本實(shí)用新型涉及一種變頻器系統(tǒng)，具體涉及一種開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國(guó)的油田絕大部分為低能、低產(chǎn)油田，不像國(guó)外的油田有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油要靠注水來壓油入井，靠抽油機(jī)(磕頭機(jī))把油從地層中提升上來。在我國(guó)，以水換油、以電換油是目前油田的現(xiàn)實(shí)，耗電費(fèi)用在我國(guó)的石油開采成本中占了相當(dāng)大的比例。所以，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能，節(jié)省電耗就是直接降低石油的開采成本。我國(guó)目前抽油機(jī)的保有量在10萬臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?500MW，年耗電逾百億Kwh。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低下，在我國(guó)平均運(yùn)行效率為25.96％，國(guó)外平均水平為30.05％，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億Kwh。除了抽油機(jī)之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設(shè)備，總耗電量超過油田總用電量的 80％，可見，石油行業(yè)也是推廣"電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能"的重點(diǎn)行業(yè)。

抽油機(jī)節(jié)能，其首選方案是采用變頻器對(duì)其電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，抽油機(jī)改用變頻器拖動(dòng)后有以下幾個(gè)好處：

(1)大大提高了功率因數(shù)(可由原來的0.25～0.5提高到0.9以上)，大大減小了供電電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，降低了線損，可省去大量的"增容"開支。

(2)可根據(jù)油井的實(shí)際供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)整抽取速度，一方面達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)還可以增加原油產(chǎn)量。

(3)由于實(shí)現(xiàn)了真正的"軟起動(dòng)"，對(duì)電動(dòng)機(jī)、變速箱、抽油機(jī)都避免了過大的機(jī)械沖擊，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了停產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。但是，變頻器用于抽油機(jī)電機(jī)時(shí)，也有幾個(gè)問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實(shí)用新型提供一種開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油井負(fù)荷大小使抽油機(jī)達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)，根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機(jī)工作在合理的沖次，并根據(jù)油井工況對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)；從而最大限度的使抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機(jī)的工作能力，實(shí)現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采。

本實(shí)用新型的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本實(shí)用新型提供一種開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)，所述變頻器系統(tǒng)應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)上，所述變頻器包括依次連接的三相交流電輸入電路、整流單元、濾波單元和驅(qū)動(dòng)單元，所述變頻器系統(tǒng)包括用于將流回電網(wǎng)的電能消耗掉的能耗制動(dòng)單元和用于將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng)能量回饋單元；所述能耗制動(dòng)單元、能量回饋單元依次設(shè)置在濾波單元和驅(qū)動(dòng)單元之間；所述整流單元、濾波單元、能耗制動(dòng)單元、能量回饋單元和驅(qū)動(dòng)單元均與電網(wǎng)連接；

所述三相交流電輸入電路與所述游梁式抽油機(jī)連接。

進(jìn)一步地，所述能耗制動(dòng)單元采用泵升電壓限制電路，所述泵升電壓限制電路由串聯(lián)的分流電阻器和開關(guān)管組成，或所述泵升電壓限制電路由串聯(lián)的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述變頻器系統(tǒng)包括中頻電加熱裝置，所述變頻器與中頻電加熱裝置共用整流單元及電網(wǎng)的直流母線構(gòu)成能耗制動(dòng)單元。

進(jìn)一步地，所述能量回饋單元采用有源逆變器。

進(jìn)一步地，所述有源逆變器包括晶閘管有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管逆變器。

進(jìn)一步地，所述晶閘管有源逆變器采用三相橋式可控整流電路。

進(jìn)一步地，在所述絕緣柵雙極型晶體管逆變器中設(shè)有用于控制有源負(fù)載，其輸出頻率、相位和電壓與電網(wǎng)一致的鑒頻控制單元、鑒相器控制單元、鎖相環(huán)控制單元和用于控制游梁式抽油機(jī)電壓的PWM控制單元。

進(jìn)一步地，加裝能量回饋單元的變頻器系統(tǒng)適用于交流50Hz，額定電壓380V的異步電動(dòng)機(jī)。

進(jìn)一步地，所述變頻器還包括與整流單元連接的變頻器核心控制板，所述變頻器的核心控制板連接有角度傳感器。

進(jìn)一步地，所述變頻器還包括直流接觸器，所述直流接觸器分為第三條支路，第一條支路連接整流單元，第二條支路連接能量制動(dòng)單元，第三條支路連接驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)負(fù)載端。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型達(dá)到的有益效果是：

采用變頻器作為控制的解決方案在數(shù)字化抽油機(jī)應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)變頻解決方案，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油井負(fù)荷大小使抽油機(jī)達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)，根據(jù)油井的產(chǎn)液量使抽油機(jī)工作在合理的沖次，并根據(jù)油井工況對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)；從而最大限度的使抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與油井參數(shù)相一致，發(fā)揮抽油機(jī)的工作能力，實(shí)現(xiàn)低碳開發(fā)和節(jié)能開采。

(2)變頻器內(nèi)置的通訊功能，提供RS485通訊接口，使之與RTU控制模塊的通訊連接更加簡(jiǎn)便。

(3)模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的維護(hù)更加簡(jiǎn)單。

(4)變頻器具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，能有效保證系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。

(5)可以通過站控平臺(tái)有效實(shí)現(xiàn)變頻器的參數(shù)調(diào)整及管理要求，實(shí)現(xiàn)真正意義上的井場(chǎng)無人值守。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)用新型提供的第一優(yōu)選技術(shù)方案的開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實(shí)用新型提供的第二優(yōu)選技術(shù)方案的開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖中1-三相交流電輸入電路；2-整流單元；3-濾波單元；4-驅(qū)動(dòng)單元； 5-能耗制動(dòng)單元；6-能量回饋單元；7-電網(wǎng)；8-中頻電加熱裝置；9-變頻器核心控制板；10-角度傳感器；11-直流接觸器。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施方式，都屬于本實(shí)用新型所保護(hù)的范圍。

第一優(yōu)選技術(shù)方案

如圖1所示，為本實(shí)用新型提供的第一優(yōu)選技術(shù)方案的開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，變頻器系統(tǒng)應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)上，變頻器包括依次連接的三相交流電輸入電路1、整流單元2、濾波單元3和驅(qū)動(dòng)單元4，所述變頻器系統(tǒng)包括用于將流回電網(wǎng)的電能消耗掉的能耗制動(dòng)單元 5和用于將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng)能量回饋單元6；所述能耗制動(dòng)單元5、能量回饋單元6依次設(shè)置在濾波單元3和驅(qū)動(dòng)單元4之間；所述整流單元2、濾波單元3、能耗制動(dòng)單元8、能量回饋單元6和驅(qū)動(dòng)單元4均與電網(wǎng)7連接；三相交流電輸入電路1與游梁式抽油機(jī)連接。

優(yōu)選的，所述能耗制動(dòng)單元5采用泵升電壓限制電路，所述泵升電壓限制電路由串聯(lián)的分流電阻器和開關(guān)管組成，或所述泵升電壓限制電路由串聯(lián)的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成。

優(yōu)選的，所述變頻器系統(tǒng)包括中頻電加熱裝置8，所述變頻器與中頻電加熱裝置8共用整流單元2及電網(wǎng)7的直流母線構(gòu)成能耗制動(dòng)單元5。

優(yōu)選的，所述能量回饋單元6采用有源逆變器。

有源逆變器包括晶閘管有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管逆變器。

晶閘管有源逆變器采用三相橋式可控整流電路。

在所述絕緣柵雙極型晶體管逆變器中設(shè)有用于控制有源負(fù)載，其輸出頻率、相位和電壓與電網(wǎng)一致的鑒頻控制單元、鑒相器控制單元、鎖相環(huán)控制單元和用于控制游梁式抽油機(jī)電壓的PWM控制單元。加裝能量回饋單元的變頻器系統(tǒng)適用于交流50Hz，額定電壓380V的異步電動(dòng)機(jī)。

加裝能量制動(dòng)單元的方式可比較方便的實(shí)現(xiàn)，但是以多耗電能為代價(jià)，這主要是因?yàn)榘l(fā)電能量不能回饋電網(wǎng)造成的。在未采用變頻器時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收電能(電表正轉(zhuǎn))；電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)釋放能量(電表反轉(zhuǎn))，電能直接回饋電網(wǎng)的，并沒有在本地設(shè)備上耗費(fèi)掉。綜合表現(xiàn)為抽油機(jī)的供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量影響較大。但是在使用普通變頻器時(shí)，情況發(fā)生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動(dòng)。上述這部分電能沒有流回電網(wǎng)的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動(dòng)單元的原因。

為了回饋再生能量，提高效率，可以采用能量回饋裝置，將再生能量回饋電網(wǎng)，當(dāng)然這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜，投資也就更高了。所謂能量回饋裝置，其實(shí)就是一臺(tái)有源逆變器。按采用的功率開關(guān)器件的不同又可以分為晶閘管(SCR)有源逆變器及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變器兩種，它們的共同特點(diǎn)是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網(wǎng)，如圖 1所示。加裝能量回饋單元的變頻器適用于交流50Hz，額定電壓380V的異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停車和調(diào)速運(yùn)行過程控制。具有起動(dòng)電流小、速度平穩(wěn)、性能可靠、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)上下速度任意調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制運(yùn)行；用戶可根據(jù)油井的液位、壓力確定抽油機(jī)的沖機(jī)、速度和產(chǎn)液量，降耗節(jié)能，是高泵效；使設(shè)備減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命，高效節(jié)能低成本，實(shí)現(xiàn)在最大節(jié)能狀態(tài)下的自動(dòng)化運(yùn)行。

第二優(yōu)選技術(shù)方案

如圖2所示，本實(shí)用新型提供的開環(huán)矢量同步電機(jī)變頻器系統(tǒng)除了包括第一優(yōu)選技術(shù)方案中的部件以外，所述變頻器系統(tǒng)還包括與整流單元2連接的變頻器核心控制板9，所述變頻器的核心控制板連接有角度傳感器10。

變頻器系統(tǒng)還包括直流接觸器11，所述直流接觸器11分為第三條支路，第一條支路連接整流單元2，第二條支路連接能量制動(dòng)單元5，第三條支路連接驅(qū)動(dòng)單元4的兩個(gè)負(fù)載端。

安裝了核心控制板的變頻器系統(tǒng)成本低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安裝了直流接觸器11的變頻器系統(tǒng)提高了變頻器工作的穩(wěn)定性及可靠性。

勝利油田某采油廠2012年使用能量回饋式電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)135臺(tái)。經(jīng)測(cè)試其平均噸液有功節(jié)電率為32％，平均噸液無功節(jié)電率為43％，功率因數(shù)平均提高0.21，綜合節(jié)電率為35％。形成年節(jié)電能力456萬千瓦時(shí)，年節(jié)電效益320 萬元。數(shù)字化抽油機(jī)除了具備井口數(shù)據(jù)采集、傳輸和遠(yuǎn)程啟停外，還實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)的自動(dòng)調(diào)參，最大限度地降低一線員工的勞動(dòng)強(qiáng)度和減少一線員工的用工總量，使井場(chǎng)設(shè)備達(dá)到無人值守。我司變頻器作為數(shù)字化抽油機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備，以其高效、低噪聲、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高可靠性、良好的調(diào)速性能、免維護(hù)等優(yōu)越性在數(shù)字化抽油機(jī)中有著良好的應(yīng)用，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明：此控制系統(tǒng)穩(wěn)定、進(jìn)一步提高抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率，節(jié)約能源，降低開采成本，實(shí)現(xiàn)油田經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化管理和智能控制。

以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。