專利名稱：一種高效節(jié)能的抽油機控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于油田抽油機電氣傳動及控制設備，特別是涉及一 種高效節(jié)能的抽油機控制裝置。
背景技術：
目前，在石油開采過程中，抽油機的動力主要是交流異步電動機， 電機工作效率低，在控制方法上，沒有采用機井出油流量一沖次閉環(huán) 控制，電機的工作狀況與機井流量無關，長期全速運行能量損耗大， 直接影響經濟效益和設備壽命。

實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種高效節(jié)能的抽油機控制裝置，該裝 置可以使控制對象一開關磁阻電機的工況隨抽油機流量的變化而變 化，及時調節(jié)轉速，改變抽油機的沖次，實現(xiàn)抽油機高效、節(jié)能的目的。
實現(xiàn)本實用新型目的采用的技術方案是 高效節(jié)能的抽油機控制裝置包括
一MCU控制器，用以存儲抽油機轉矩曲線數(shù)據和相關計算，采集 流量和轉速信息，產生開通角&和關斷角《,,的邏輯信號；
一與MCU控制器電連接的開通角《"調制器和關斷角《,,調制器， 其中開通角《, 調制器用以根據電動機轉子位置和MCU控制器的控制 命令產生功率器件的P麗脈沖的前沿，關斷角《,,調制器用以根據轉 子位置和MCU控制器的控制命令產生功率器件的P麗脈沖后沿；
一與開通角《 ,調制器和關斷角《,,調制器電連接的邏輯變換電 路，用以將開通角l和關斷角6V的邏輯信號進行變換，產生功率器 件驅動輸入信號；
一與邏輯變換電路電連接的驅動器，用以將從開通角《 調制器 和關斷角^,調制器輸入的P麗脈沖形成滿足功率器件驅動要求的脈 沖；
一與驅動器電連接的功率變換電路，用以將驅動器的脈沖進行功
率放大，以便驅動開關磁阻電機；
一與功率變換電路電連接的開關磁阻電機，用以將電能轉換為機 械能；
一抽油機在開關磁阻電機拖動下抽取井下石油；
旋轉編碼器其輸入端與開關磁阻電機電連接，輸出端與開通角 《 調制器和關斷角《,,調制器電連接，用以產生位置脈沖，此脈沖作 為&調制器2和《,,調制器3的同步脈沖；
一流量檢測器，安裝在抽油機進油管上并與MCU控制器電連接， 用以檢測抽油機井石油流量。
本實用新型還可以在上述技術方案的基礎上，在旋轉編碼器的輸
出端和MCU控制器之間電連接倍頻電路，用以將旋轉編碼器位置脈沖
倍頻后的脈沖作為裝置的速度信息。
本實用新型的優(yōu)點和積極效果在實際應用中充分體現(xiàn)在
1. 將抽油機流量、開關磁阻電機及控制裝置視為一個完整系統(tǒng)， 進行整體設計，參數(shù)調整，實現(xiàn)基于流量——沖次的閉環(huán)控制，達到 系統(tǒng)工況隨機井流量變化而變化，提高抽油機工作效率，節(jié)約電能。
2. 開關磁阻電機在全速下，始終保持最優(yōu)開通角^和關斷角^ ，
獲取最大平均轉矩，提高開關磁阻電機的帶負載能力，充分利用輸入 電能。
3. 在MCU控制器中預先存儲抽油機的轉矩與曲軸位置對應的轉 矩常數(shù)，查表獲取抽油機曲軸在不同位置的轉矩，由此轉矩轉換為《,, 的初始值，實現(xiàn)轉矩優(yōu)化控制。
4. 該控制裝置通過開關磁阻電機的轉子信號組成速度負反饋控 制，經倍頻后還可以進一步提高速度檢測的準確性和精確性，進一步 提高傳動系統(tǒng)的機械特性，有益于提高系統(tǒng)效率。
以下結合附圖進一步說明本實用新型的技術方案。


圖1是本實用新型的原理框圖。
圖2是本實用新型中《,，調制器的原理電路圖。
圖3是本實用新型中《,,調制器的原理電路圖。
圖4是本實用新型的邏輯變換電路圖。
圖5是本實用新型中開關磁阻電機的功率變換電路圖。
圖6是本實用新型的倍頻電路圖。
圖7是本實用新型低速運行時的功率器件(如IGBT)驅動脈沖
波形圖。
圖8是本實用新型高速運行時的功率器件(如IGBT)驅動脈沖
波形圖。
具體實施方式

本實用新型裝置是基于流量——沖次閉環(huán)抽油機SR電動機控制
系統(tǒng)。它的實現(xiàn)方法很多，模擬的和數(shù)字的都能實現(xiàn)，現(xiàn)針對四相
8/6極的SR電動機為控制對象，用一個數(shù)模結合的實施例來說明。如圖1所示，本裝置包括MCU控制器1、開通角&調制器2和 關斷角&,調制器3、邏輯變換電路4、驅動器5、功率變換電路6、 開關磁阻電機7、抽油機8、旋轉編碼器9、流量檢測器10和倍頻電 路U。
MCU控制器1用以存儲抽油機轉矩曲線數(shù)據和相關計算，MCU 選用C8051F系列單片機的C8051F120，它是一個模擬數(shù)字混合的微 型控制器，CIP—51內核，兩個周期的16X16的MAC， PLL時鐘，頻 率可用到100MHz; 6路捕獲/P麗輸出，帶軟件定時器功能。因此， 選用該MCU可以很好的完成位置轉速檢測和A、 B、 C、 D四相移相脈 沖的控制。在該系統(tǒng)中，它的主要功能是根據轉子位置信號和流量信 號，計算電機的轉速，進而確定開通和關斷角度《"、&,。 C805F120 的控制輸出由P0. O(Ul) 口和P0. 3(U2) 口輸出給兩個調制器。
開通角《,"調制器2和關斷角&,調制器3與MCU控制器1電連 接，其中開通角&,調制器2用以根據電動機轉子位置和MCU控制器 的控制命令產生IGBT的P麗脈沖的前沿，關斷角《,,調制器3用以根 據轉子位置和MCU控制器1的控制命令產生IGBT的P麗脈沖后沿， 開通角l調制器2、關斷角^調制器3的電路如附圖2， 3所示，電 路主要由三極管放大組成，脈沖通過對電容的充放電，簡單的實現(xiàn)了 角度的移相，其輸出的脈沖相位由C8051F120控制。圖2中，T1為輸 入脈沖，Pl為輸出脈沖，Ul (P0. 0)控制電容充放電時間來控制角度的 移相，在控制裝置中，該部分快速調節(jié)，所以選用了性能較好5401和 5551三極管，同時，為提高調速范圍，串聯(lián)一個4007 二極管,選用低的 開通電壓。圖3中，T2為輸入脈沖，P2為輸出脈沖，U2(P0.3)控制電 容充放電時間來控制角度的移相，在控制裝置中，該部分不需要快速 調節(jié)，所以選用了性能一般9012和9013三極管。同時，為控制過程 中調節(jié)不大，串聯(lián)兩個4007 二極管，提高關斷的可靠性.該部分的功 能是實現(xiàn)角度的移相，其輸出的脈沖相位由C8051F120控制。
5 邏輯變換電路4與開通角l調制器2和關斷角《,,調制器3電連 接，用以將開通角《 和關斷角《,,的邏輯信號進行變換，產生功率器
件驅動輸入信號。邏輯變換電路4如圖4所示，采用GAL16V8芯片， 輸入信號為P1、 P2接2、 3腳，輸出信號為IU-K4.接11-14腳。
驅動器5與邏輯變換電路4電連接，選用驅動芯片EXB841,用以 將從開通角《",調制器2和關斷角《 調制器3輸入且經過邏輯變換輸 出的PWM脈沖信號Kl-K4驅動放大形成滿足功率器件驅動要求的脈 沖，脈沖的輸入接EXB841芯片的14肚卩，EXB841芯片的第3腳是放 大后脈沖的輸出，直接控制功率器件IGBT。
開關磁阻電機的功率變換電路6與驅動器5電連接，用以將驅動 器5的脈沖進行功率放大，以便驅動開關磁阻電機7， Kl， K2, K3， K4 四路脈沖經驅動后控制功率主電路的TA， TB，TC，TD四相，功率變換 主電路如圖5所示。此開關磁阻電動機7以四相8/6極為例，帶動抽 油機井。
開關磁阻電機7與功率變換電路6電連接，用以將電能轉換為機械能。
抽油機8在開關磁阻電機7拖動下抽取井下石油。
旋轉編碼器9，選用E6A2，其輸入端與開關磁阻電機7電連接， 輸出端與開通角化,調制器2和關斷角調制器3電連接，用以產生 位置脈沖，此脈沖作為《,，調制器2和《,,調制器3的同步脈沖。
流量檢測器10，安裝在抽油機8進油管上并與MCU控制器1電 連接，用以檢測抽油機井石油流量。
倍頻電路11電連接在旋轉編碼器9的輸出端和MCU控制器1之 間，如圖6所示，倍頻電路11選用4040和4046芯片，輸入信號V01 接4046的14腳，輸出信號為T0接4046的4腳。倍頻電路11對于 本裝置不是必須的電路，增加該電路可提高本裝置的性能。
本裝置的具體工作情況如下
根據圖1， MCU控制器1初始化時，存入抽油機轉矩常數(shù)。此 轉矩常數(shù)作為控制系統(tǒng)的初始轉矩設定，MCU控制器1首先執(zhí)行一 段開關磁阻電機7的起動程序，系統(tǒng)起動完畢后自動進入流量——沖 次閉環(huán)控制。
在運行過程中，旋轉編碼器9產生兩相互差75。方波位置脈沖， 此脈沖作為《。調制器2和《#調制器3的同步脈沖，旋轉編碼器9其 中一路位置脈沖經1024倍倍頻后的脈沖作為系統(tǒng)的速度信息。
l調制器2在MCU控制器1和旋轉編碼器9的控制下，產生 與機井流量相匹配的IGBT開通角化,，《,,調制器3同樣受MCU控制 器1和旋轉編碼器9的控制產生與機井流量相匹配的IGBT關斷角《,,， 但^的變化率是^的二分之一。在^和6^,的作用下，調節(jié)開關磁阻 電機7的轉速，達到抽油機最合理的沖次。開通角《 和關斷角《,,,的 調節(jié)規(guī)律是抽油機8流量大，《, 減少，開關磁阻電機7提前供電， 電機轉矩增加，電機轉速提高，抽油機8的沖次增加；反之則《, 增 加，開關磁阻電機7延遲供電，電機轉矩下降，轉速下降，抽油機8 沖次減少。圖7和圖8是開關磁阻電動機7低速和高速運行時的工GBT 柵極對應曲線。
MCU控制器1是本實用新型裝置核心控制單元，它采集流量檢 測器10和倍頻電路11的信息，在不同工況下，査抽油機8的轉矩常 數(shù)，經MCU控制器1內部的PI運算，在PI運算過程中流量檢測器 10的信息作為負反饋，參與PI運算的流量反饋值".=(1-實際流量值)， MCU控制器1將PI運算值送到《 調制器2和《,,調制器3的輸入端， 經《, 調制器2和《,,,調制器3調制后，輸出IGBT柵極P麗脈沖，實現(xiàn) 流量——沖次控制。
權利要求1.一種高效節(jié)能的抽油機控制裝置，其特征在于包括一MCU控制器，用以存儲抽油機轉矩曲線數(shù)據和相關計算，采集流量和轉速信息，產生開通角θon和關斷角θoff的邏輯信號；一與MCU控制器電連接的開通角θon調制器和關斷角θoff調制器，其中開通角θon調制器用以根據電動機轉子位置和MCU控制器的控制命令產生功率器件的PWM脈沖的前沿，關斷角θoff調制器用以根據轉子位置和MCU控制器的控制命令產生功率器件的PWM脈沖后沿；一與開通角θon調制器和關斷角θoff調制器電連接的邏輯變換電路，用以將開通角θon和關斷角θoff的邏輯信號進行變換，產生功率器件驅動輸入信號；一與邏輯變換電路電連接的驅動器，用以將從開通角θon調制器和關斷角θoff調制器輸入的PWM脈沖形成滿足功率器件驅動要求的脈沖；一與驅動器電連接的功率變換電路，用以將驅動器的脈沖進行功率放大，以便驅動開關磁阻電機；一與功率變換電路電連接的開關磁阻電機，用以將電能轉換為機械能；一抽油機在開關磁阻電機拖動下抽取井下石油；旋轉編碼器其輸入端與開關磁阻電機電連接，輸出端與開通角θon調制器和關斷角θoff調制器電連接，用以產生位置脈沖，此脈沖作為θon調制器2和θoff調制器3的同步脈沖；一流量檢測器，安裝在抽油機進油管上并與MCU控制器電連接，用以檢測抽油機井石油流量。
2. 根據權利要求1所述高效節(jié)能的抽油機控制裝置，其特征在 于在所述旋轉編碼器的輸出端和MCU控制器之間電連接倍頻電路，用 以將旋轉編碼器位置脈沖倍頻后的脈沖作為裝置的速度信息。
專利摘要本實用新型公開了一種高效節(jié)能的抽油機控制裝置，包括MCU控制器、開通角θ_on調制器和關斷角θ_off調制器、邏輯變換電路、驅動器、功率變換電路、開關磁阻電機、抽油機、旋轉編碼器、流量檢測器。該裝置將抽油機流量、開關磁阻電機及控制裝置視為一個完整系統(tǒng)，進行整體設計，參數(shù)調整，可以使控制對象——開關磁阻電機的工況隨抽油機流量的變化而變化，及時調節(jié)轉速，改變抽油機的沖次，實現(xiàn)基于流量——沖次的閉環(huán)控制，提高抽油機工作效率，節(jié)約電能。
文檔編號G05B19/04GK201188183SQ20072006425
公開日2009年1月28日 申請日期2007年8月23日 優(yōu)先權日2007年8月23日
發(fā)明者郭彥蕊, 學 陳 申請人:黃運生