專利名稱：螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于控制裝置，特別是涉及到一種螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器。
背景技術(shù)：
螺桿泵采油是近十多年來迅速發(fā)展起來的一種新型機采油方式，我國各大油田相 繼開始對該技術(shù)進行了研究。在稠油井、含砂油井、高含水油井和低產(chǎn)油井的開采中，特別 是游梁式抽油機無法正常生產(chǎn)的油井中，螺桿泵巨大的增產(chǎn)節(jié)能優(yōu)越性日益顯現(xiàn)。美國 Amoco公司自1991年開始在高含水油井用螺桿泵進行采油實驗，比較在相同或相近的井況 下螺桿泵、游梁式抽油機、電潛泵等不同采油設(shè)備的電力消耗及機械效率。實驗結(jié)果表明， 螺桿泵裝置的平均總系統(tǒng)效率達到了63.4%，它比游梁式抽油機高出13%，比電潛泵高出 50%。由此可見，螺桿泵抽油系統(tǒng)不僅節(jié)能高效，而巨具有體積小、重量輕、安裝方便、井日 占地面積小、一次性投資及運行費用低和便于管理等優(yōu)點。與其他舉升方式相比具有明顯 的優(yōu)勢，所以用它取代游梁式抽油機和電潛泵在高含水油井中采油，必然是一個經(jīng)濟合理 的選擇。我國傳統(tǒng)的螺桿泵井上驅(qū)動系統(tǒng)一般采用異步電動機，再配套相應(yīng)的減速箱。雖 然螺桿泵總體要比游梁式抽油機效率高，但其正常工作時處于低負(fù)荷狀態(tài)，而起動時又需 要高轉(zhuǎn)矩，因此與之相配套的電機長期以來存在"大馬拉小車"的問題，效率和功率因劍氐。 此外，螺桿泵參數(shù)調(diào)整不方便，皮帶和減速器的使用增加了約20%的功率損耗；日常生產(chǎn) 管理中減速器、皮帶等配件易損壞，生產(chǎn)維護費用較高；棘輪棘爪機械防反轉(zhuǎn)裝置的應(yīng)用使 桿、管承受較高的沖擊載荷，使用壽命受到影響；螺桿泵驅(qū)動頭轉(zhuǎn)速較高時，存在安全隱患。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型旨在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控 制器，本裝置采用永磁無刷直流電機直接驅(qū)動螺桿泵，減少了一般的電勵磁電機的勵磁損 耗，因此電機的整體效率得到提高，且直接驅(qū)動不需要配置減速箱，不但提高了系統(tǒng)的工作 效率，也避免了螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的諸如更換皮帶輪、改變生產(chǎn)參數(shù)和管理 困難等問題。 本實用新型的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)、伺 服電機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等多高新技術(shù)，以降低油田生產(chǎn)的電能消耗， 提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)油井的自動化管理為目的。其具體的技術(shù)方案是三相交流電源經(jīng)三 相整流濾波電路、IGBT功率元件與永磁直流無刷力矩電機電路聯(lián)接，在永磁直流無刷力矩 電機上設(shè)有位置傳感器、經(jīng)位置信號取樣電路與DSP數(shù)字信號處理器聯(lián)接，DSP數(shù)字信號處 理器的輸出端與光電隔離及功率驅(qū)動電路聯(lián)接，光電隔離及功率驅(qū)動電路的輸出端與IGBT 功率元件聯(lián)接。 作為本實用新型的進一步改進，在IGBT功率元件輸出至永磁直流無刷力矩電機
的線路上設(shè)有電流信號取樣電路，電流信號取樣電路與DSP數(shù)字信號處理器聯(lián)接。 作為本實用新型的進一步改進，有液晶模塊和操作鍵盤與DSP數(shù)字信號處理器聯(lián)接。[0007] 本實用新型是以數(shù)字信號處理器DSP為核心，構(gòu)成功能齊全的全數(shù)字控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)是一個電流、速度雙閉環(huán)系統(tǒng)。DSP負(fù)責(zé)采樣各相電流、計算電機的轉(zhuǎn)速和位置，最后 運用增量式PI算法，得到P麗控制信號經(jīng)過光電隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關(guān)器件。同 時，DSP還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時，DSP封鎖P麗，
輸出信號，使電機停機。 無刷直流力矩控制器可以準(zhǔn)確控制永磁電機的力矩，當(dāng)桿泵的力矩增大，超出設(shè) 定力矩時，控制器會減速，按最大限制力矩控制模式控制，可以有效防止泵桿斷裂等機械事 故，且當(dāng)?shù)叵露虝r發(fā)生沙堵，控制器能夠做到允許電機輸出超過額定扭矩1. 5 2倍，時間 約為1 2分鐘，出現(xiàn)無油和泵輕載(定子脫落、斷桿)等異常情況時，控制器可自動識別 并停機處理。 本實用新型的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，具有以下優(yōu)越性 (1)解決了電機輸出力矩和電機體積問題。螺桿泵地面直接驅(qū)動技術(shù)的實現(xiàn)需
要動力驅(qū)動電機具有低速、大力矩輸出的性能；同時受螺桿泵井口空間限制，要求驅(qū)動電機
體積不能過大；普通低速異步電動機無法實現(xiàn)這一要求。本裝置則采用正弦波驅(qū)動方式的
無刷直流力矩電機驅(qū)動方式，可以實現(xiàn)對負(fù)載的大力矩變速驅(qū)動。通過指令輸入對驅(qū)動器
進行設(shè)置，可以實現(xiàn)電機輸出速度設(shè)置，實時速度調(diào)節(jié)，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、軟啟動、軟停機等功
能，從而實現(xiàn)對螺桿泵負(fù)載的直接驅(qū)動。 (2)解決了抽油桿反轉(zhuǎn)制動問題原來的傳動方式由于機械棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)裝置 的應(yīng)用使螺桿泵停止時抽油桿儲存了部分勢能，作業(yè)施工時抽油桿勢能釋放發(fā)生反轉(zhuǎn)，易 發(fā)生危險。直驅(qū)式螺桿泵的剎車采用電氣控制，在控制箱內(nèi)設(shè)有能耗電阻和獨立的剎車控 制器，當(dāng)停機操作時(或系統(tǒng)失電)，泵桿彈性釋放，會拖動永磁電機反轉(zhuǎn)，接通剎車電阻。 控制方式屬于抑制型，泵桿反轉(zhuǎn)的加速度(趨勢速度)越大，電阻吸收的能量就越多，即發(fā) 電制動力就越大，最終使泵桿回到初始狀態(tài)。同時螺桿泵下次起動時，初始起動力矩很小， 便于起動，修井作業(yè)也不會出現(xiàn)任何問題。 (3)免維護，增加采油工作時間直驅(qū)式由于在結(jié)構(gòu)上較傳統(tǒng)機械式省去了機械 減速箱和皮帶傳動裝置，使機械維護量大大降低，降低了工人勞動強度同時降低了維護時 間，相應(yīng)就增加了采油工作時間。
(4)有效降低盤根滲漏油問題新型直驅(qū)式電機為低速直接驅(qū)動，對螺桿泵桿的
驅(qū)動為四周均勻驅(qū)動方式，不產(chǎn)生側(cè)擺力，大大減輕了盤根的滲漏油問題，實際運行也明顯
比較出，新型直驅(qū)式驅(qū)動系統(tǒng)比傳統(tǒng)機械驅(qū)動系統(tǒng)盤根滲漏大大降低。
(5)高效節(jié)能與傳統(tǒng)機械式螺桿泵驅(qū)動方式相比綜合節(jié)電率可達25%以上。
(6)實現(xiàn)快速調(diào)摻通過控制器的按鍵，調(diào)整螺桿泵的運行速度，直觀監(jiān)視螺桿泵
的運行狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。
附圖是本實用新型的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
本實用新型的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，是由電源、電機、處理器和取樣電路構(gòu)成，其特征在于三相交流電源1經(jīng)三相整流濾波電路2、IGBT功率元件3與永磁直流無
刷力矩電機4電路聯(lián)接，在永磁直流無刷力矩電機4上設(shè)有位置傳感器5、經(jīng)位置信號取樣
電路6與DSP數(shù)字信號處理器7聯(lián)接，DSP數(shù)字信號處理器7的輸出端與光電隔離及功率
驅(qū)動電路8聯(lián)接，光電隔離及功率驅(qū)動電路8的輸出端與IGBT功率元件3聯(lián)接。 在IGBT功率元件3輸出至永磁直流無刷力矩電機4的線路上設(shè)有電流信號取樣
電路9，電流信號取樣電路9與DSP數(shù)字信號處理器7聯(lián)接。 有液晶模塊10和操作鍵盤11與DSP數(shù)字信號處理器7聯(lián)接。 本實用新型的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，現(xiàn)場應(yīng)用時與永磁無刷力矩電
機配套使用，通過現(xiàn)場低壓配電線路獲取三相交流電源，經(jīng)過整流濾波電路將交流電源變
成平滑穩(wěn)定的直流電源提供給功率單元，電機位置傳感器的作用是準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子的位
置、并把位置信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器按照預(yù)定規(guī)則發(fā)出所需的信號
去觸發(fā)功率單元相對應(yīng)的IGBT(大功絕緣柵雙極型晶體管)工作，把直流電壓依次加到電
動機的各相上，電動機定子上產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場相互作用而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。每當(dāng)轉(zhuǎn)
過一個磁極時，位置傳感器就發(fā)出一組新的信號給數(shù)字信號處理器，功率單元中各IGBT的
導(dǎo)通邏輯就發(fā)生一次變化，使通往電動機中的電流不斷依次換向，功率單元中IGBT的通斷
關(guān)系按照嚴(yán)格的程序進行，具有了他勵直流電動機同樣的特性，獲得較寬的調(diào)速范圍和較
慢的速度特性。智能控制器根據(jù)螺桿泵的特性、采用了專用的算法，使系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越。
權(quán)利要求螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，是由電源、電機、處理器和取樣電路構(gòu)成，其特征在于三相交流電源(1)經(jīng)三相整流濾波電路(2)、IGBT功率元件(3)與永磁直流無刷力矩電機(4)電路聯(lián)接，在永磁直流無刷力矩電機(4)上設(shè)有位置傳感器(5)、經(jīng)位置信號取樣電路(6)與DSP數(shù)字信號處理器(7)聯(lián)接，DSP數(shù)字信號處理器(7)的輸出端與光電隔離及功率驅(qū)動電路(8)聯(lián)接，光電隔離及功率驅(qū)動電路(8)的輸出端與IGBT功率元件(3)聯(lián)接。
2. 如權(quán)利要求1所述的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，其特征是在IGBT功率元件 (3)輸出至永磁直流無刷力矩電機(4)的線路上設(shè)有電流信號取樣電路(9)，電流信號取樣 電路(9)與DSP數(shù)字信號處理器(7)聯(lián)接。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，其特征在于有液晶模塊 (10)和操作鍵盤(11)與DSP數(shù)字信號處理器(7)聯(lián)接。
專利摘要本實用新型的螺桿泵直驅(qū)智能舉升裝置控制器，應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)、伺服電機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等多高新技術(shù)，以降低油田生產(chǎn)的電能消耗，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)油井的自動化管理為目的。其具體的技術(shù)方案是三相交流電源經(jīng)三相整流濾波電路、IGBT功率元件與永磁直流無刷力矩電機電路聯(lián)接，在永磁直流無刷力矩電機上設(shè)有位置傳感器、經(jīng)位置信號取樣電路與DSP數(shù)字信號處理器聯(lián)接，DSP數(shù)字信號處理器的輸出端與光電隔離及功率驅(qū)動電路聯(lián)接，光電隔離及功率驅(qū)動電路的輸出端與IGBT功率元件聯(lián)接，解決了電機輸出力矩和電機體積問題及抽油桿反轉(zhuǎn)制動問題，且免維護，增加采油工作時間，有效地降低盤根滲漏油問題。
文檔編號F04B49/06GK201474942SQ200920308128
公開日2010年5月19日 申請日期2009年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月17日
發(fā)明者孟臣, 梁巍, 王綠 申請人:梁巍