[发明专利]一种抽油机系统及其省电控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应于油田的抽油系统及其控制方法，尤其是一种抽油机系统及其省电控制方法。

背景技术

抽油机，尤其是游梁式抽油机是应用最普遍的石油开采机械之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，且总体效率很低。

游梁式抽油机包括电机拖动系统、四连杆机构和驴头，游梁式抽油机工作时，电机通过皮带传动驱动减速器，带动四连杆机构实现驴头上下摆动，由驴头带动抽油杆使井下活塞泵做上下往复运动完成抽油工作。

油田抽油机在工作时，负载变化大，且呈周期性变化。具体来说，抽油机在运行时，位于四连杆机构曲柄上的平衡配重块在不同时刻处于不同的位置，因此，抽油杆的拉力也就不同。由于抽油机上受到的拉力对于电机而言为，其为电机的负载。由于电机负载的变化，电机所需要的转矩也相应地发生变化，并且会出现抽油杆和平衡配重块带动电机转的情况，即由负载来拖动电机，从而电机做负功，处于发电状态。

目前，在抽油机上使用的拖动电机有三相异步电机、永磁同步电机、变频器控制的异步电机等等。三相异步电机在抽油机上应用最多，但是其效率低、过载能力低，能耗高，目前正在逐步被其他节能电机取代。永磁同步电机的效率较高，但是抽油机负载变化大，使转子磁场和定子磁场不同步，永磁同步电机容易退磁。变频器是目前抽油机上使用较多的一种节能方式，变频器控制的异步电机能调节电机转速、降低启动力矩，实现电机软启动，但是异步电机的效率不高，过载能力低，并且变频器工作在20Hz以下频率时，效率更低，因此能耗仍较高。

目前，抽油机上使用的拖动电机在运行过程中都存在做负功即发电的现象，这是由抽油机的负载决定的，目前的电机都无法避免这个现象。对于普通电机，其发出的电回馈到电网，因不能被利用从而对电网产生污染。另外有些电机使用了变频器，通过变频器将电机发出的电通过电阻消耗掉，使这部分电能被浪费掉。专利号为02243532.8、03214443.1、200520090313.7和200720049142.2的专利申请分别介绍了变频器，虽然使用变频器可以调节电机转速、降低启动力矩，实现电机软启动，但是仍然不能解决由于做负功带来的能耗高的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种抽油机系统及其省电控制方法，解决由于电机在运行过程中做负功的问题，从而降低耗能，提高总体效率和过载能力。

为此，本发明提供了一种抽油机系统，包括拖动电机、传动部件、配重和抽油杆，所述拖动电机通过传动部件带动抽油杆上下往复运动，所述抽油机系统还包括控制模块，拖动电机的轴上设有位置检测模块，电机的电源输入侧设有电流传感器，所述控制模块接收所述位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息和电流传感器输出的电机电流信息，对拖动电机实现闭环控制，并且在电机运行过程中判断电机的做功状态，在做负功时关断电机。

具体地，所述控制模块包括数据处理单元、电机驱动单元，所述数据处理单元接收输入的指令信号、电流传感器采集的电机电流信号和位置检测模块输出的电机位置的信息，经过数据处理，输出控制信号给所述的电机驱动单元，所述电机驱动单元根据所述的控制信号输出合适的电压给电机，从而实现对电机的精确控制。

另外，所述数据处理单元包括电机运行控制子单元和省电控制子单元，省电控制子单元根据位置检测模块输出的代表拖动电机位置的信息和电流传感器输出的电机电流信号进行计算，判断电机的做功状态，如果做正功，则发指令给电机运行控制子单元，由电机运行控制子单元控制电机驱动单元驱动电机工作；如果做负功，向电机驱动单元发送关断指令，关断电机驱动单元的输出。

所述电机运行控制子单元进一步包括机械环控制子单元、电流环控制子单元和PWM控制信号产生子单元；所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和位置检测模块输出的电机轴的旋转角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号；所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。

此外，所述电机驱动单元包括六个功率开关管，所述开关管每两个串联成一组，三组并联连接在直流供电线路之间，每一开关管的控制端受PWM控制信号产生子单元输出的PWM信号的控制，每一组中的两个开关管分时导通。