一種開環矢量同步電機變頻器系統的制作方法

本實用新型涉及一種變頻器系統，具體涉及一種開環矢量同步電機變頻器系統。

背景技術：

我國的油田絕大部分為低能、低產油田，不像國外的油田有很強的自噴能力，大部分油要靠注水來壓油入井，靠抽油機(磕頭機)把油從地層中提升上來。在我國，以水換油、以電換油是目前油田的現實，耗電費用在我國的石油開采成本中占了相當大的比例。所以，石油行業十分重視節約電能，節省電耗就是直接降低石油的開采成本。我國目前抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在3500MW，年耗電逾百億Kwh。抽油機的運行效率特別低下，在我國平均運行效率為25.96％，國外平均水平為30.05％，年節能潛力可達幾十億Kwh。除了抽油機之外，油田還有大量的注水泵、輸油泵、潛油泵等設備，總耗電量超過油田總用電量的 80％，可見，石油行業也是推廣"電機系統節能"的重點行業。

抽油機節能，其首選方案是采用變頻器對其電機拖動系統進行改造，抽油機改用變頻器拖動后有以下幾個好處：

(1)大大提高了功率因數(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，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損，可省去大量的"增容"開支。

(2)可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，一方面達到節能目的，同時還可以增加原油產量。

(3)由于實現了真正的"軟起動"，對電動機、變速箱、抽油機都避免了過大的機械沖擊，大大延長了設備的使用壽命，減少了停產時間，提高了生產效率。但是，變頻器用于抽油機電機時，也有幾個問題需要解決，主要是沖擊電流問題和再生能量的處理問題。

技術實現要素：

針對現有技術中的不足，本實用新型提供一種開環矢量同步電機變頻器系統，可以根據現場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態，根據油井的產液量使抽油機工作在合理的沖次，并根據油井工況對抽油機進行有效的保護；從而最大限度的使抽油機的運行參數與油井參數相一致，發揮抽油機的工作能力，實現低碳開發和節能開采。

本實用新型的目的是采用下述技術方案實現：

本實用新型提供一種開環矢量同步電機變頻器系統，所述變頻器系統應用于游梁式抽油機上，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、濾波單元和驅動單元，所述變頻器系統包括用于將流回電網的電能消耗掉的能耗制動單元和用于將變頻器直流回路的電壓反饋到電網能量回饋單元；所述能耗制動單元、能量回饋單元依次設置在濾波單元和驅動單元之間；所述整流單元、濾波單元、能耗制動單元、能量回饋單元和驅動單元均與電網連接；

所述三相交流電輸入電路與所述游梁式抽油機連接。

進一步地，所述能耗制動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的分流電阻器和開關管組成，或所述泵升電壓限制電路由串聯的制動單元和制動電阻構成。

進一步地，所述變頻器系統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的直流母線構成能耗制動單元。

進一步地，所述能量回饋單元采用有源逆變器。

進一步地，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。

進一步地，在所述絕緣柵雙極型晶體管逆變器中設有用于控制有源負載，其輸出頻率、相位和電壓與電網一致的鑒頻控制單元、鑒相器控制單元、鎖相環控制單元和用于控制游梁式抽油機電壓的PWM控制單元。

進一步地，加裝能量回饋單元的變頻器系統適用于交流50Hz，額定電壓380V的異步電動機。

進一步地，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單元，第三條支路連接驅動單元的兩個負載端。

與最接近的現有技術相比，本實用新型達到的有益效果是：

采用變頻器作為控制的解決方案在數字化抽油機應用中有如下優點：

(1)變頻解決方案，可以根據現場油井負荷大小使抽油機達到最佳的平衡狀態，根據油井的產液量使抽油機工作在合理的沖次，并根據油井工況對抽油機進行有效的保護；從而最大限度的使抽油機的運行參數與油井參數相一致，發揮抽油機的工作能力，實現低碳開發和節能開采。

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

(3)模塊化設計，系統的維護更加簡單。

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

(5)可以通過站控平臺有效實現變頻器的參數調整及管理要求，實現真正意義上的井場無人值守。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型提供的第一優選技術方案的開環矢量同步電機變頻器系統的結構圖；

圖2是本實用新型提供的第二優選技術方案的開環矢量同步電機變頻器系統的結構圖；

圖中1-三相交流電輸入電路；2-整流單元；3-濾波單元；4-驅動單元； 5-能耗制動單元；6-能量回饋單元；7-電網；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。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本實用新型的技術方案進行詳細的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬于本實用新型所保護的范圍。

第一優選技術方案

如圖1所示，為本實用新型提供的第一優選技術方案的開環矢量同步電機變頻器系統的結構圖，變頻器系統應用于游梁式抽油機上，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和驅動單元4，所述變頻器系統包括用于將流回電網的電能消耗掉的能耗制動單元 5和用于將變頻器直流回路的電壓反饋到電網能量回饋單元6；所述能耗制動單元5、能量回饋單元6依次設置在濾波單元3和驅動單元4之間；所述整流單元2、濾波單元3、能耗制動單元8、能量回饋單元6和驅動單元4均與電網7連接；三相交流電輸入電路1與游梁式抽油機連接。

優選的，所述能耗制動單元5采用泵升電壓限制電路，所述泵升電壓限制電路由串聯的分流電阻器和開關管組成，或所述泵升電壓限制電路由串聯的制動單元和制動電阻構成。

優選的，所述變頻器系統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7的直流母線構成能耗制動單元5。

優選的，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有用于控制有源負載，其輸出頻率、相位和電壓與電網一致的鑒頻控制單元、鑒相器控制單元、鎖相環控制單元和用于控制游梁式抽油機電壓的PWM控制單元。加裝能量回饋單元的變頻器系統適用于交流50Hz，額定電壓380V的異步電動機。

加裝能量制動單元的方式可比較方便的實現，但是以多耗電能為代價，這主要是因為發電能量不能回饋電網造成的。在未采用變頻器時，電動機處于電動狀態時，電動機從電網吸收電能(電表正轉)；電動機處于發電狀態時，電動機釋放能量(電表反轉)，電能直接回饋電網的，并沒有在本地設備上耗費掉。綜合表現為抽油機的供電系統的功率因數較低，對電網質量影響較大。但是在使用普通變頻器時，情況發生了變化。普通變頻器的輸入是二極管整流，能量不可反方向流動。上述這部分電能沒有流回電網的通路，必須用電阻來就地消耗，這就是必須使用能耗制動單元的原因。

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，當然這樣一來，系統就更復雜，投資也就更高了。所謂能量回饋裝置，其實就是一臺有源逆變器。按采用的功率開關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，它們的共同特點是可以將變頻器直流回路的電壓反饋到電網，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的異步電動機，實現軟起動、軟停車和調速運行過程控制。具有起動電流小、速度平穩、性能可靠、對電網沖擊小等優點，可實現上下速度任意調節和閉環控制運行；用戶可根據油井的液位、壓力確定抽油機的沖機、速度和產液量，降耗節能，是高泵效；使設備減少磨損，延長使用壽命，高效節能低成本，實現在最大節能狀態下的自動化運行。

第二優選技術方案

如圖2所示，本實用新型提供的開環矢量同步電機變頻器系統除了包括第一優選技術方案中的部件以外，所述變頻器系統還包括與整流單元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單元5，第三條支路連接驅動單元4的兩個負載端。

安裝了核心控制板的變頻器系統成本低，環境適應性強，安裝了直流接觸器11的變頻器系統提高了變頻器工作的穩定性及可靠性。

勝利油田某采油廠2012年使用能量回饋式電磁調速電動機135臺。經測試其平均噸液有功節電率為32％，平均噸液無功節電率為43％，功率因數平均提高0.21，綜合節電率為35％。形成年節電能力456萬千瓦時，年節電效益320 萬元。數字化抽油機除了具備井口數據采集、傳輸和遠程啟停外，還實現了抽油機的自動調參，最大限度地降低一線員工的勞動強度和減少一線員工的用工總量，使井場設備達到無人值守。我司變頻器作為數字化抽油機的動力驅動設備，以其高效、低噪聲、大啟動轉矩、高可靠性、良好的調速性能、免維護等優越性在數字化抽油機中有著良好的應用，經實際運行證明：此控制系統穩定、進一步提高抽油機采油系統效率，節約能源，降低開采成本，實現油田經濟有效開發，實現真正意義上的數字化管理和智能控制。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。