專利名稱：抽油機高效節(jié)能控制柜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子控制技術，具體地說是一種抽油機高效節(jié)能控制柜。
背景技術：
長期以來，針對抽油機的節(jié)電技術主要從3個方面著手一是對抽油機的機械部分進行改進；二是開發(fā)不同類型的抽油機節(jié)能電機；三是使用節(jié)能配電箱。近年來，隨著大功率電子開關器件IGBT的發(fā)展，研制具有高性價比的抽油機電機專用變頻電源將成為具有最有發(fā)展前途的油田節(jié)能產品。變頻控制技術已廣泛應用在國內外各大油田的原油集輸系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、石油鉆機等方面。但是，到目前為止，該技術仍然不能在游梁抽油機上得到有效的推廣應用。主要原因是價格高，可靠性低。西安石油學院、西北工業(yè)大學、甘肅工業(yè)大學以及諸多油田研究單位對此做出了不懈努力，但至今未能從根本上解決問題。今后抽油機的電動機節(jié)能研究方向一是從電動機本身考慮，就是提高電動機負荷率，從而提高功率因數和運行功率；而提高電動機自身功率的潛力不大，能提高幾個百分點就很不容易，而且是以提高電動機成本為代價的。當電動機負荷率高于臨界負荷率時，只要并聯(lián)適當的補償電容器就能達到節(jié)能之目的。二是從系統(tǒng)考慮，就是在改變電動機的機械特性基礎上，“下大泵、降沖次、增桿管徑比、減摩阻”，使機-桿-泵系統(tǒng)達到較好的配合，提高系統(tǒng)效率。兩者比較，后者同樣有一定的節(jié)能潛力，也是本發(fā)明的研究方向。

發(fā)明內容本發(fā)明的技術任務是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種以變頻調速技術為核心，具有獨立的調頻、調壓以及頻率電壓協(xié)調控制的功能，節(jié)能效果好，使抽油系統(tǒng)增產、節(jié)能、無級調速，提高了抽油系統(tǒng)效率的抽油機高效節(jié)能控制柜。該產品通過整流，逆變，數據采集，電能回饋等過程達到了節(jié)能降耗的目的，提高了抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是本發(fā)明的抽油機高效節(jié)能控制柜實現(xiàn)上述功能主要利用了兩個電路，即控制電路和回饋電路，兩個電路分別與主電路相并接，控制電路包括保護電路、數據采集電路、CPU、SPWM、驅動電路和數據電路；其中，數據采集電路與CPU相連，CPU又分別與SPWM和數據電路連接，SPWM又與保護電路相連接，SPWM串接驅動電路后與主電路相連，電源電路提供電源給主電路，在主電路中完成電流的整流和逆變，CPU輸出控件信號SPWM信號發(fā)生器輸出，經過驅動電路驅動IGBT橋臂逆變輸出三相交流驅動電機工作。CPU實時對三相電流、三相電壓、直流電流、直流電壓進行采樣，通過A/D轉換模擬開關時，8路數據進行實時采集，并輸出到液晶顯示器顯示，同時，對所采集數據進行分析處理，根據電流的大小分析抽油機負荷大小，根據負荷大小實時調整SPWM脈沖寬度，以使輸出功率自動跟蹤實際所需功率，避免了大馬拉小車的現(xiàn)象，節(jié)省了有功功率。CPU根據采集電流、電壓大小進行比較判斷是否過壓、過流、失壓、失流等故障。如發(fā)生故障則停機，并將數據記錄、保存。短路故障發(fā)生時，為了縮短動作時間，保護價格昂貴的主電路，不經過CPU處理，而直接停機迅速切斷輸出，達到保護的目的。主電源通過三相全控橋式整流電路IGBT中的二極管將三相交流電源進行整流、濾波。啟動后，CPU輸出控制信號SPWM信號發(fā)生器輸出，經過驅動電路驅動IGBT橋臂逆變輸出三相交流驅動電機工作。啟動方式為軟啟動，以降低電機啟動時大電流對電網的沖擊。
回饋電路包括同步電路、SPWM電路、驅動、電壓檢測電路和保護電路，同步電路與SPWM電路相接，SPWM電路又分別與電壓檢測電路和保護電路相接，SPWM電路通過驅動與主電路相接，電源電路也為回饋電路提供電能，當電機處于再生制動時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，直流電壓持續(xù)升高，當電壓檢測電路檢測到電壓達到設定值時，通過SPWM電路驅動IGBT對再生電能回饋至電網，同步電路控制回饋電流與電網實現(xiàn)同步。
由于抽油機下沖程時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，為了使該部分電能順利回饋電網使能量不消耗在耗能電阻上，特增加回饋電路。在三相電源輸入端串入三個高頻扼流電抗器，以抑制逆變時可能產生的雙向電磁干擾，同時起到等效直流電抗器的作用。
當電動機工作在發(fā)電狀態(tài)時，電動機工作在再生制動狀態(tài)，電能通過逆變器整流、濾波電容貯能，直流母線電壓升高，當電壓檢測電路檢測到超過設定的上限時，SPWM電路控制驅動電路，驅動變流器開始工作，將支流母線上的能量回饋電網。高頻扼流電抗器將平衡直流母線電壓和電網線電壓之間的差值，保證逆變狀態(tài)的正常進行，當直流母線電壓下降到下限設定值時停止逆變。
同步電路的作用是在逆變進行時，使變流器輸出與電網電路相位同步，輸出與電網和位同步的回饋電壓。
電壓檢測電路作用是當電機處于再生制動時，電機處于發(fā)電狀態(tài)，直流電壓持續(xù)升高，當電壓檢測電路檢測到電壓達到設定值時，通過SPWM電路驅動IGBT對再生電能，回饋至電網，同步電路控制回饋電流與電網實現(xiàn)同步。
本發(fā)明的抽油機高效節(jié)能控制柜與現(xiàn)有技術相比，所產生的有益效果是及時采集電流、電壓數據，CPU根據采集的數據判斷是否存在過壓、過流、失壓、失流等故障，故障發(fā)生時直接停機并切斷輸出，以保護主電路并將數據記錄保存，通過電能的雙向流動，當抽油機電機處于發(fā)電狀態(tài)時，把電能回饋電網，減少了能量的流失，節(jié)約了電能，提高了系統(tǒng)效率。


附圖1為本發(fā)明的原理結構框圖；附圖2為圖1的回饋電路圖；附圖3為圖1的控制電路圖；附圖4為圖1的直流穩(wěn)壓電源電路；附圖5為圖1的三相全控整流逆變主電路。
圖中，A-主電路，B-回饋電路，C-控制電路，D-電源電路，E-負載，1-數據采集電路，2-CPU，3-SPWM，4-驅動電路，5-數據電路，6-保護電路，7-同步電路，8-SPWM電路，9-驅動，10-電壓檢測電路，11-模擬開關電路，12-A/D轉換電路，13-地址鎖存器，14-數據存儲器，15-液晶顯示器，16-逆變芯片，17-逆變芯片，18-逆變芯片，19-驅動A，20-驅動B，21-驅動C。
具體實施方式
下面結合附圖1-5對本發(fā)明的抽油機高效節(jié)能控制柜作以下詳細地說明。
如圖1所示，該發(fā)明的抽油機高效節(jié)能控制柜，包括與主電路A連接的回饋電路B和控制電路C兩部分，控制電路C包括數據采集電路1、CPU 2、SPWM 3、驅動電路4、數據電路5和保護電路6；其中，數據采集電路1與CPU 2相連，CPU 2的型號為AT89C52，CPU2又分別與SPWM3和數據電路5連接，SPWM 3又與保護電路6相連接，SPWM 3串接驅動電路4后與主電路A相連；回饋電路B包括同步電路7、SPWM電路8、驅動9、電壓檢測電路10和保護電路6，保護電路6為回饋電路B和控制電路C的公共部分，同步電路7與SPWM電路8相接，SPWM電路8又分別與電壓檢測電路10和保護電路6相接，SPWM電路8通過驅動9與主電路A相接，電源電路D為控制電路C和回饋電路B提供電能。主電路A包括整流和逆變，整流是通過三相全控橋式整流電路IGBT中的二極管將三相交流電源進行整流、濾波；逆變是通過IGBT將直流變?yōu)槿嘟涣骺刂齐姍C。
如圖2所示，同步電路7包括三個橋式整流器2W06和多個電阻R、電容C、二極管D、三極管T和反相器CD4069，SPWM電路8包括三個逆變芯片SG3525，三個逆變芯片SG3525分別與驅動A、驅動B、驅動C連接?；仞侂娐稡將傳統(tǒng)變頻器中二極管整流電路用PWM整流電路取代，構成電壓型雙SPWM變頻電路，對整流電路進行SPWM控制，以實現(xiàn)電路的雙向流動。電路工作在整流狀態(tài)時，電機電動運行；當抽油機電機M處于發(fā)電狀態(tài)時，負載電流給直流濾波電容反向充電，整流器逆變運行，把電能回饋電網。
如圖3所示，控制電路C是本發(fā)明的核心部分，包括CPU控制、輸入、輸出、數據分析等。數據采集電路1是由三相電流、三相電壓、直流電流、直流電壓共8路數據采集單元、模擬開關電路11和A/D轉換電路12構成，模擬開關電路11的型號為SD4051，A/D轉換電路的型號為AD0809，采集的電流和電壓信號依次經數據采集單元、模擬開關電路11和A/D轉換電路12處理后進入數據電路的液晶顯示器15和CPU 2。數據采集電路1具有標準的232接口，通過該端口并按一定的通信協(xié)議完成各種參數和控制，采集電流數據和電壓數據。
SPWM 3的型號為SM2001。
驅動電路4的作用在于輸出高效型SPWM波形驅動IGBT工作。
數據電路5是由地址鎖存器13、數據存儲器14和液晶顯示器15構成，地址鎖存器13的型號為74LS373，數據存儲器14的型號為62164。
液晶顯示器15顯示當前三相電壓、電流、功率以及功率因數，其型號為12864。
如圖4所示，電源電路D由三個電源穩(wěn)壓芯片ST7812、ST7805、ST7905及電容C1、C2、C3、二極管4007、電感E1、E2、E3構成，為整機提供不同的直流穩(wěn)壓電源，以保證整機電路能正常工作。
如圖5所示，三相全控整流逆變主電路IGBT模塊，其型號為SKM200GB176D。
本發(fā)明的抽油機高效節(jié)能控制柜其加工制作非常簡單方便，按說明書附圖所示加工制作即可。
權利要求
1.抽油機高效節(jié)能控制柜，包括與負載(E)相接的主電路(A)，其特征在于，主電路(A)又分別與控制電路(C)和回饋電路(B)相并接，控制電路(C)包括保護電路(6)、數據采集電路(1)、CPU(2)、SPWM(3)、驅動電路(4)和數據電路(5)；其中，數據采集電路(1)與CPU(2)相連，CPU(2)又分別與SPWM(3)和數據電路(5)連接，SPWM(3)又與保護電路(6)相連接，SPWM(3)串接驅動電路(4)后與主電路(A)相連，電源電路(D)提供電源給主電路(A)，在主電路(A)中完成電流的整流和逆變，CPU(2)輸出控件信號SPWM(3)信號發(fā)生器輸出，經過驅動電路(4)驅動IGBT橋臂逆變輸出三相交流驅動電機(M)工作。CPU(2)實時對三相電流、三相電壓、直流電流、直流電壓進行采樣，通過A/D轉換模擬開關(11)時，8路數據進行實時采集，并輸出到液晶顯示器(15)顯示，如果出現(xiàn)故障，則通過保護電路停機并將數據記錄保存；回饋電路(B)包括同步電路(7)、SPWM電路(8)、驅動(9)、電壓檢測電路(10)和保護電路(60，同步電路(7)與SPWM電路(8)相接，SPWM電路(8)又分別與電壓檢測電路(10)和保護電路(6)相接，SPWM電路(8)通過驅動(9)與主電路(A)相接，電源電路(D)也為回饋電路(B)提供電能，當電機(M)處于再生制動時，電機(M)處于發(fā)電狀態(tài)，直流電壓持續(xù)升高，當電壓檢測電路(10)檢測到電壓達到設定值時，通過SPWM電路(8)驅動IGBT對再生電能回饋至電網，同步電路(7)控制回饋電流與電網實現(xiàn)同步。
2.根據權利要求1所述的抽油機高效節(jié)能控制柜，其特征在于，數據采集電路(1)是由三相電流、三相電壓、直流電流、直流電壓共8路數據采集單元、模擬開關電路(11)和A/D轉換電路(12)構成，采集的電流和電壓信號依次經數據采集單元、模擬開關電路(11)和A/D轉換電路(12)處理后進入數據電路的液晶顯示器(15)和CPU(2)。
3.根據權利要求1所述的抽油機高效節(jié)能控制柜，其特征在于，數據電路(5)是由地址鎖存器(13)、數據存儲器(14)和液晶顯示器(15)構成。
4.根據權利要求1所述的抽油機高效節(jié)能控制柜，其特征在于，SPWM電路(8)包括三個逆變芯片(16)、(17)、(18)，三個逆變芯片(16)、(17)、(18)分別與驅動(9)三個驅動(19)、(20)、(21)對應連接。
5.根據權利要求1所述的抽油機高效節(jié)能控制柜，其特征在于，該技術應用于游梁式抽油機，適用于380V、660V、1140V電壓，用于供電系統(tǒng)的電機節(jié)能控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種抽油機高效節(jié)能控制柜，屬于電子控制技術領域，是一種用于380V/660V/1140V三相交流電壓，以高性能變頻調速技術為核心，具有獨立的調頻、調壓以及頻率電壓協(xié)調控制功能的抽油機專用配套產品。該產品主要有主電路、驅動、控制、數據采集、回饋、顯示和電源等構成，其中的主電路包括整流和逆變兩部分，驅動是輸出高效型SPWM波形驅動IGBT工作，數據采集是對三相電流、三相電壓、直流電流、直流電壓進行采樣，回饋是將電能回饋電網，顯示是用液晶顯示數據，電源用來提供整機所需直流工作電源。本發(fā)明的抽油機高效節(jié)能控制柜與現(xiàn)有技術相比，具有有功電能計量、電機過電流保護、過電壓保護、電能回饋電網及停機報警等功能，是油田抽油機的高效節(jié)能配套產品。
文檔編號H02P3/18GK1983797SQ20051004534
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權日2005年12月12日
發(fā)明者巴銀華, 潘政, 趙善為, 魯玉慶 申請人:萬達集團股份有限公司