些參數(shù)進(jìn)行修改，并可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制器的部分功能，更好地對(duì)控制器的工況進(jìn)行監(jiān)視；通訊模塊通過RS232/485接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊；控制信號(hào)輸出模塊對(duì)控制器發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行隔離放大，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器動(dòng)作；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)需保存的歷史數(shù)據(jù)和部分重要參數(shù)進(jìn)行保存、讀取。
固態(tài)繼電器，是一種無觸點(diǎn)電子繼電器，輸入的控制電流很小，輸出則用晶閘管來接通或關(guān)斷負(fù)荷電流。
電容器采用自愈式并聯(lián)補(bǔ)償電容器，動(dòng)、靜補(bǔ)電容器的容量按電機(jī)的功率和負(fù)荷進(jìn)行選擇。
以下是發(fā)明人給出的實(shí)施例，但本實(shí)用新型并不局限于本實(shí)施例。
參見圖1，圖1為本實(shí)用新型的電氣原理圖，虛線框內(nèi)的元件為控制裝置的元件。三相電源進(jìn)入控制裝置，經(jīng)過避雷器8和電流互感器，到達(dá)斷路器9，經(jīng)過熔斷器7出線到游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)10。靜補(bǔ)電容器5通過熔斷器7直接并聯(lián)于主回路上，動(dòng)補(bǔ)電容器5通過電容器投切固態(tài)繼電器4和熔斷器7并聯(lián)于主回路上，進(jìn)行無功補(bǔ)償。控制器1采集三相電壓和電流信號(hào)，計(jì)算出功率因數(shù)、有功功率、無功功率和電機(jī)負(fù)載率，進(jìn)行分析判斷，若負(fù)載率大于臨界負(fù)載率，控制器1發(fā)出指令接通△接固態(tài)繼電器2，使電機(jī)繞組為△形接法，同時(shí)發(fā)出指令接通電容器投切固態(tài)繼電器4，使動(dòng)補(bǔ)電容器5投入運(yùn)行；若負(fù)載率小于臨界負(fù)載率，則控制器1發(fā)出指令接通Y接固態(tài)繼電器3，使電機(jī)繞組轉(zhuǎn)換為Y形接法。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組△-Y形接法轉(zhuǎn)換來調(diào)整電壓，并進(jìn)行無功補(bǔ)償，降低了有功和無功損耗，達(dá)到節(jié)能目的。
圖2是控制器電路原理圖框圖，控制器包括CPU中央處理模塊，信號(hào)輸入模塊，頻率采樣模塊，電源模塊，控制信號(hào)輸出模塊，通訊模塊，液晶顯示及鍵盤模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。其中電源模塊分別給通訊模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、信號(hào)輸入模塊、控制信號(hào)輸出模塊、頻率采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和中央處理模塊提供電源；輸入模塊為中央處理模塊提供輸入信號(hào)，中央處理模塊分別和通訊模塊、頻率采樣模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊互連，并控制控制信號(hào)輸出模塊。
圖3和圖4是控制器電路原理圖，以下對(duì)圖3和圖4分為8部分作簡單的說明。
電路圖中的(1)為三相電壓、電流取樣信號(hào)調(diào)理電路。由6組信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，電路包括(以1組為例)互感器、調(diào)理電阻(R1、R13、R7、R30)、電位器(VR1)、運(yùn)算放大器(LM324)、參考電壓(VHALF).本電路輸出是0～3.3V易被模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換)處理的交流信號(hào)，直接與CPU單元(8)相連。
電路圖中的(2)是頻率采樣電路，該電路與電路(1)中的ADIN4和CPU單元(8)直接相連，完成對(duì)電網(wǎng)中電能頻率信號(hào)的采集。
圖中(3)是控制器工作電源電路，由整流橋、濾波電容、穩(wěn)壓管(7805)構(gòu)成。為整個(gè)控制器的正常工作提供電源。本電路輸出雙+5V不共地電壓，一路+5V電壓與電路(4)直接相連，為控制信號(hào)輸出電路供電；另一路+5V電壓與電路(1)和(5)中的MAX202E芯片相連，同時(shí)該5V電壓經(jīng)TPS7333(DC轉(zhuǎn)DC)芯片轉(zhuǎn)換成3.3V直流電壓后，與CPU單元(8)、存儲(chǔ)器電路(7)和電路(5)相連。
圖中(4)是開關(guān)量控制信號(hào)輸出電路，由3塊型號(hào)為TLP521-4模塊和2塊ULN2003AN模塊組成，此電路直接與CPU單元(8)相連，完成DSP控制器控制信號(hào)輸出、放大。
圖中(5)是通訊電路，由SN75176模塊和MAX202E模塊構(gòu)成，該電路直接與CPU單元(8)相連，完成對(duì)數(shù)據(jù)通訊信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
圖中(6)為液晶顯示及鍵盤電路，由數(shù)據(jù)緩沖器(74LVC245)、128*64液晶顯示器、與非門(SN74HC00D)構(gòu)成。完成對(duì)數(shù)據(jù)的顯示和選擇，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該電路直接與CPU單元(8)相連。
圖中(7)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，由鐵電存儲(chǔ)器(FM18L08)、掉電時(shí)鐘芯片(DS1302)構(gòu)成。直接與CPU單元(8)相連，對(duì)需保存的歷史數(shù)據(jù)和部分重要參數(shù)進(jìn)行保存、讀取。
圖中(8)是CPU中央處理電路，由DSP控制器、晶振(15MHZ)、編譯器接頭、雙排插針構(gòu)成。該電路使用TI公司的型號(hào)為TMS320LF2407的DSP控制器，直接與電路(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)相連，DSP控制器完成對(duì)采樣信號(hào)的處理、運(yùn)算和判斷，使整個(gè)控制器系統(tǒng)各功能模塊電路都正常工作。
權(quán)利要求1.一種用于油田的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置，包括連接在主電源的電流互感器CT、避雷器(8)、斷路器(9)、熔斷器(7)；其特征在于，線路上還包括有控制器(1)、△接固態(tài)繼電器(2)、Y接固態(tài)繼電器(3)、電容器投切固態(tài)繼電器(4)、靜補(bǔ)電容器(5)和動(dòng)補(bǔ)電容器(6)；上述各個(gè)器件安裝在箱體內(nèi)；靜補(bǔ)電容器(5)通過熔斷器(7)并聯(lián)在線路上，動(dòng)補(bǔ)電容器(6)通過電容器投切固態(tài)繼電器(4)和熔斷器(7)并聯(lián)在線路上，避雷器(8)并聯(lián)在主電源上，△接固態(tài)繼電器(2)和Y接固態(tài)繼電器(3)分別設(shè)置在游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，實(shí)現(xiàn)△形接法和Y形接法；主電源通過斷路器(9)和熔斷器(7)連接到游梁式抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)(1 0)上；控制器(1)的一端與主電源上的電流互感器CT連接，另一端連接在斷路器(9)一端，并根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)控制△接固態(tài)繼電器(2)、Y接固態(tài)繼電器(3)和電容器投切固態(tài)繼電器(4)。
2.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置，其特征在于，所述的△接固態(tài)繼電器(2)和Y接固態(tài)繼電器(3)是無觸點(diǎn)開關(guān)元件或有觸點(diǎn)開關(guān)或接觸器或繼電器。
3.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置，其特征在于，所述控制器(1)由中央處理模塊，信號(hào)輸入模塊，頻率采樣模塊，電源模塊，控制信號(hào)輸出模塊，通訊模塊，液晶顯示及鍵盤模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成；其中電源模塊分別給通訊模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、信號(hào)輸入模塊、控制信號(hào)輸出模塊、頻率采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和中央處理模塊提供電源；輸入模塊為中央處理模塊提供輸入信號(hào)，中央處理模塊分別和通訊模塊、頻率采樣模塊、液晶顯示及鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊互連，并控制控制信號(hào)輸出模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置，其特征在于，所述動(dòng)補(bǔ)電容器(6)、靜補(bǔ)電容器(5)是充油并聯(lián)補(bǔ)償電容器或干式并聯(lián)補(bǔ)償電容器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于油田游梁式抽油機(jī)節(jié)能降損的游梁式抽油機(jī)調(diào)壓和無功補(bǔ)償控制裝置。由控制器、固態(tài)繼電器、動(dòng)補(bǔ)電容器、靜補(bǔ)電容器、斷路器、避雷器、熔斷器、電流互感器、箱體組成，其中，固態(tài)繼電器分為Δ接固態(tài)繼電器、Y接固態(tài)繼電器和電容器投切固態(tài)繼電器。主要用于對(duì)游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)定子繞組進(jìn)行Δ－Y形接法轉(zhuǎn)換，調(diào)整繞組的電壓，同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)無功補(bǔ)償，可有效降低有功和無功損耗，取得顯著的節(jié)能效果。
文檔編號(hào)F04B49/06GK2702083SQ20042004209
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者金黎, 黃新民 申請(qǐng)人:西安森寶電氣工程有限公司