專利名稱：一種高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于油田抽油機(jī)電氣傳動(dòng)及控制設(shè)備，特別是涉及一 種高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置。
背景技術(shù)：
目前，在石油開采過程中，抽油機(jī)的動(dòng)力主要是交流異步電動(dòng)機(jī)， 電機(jī)工作效率低，在控制方法上，沒有采用機(jī)井出油流量一沖次閉環(huán) 控制，電機(jī)的工作狀況與機(jī)井流量無關(guān)，長期全速運(yùn)行能量損耗大， 直接影響經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備壽命。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置，該裝 置可以使控制對象一開關(guān)磁阻電機(jī)的工況隨抽油機(jī)流量的變化而變 化，及時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變抽油機(jī)的沖次，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)高效、節(jié)能的目的。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的采用的技術(shù)方案是 高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置包括
一MCU控制器，用以存儲(chǔ)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算，采集 流量和轉(zhuǎn)速信息，產(chǎn)生開通角&和關(guān)斷角《,,的邏輯信號；
一與MCU控制器電連接的開通角《"調(diào)制器和關(guān)斷角《,,調(diào)制器， 其中開通角《, 調(diào)制器用以根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置和MCU控制器的控制 命令產(chǎn)生功率器件的P麗脈沖的前沿，關(guān)斷角《,,調(diào)制器用以根據(jù)轉(zhuǎn) 子位置和MCU控制器的控制命令產(chǎn)生功率器件的P麗脈沖后沿；
一與開通角《 ,調(diào)制器和關(guān)斷角《,,調(diào)制器電連接的邏輯變換電 路，用以將開通角l和關(guān)斷角6V的邏輯信號進(jìn)行變換，產(chǎn)生功率器 件驅(qū)動(dòng)輸入信號；
一與邏輯變換電路電連接的驅(qū)動(dòng)器，用以將從開通角《 調(diào)制器 和關(guān)斷角^,調(diào)制器輸入的P麗脈沖形成滿足功率器件驅(qū)動(dòng)要求的脈 沖；
一與驅(qū)動(dòng)器電連接的功率變換電路，用以將驅(qū)動(dòng)器的脈沖進(jìn)行功
率放大，以便驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電機(jī)；
一與功率變換電路電連接的開關(guān)磁阻電機(jī)，用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī) 械能；
一抽油機(jī)在開關(guān)磁阻電機(jī)拖動(dòng)下抽取井下石油；
旋轉(zhuǎn)編碼器其輸入端與開關(guān)磁阻電機(jī)電連接，輸出端與開通角 《 調(diào)制器和關(guān)斷角《,,調(diào)制器電連接，用以產(chǎn)生位置脈沖，此脈沖作 為&調(diào)制器2和《,,調(diào)制器3的同步脈沖；
一流量檢測器，安裝在抽油機(jī)進(jìn)油管上并與MCU控制器電連接， 用以檢測抽油機(jī)井石油流量。
本實(shí)用新型還可以在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)編碼器位置脈沖
倍頻后的脈沖作為裝置的速度信息。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在實(shí)際應(yīng)用中充分體現(xiàn)在
1. 將抽油機(jī)流量、開關(guān)磁阻電機(jī)及控制裝置視為一個(gè)完整系統(tǒng)， 進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)基于流量——沖次的閉環(huán)控制，達(dá)到 系統(tǒng)工況隨機(jī)井流量變化而變化，提高抽油機(jī)工作效率，節(jié)約電能。
2. 開關(guān)磁阻電機(jī)在全速下，始終保持最優(yōu)開通角^和關(guān)斷角^ ，
獲取最大平均轉(zhuǎn)矩，提高開關(guān)磁阻電機(jī)的帶負(fù)載能力，充分利用輸入 電能。
3. 在MCU控制器中預(yù)先存儲(chǔ)抽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩與曲軸位置對應(yīng)的轉(zhuǎn) 矩常數(shù)，查表獲取抽油機(jī)曲軸在不同位置的轉(zhuǎn)矩，由此轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為《,, 的初始值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制。
4. 該控制裝置通過開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子信號組成速度負(fù)反饋控 制，經(jīng)倍頻后還可以進(jìn)一步提高速度檢測的準(zhǔn)確性和精確性，進(jìn)一步 提高傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性，有益于提高系統(tǒng)效率。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。


圖1是本實(shí)用新型的原理框圖。
圖2是本實(shí)用新型中《,，調(diào)制器的原理電路圖。
圖3是本實(shí)用新型中《,,調(diào)制器的原理電路圖。
圖4是本實(shí)用新型的邏輯變換電路圖。
圖5是本實(shí)用新型中開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換電路圖。
圖6是本實(shí)用新型的倍頻電路圖。
圖7是本實(shí)用新型低速運(yùn)行時(shí)的功率器件(如IGBT)驅(qū)動(dòng)脈沖
波形圖。
圖8是本實(shí)用新型高速運(yùn)行時(shí)的功率器件(如IGBT)驅(qū)動(dòng)脈沖
波形圖。
具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型裝置是基于流量——沖次閉環(huán)抽油機(jī)SR電動(dòng)機(jī)控制
系統(tǒng)。它的實(shí)現(xiàn)方法很多，模擬的和數(shù)字的都能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)針對四相
8/6極的SR電動(dòng)機(jī)為控制對象，用一個(gè)數(shù)模結(jié)合的實(shí)施例來說明。如圖1所示，本裝置包括MCU控制器1、開通角&調(diào)制器2和 關(guān)斷角&,調(diào)制器3、邏輯變換電路4、驅(qū)動(dòng)器5、功率變換電路6、 開關(guān)磁阻電機(jī)7、抽油機(jī)8、旋轉(zhuǎn)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(chǔ)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算，MCU 選用C8051F系列單片機(jī)的C8051F120，它是一個(gè)模擬數(shù)字混合的微 型控制器，CIP—51內(nèi)核，兩個(gè)周期的16X16的MAC， PLL時(shí)鐘，頻 率可用到100MHz; 6路捕獲/P麗輸出，帶軟件定時(shí)器功能。因此， 選用該MCU可以很好的完成位置轉(zhuǎn)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(jù)轉(zhuǎn)子位置信號和流量信 號，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確定開通和關(guān)斷角度《"、&,。 C805F120 的控制輸出由P0. O(Ul) 口和P0. 3(U2) 口輸出給兩個(gè)調(diào)制器。
開通角《,"調(diào)制器2和關(guān)斷角&,調(diào)制器3與MCU控制器1電連 接，其中開通角&,調(diào)制器2用以根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置和MCU控制器 的控制命令產(chǎn)生IGBT的P麗脈沖的前沿，關(guān)斷角《,,調(diào)制器3用以根 據(jù)轉(zhuǎn)子位置和MCU控制器1的控制命令產(chǎn)生IGBT的P麗脈沖后沿， 開通角l調(diào)制器2、關(guān)斷角^調(diào)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(shí)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(shí)間來控制角度的 移相，在控制裝置中，該部分快速調(diào)節(jié)，所以選用了性能較好5401和 5551三極管，同時(shí)，為提高調(diào)速范圍，串聯(lián)一個(gè)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(shí)間來控制角度的移相，在控制裝置中，該部分不需要快速 調(diào)節(jié)，所以選用了性能一般9012和9013三極管。同時(shí)，為控制過程 中調(diào)節(jié)不大，串聯(lián)兩個(gè)4007 二極管，提高關(guān)斷的可靠性.該部分的功 能是實(shí)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(diào)制器2和關(guān)斷角《,,調(diào)制器3電連 接，用以將開通角《 和關(guān)斷角《,,的邏輯信號進(jìn)行變換，產(chǎn)生功率器
件驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器5與邏輯變換電路4電連接，選用驅(qū)動(dòng)芯片EXB841,用以 將從開通角《",調(diào)制器2和關(guān)斷角《 調(diào)制器3輸入且經(jīng)過邏輯變換輸 出的PWM脈沖信號Kl-K4驅(qū)動(dòng)放大形成滿足功率器件驅(qū)動(dòng)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(guān)磁阻電機(jī)的功率變換電路6與驅(qū)動(dòng)器5電連接，用以將驅(qū)動(dòng) 器5的脈沖進(jìn)行功率放大，以便驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電機(jī)7， Kl， K2, K3， K4 四路脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)7以四相8/6極為例，帶動(dòng)抽 油機(jī)井。
開關(guān)磁阻電機(jī)7與功率變換電路6電連接，用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
抽油機(jī)8在開關(guān)磁阻電機(jī)7拖動(dòng)下抽取井下石油。
旋轉(zhuǎn)編碼器9，選用E6A2，其輸入端與開關(guān)磁阻電機(jī)7電連接， 輸出端與開通角化,調(diào)制器2和關(guān)斷角調(diào)制器3電連接，用以產(chǎn)生 位置脈沖，此脈沖作為《,，調(diào)制器2和《,,調(diào)制器3的同步脈沖。
流量檢測器10，安裝在抽油機(jī)8進(jìn)油管上并與MCU控制器1電 連接，用以檢測抽油機(jī)井石油流量。
倍頻電路11電連接在旋轉(zhuǎn)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(jù)圖1， MCU控制器1初始化時(shí)，存入抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。此 轉(zhuǎn)矩常數(shù)作為控制系統(tǒng)的初始轉(zhuǎn)矩設(shè)定，MCU控制器1首先執(zhí)行一 段開關(guān)磁阻電機(jī)7的起動(dòng)程序，系統(tǒng)起動(dòng)完畢后自動(dòng)進(jìn)入流量——沖 次閉環(huán)控制。
在運(yùn)行過程中，旋轉(zhuǎn)編碼器9產(chǎn)生兩相互差75。方波位置脈沖， 此脈沖作為《。調(diào)制器2和《#調(diào)制器3的同步脈沖，旋轉(zhuǎn)編碼器9其 中一路位置脈沖經(jīng)1024倍倍頻后的脈沖作為系統(tǒng)的速度信息。
l調(diào)制器2在MCU控制器1和旋轉(zhuǎn)編碼器9的控制下，產(chǎn)生 與機(jī)井流量相匹配的IGBT開通角化,，《,,調(diào)制器3同樣受MCU控制 器1和旋轉(zhuǎn)編碼器9的控制產(chǎn)生與機(jī)井流量相匹配的IGBT關(guān)斷角《,,， 但^的變化率是^的二分之一。在^和6^,的作用下，調(diào)節(jié)開關(guān)磁阻 電機(jī)7的轉(zhuǎn)速，達(dá)到抽油機(jī)最合理的沖次。開通角《 和關(guān)斷角《,,,的 調(diào)節(jié)規(guī)律是抽油機(jī)8流量大，《, 減少，開關(guān)磁阻電機(jī)7提前供電， 電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，抽油機(jī)8的沖次增加；反之則《, 增 加，開關(guān)磁阻電機(jī)7延遲供電，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)速下降，抽油機(jī)8 沖次減少。圖7和圖8是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)7低速和高速運(yùn)行時(shí)的工GBT 柵極對應(yīng)曲線。
MCU控制器1是本實(shí)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(jī)8的轉(zhuǎn)矩常 數(shù)，經(jīng)MCU控制器1內(nèi)部的PI運(yùn)算，在PI運(yùn)算過程中流量檢測器 10的信息作為負(fù)反饋，參與PI運(yùn)算的流量反饋值".=(1-實(shí)際流量值)， MCU控制器1將PI運(yùn)算值送到《 調(diào)制器2和《,,調(diào)制器3的輸入端， 經(jīng)《, 調(diào)制器2和《,,,調(diào)制器3調(diào)制后，輸出IGBT柵極P麗脈沖，實(shí)現(xiàn) 流量——沖次控制。
權(quán)利要求1.一種高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置，其特征在于包括一MCU控制器，用以存儲(chǔ)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算，采集流量和轉(zhuǎn)速信息，產(chǎn)生開通角θon和關(guān)斷角θoff的邏輯信號；一與MCU控制器電連接的開通角θon調(diào)制器和關(guān)斷角θoff調(diào)制器，其中開通角θon調(diào)制器用以根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置和MCU控制器的控制命令產(chǎn)生功率器件的PWM脈沖的前沿，關(guān)斷角θoff調(diào)制器用以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和MCU控制器的控制命令產(chǎn)生功率器件的PWM脈沖后沿；一與開通角θon調(diào)制器和關(guān)斷角θoff調(diào)制器電連接的邏輯變換電路，用以將開通角θon和關(guān)斷角θoff的邏輯信號進(jìn)行變換，產(chǎn)生功率器件驅(qū)動(dòng)輸入信號；一與邏輯變換電路電連接的驅(qū)動(dòng)器，用以將從開通角θon調(diào)制器和關(guān)斷角θoff調(diào)制器輸入的PWM脈沖形成滿足功率器件驅(qū)動(dòng)要求的脈沖；一與驅(qū)動(dòng)器電連接的功率變換電路，用以將驅(qū)動(dòng)器的脈沖進(jìn)行功率放大，以便驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電機(jī)；一與功率變換電路電連接的開關(guān)磁阻電機(jī)，用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；一抽油機(jī)在開關(guān)磁阻電機(jī)拖動(dòng)下抽取井下石油；旋轉(zhuǎn)編碼器其輸入端與開關(guān)磁阻電機(jī)電連接，輸出端與開通角θon調(diào)制器和關(guān)斷角θoff調(diào)制器電連接，用以產(chǎn)生位置脈沖，此脈沖作為θon調(diào)制器2和θoff調(diào)制器3的同步脈沖；一流量檢測器，安裝在抽油機(jī)進(jìn)油管上并與MCU控制器電連接，用以檢測抽油機(jī)井石油流量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置，其特征在 于在所述旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)用新型公開了一種高效節(jié)能的抽油機(jī)控制裝置，包括MCU控制器、開通角θ_on調(diào)制器和關(guān)斷角θ_off調(diào)制器、邏輯變換電路、驅(qū)動(dòng)器、功率變換電路、開關(guān)磁阻電機(jī)、抽油機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測器。該裝置將抽油機(jī)流量、開關(guān)磁阻電機(jī)及控制裝置視為一個(gè)完整系統(tǒng)，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，參數(shù)調(diào)整，可以使控制對象——開關(guān)磁阻電機(jī)的工況隨抽油機(jī)流量的變化而變化，及時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變抽油機(jī)的沖次，實(shí)現(xiàn)基于流量——沖次的閉環(huán)控制，提高抽油機(jī)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(quán)日2007年8月23日
發(fā)明者郭彥蕊, 學(xué) 陳 申請人:黃運(yùn)生