抽油机节能控制方法 1、技术领域
本发明涉及一种在石油行业采油作业中广泛使用的抽油机三相异步电动机控制系统，尤其是它可根据抽油机的运行状态(电动机做正功或负功、抽油泵上下运行时配重的平衡状况实时自动调节电动机转速，最大限度的利用设备惯性能量，降低耗电量、增加冲次提高采液量)。
2、背景技术
目前，公知的抽油机(三相异步电动机)电气控制系统是采用直接、降压、软起动、变频器等方式，主要解决电动机的起动及保护问题。鉴于游梁式抽油机的构造决定它在一个循环周期内(约6～20秒)，抽油泵上下运行一次，其抽油泵及负载的重量主要由抽油机减速箱曲柄上的配重块来平衡(见图1)。由于抽油泵的负荷随井下液量、粘度、输送压力、环境温度等的影响不断变化，及配重块随曲柄做圆周运转时等效力臂的变化，导致配重块无法对抽油机负载进行良好平衡。其后果是在约半个周期里电动机作正功(电动机拖动负载)，余下时间电动机作负功(负载拖动电动机)。以抽油机配重块等效重力大于抽油机驴头负载等效重力(头轻尾重即自然停车后配重块静止于垂直下方A点时)为例(下同)：当电动机通过减速箱、曲柄带动配重块由下死点A向水平B点运动时电动机做正功，并随等效力臂OB′的加大而增加，当配重块运动到B点时电动机做正功趋于最大值；当配重块由B点通过C点向D点运动时，在C、D间某点游梁两侧等效重力相当，电动机做功趋近于零达到平衡；配重块继续向D点运行，随着0D′的增加，在配重块重力势能作用下曲柄通过减速箱带动电动机运转做负功，当配重块运动到D点时电动机做负功趋于最大值；在D、A点间某点游梁两侧等效重力再次相当时，电动机由作负功再次转为做正功。在本设备中电动机作负功时，实际是将抽油机配重块用电动机作正功时建立起来的势能以极低的效率(再次用电动机做发电机)转化成电能回馈电网。它不仅造成大量电能浪费，同时对电气控制系统特别是无功补偿、软起动及变频系统带来极大危害。
3、发明内容
为了解决现有抽油机电气控制系统的上述问题，本发明提供一种抽油机节能控制方法，该抽油机高节能自动跟踪变速控制装置不仅能提供优异的电动机起动、保护功能，而且能自动检测电动机的运行状态，在电动机出现作负功的趋势时，实时动态调节提高电动机转速或关闭电动机电源，使其不进入负功状态，将势能以惯性方式直接利用，最大限度节约电能，消除危害电气控制系统的隐患。
本发明的方法要解决的技术问题是采用以下三种方式实现的：1)在抽油机电源开关电路输出端设置变频器和电功率测量控制器，对电动机的负荷、电流和电压进行自动跟踪变速控制，控制步骤是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，由电功率测量控制器给出动态控制信号，通过变频器的PID调节器对电动机闭环控制，实时跟踪调节，提高电动机转速，并使电动机对减速箱略微做功，以确保电动机不进入负功状态，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机再次开始做正功，电功率测量控制器检测到电动机正功逐渐增大后，变频器控制电动机减速，当电动机转速下降到额定转速时，变频器受设定的频率下限限定，控制电动机不再减速拖动配重块再次上行。
2)在电动机电源开关电路输出端设置电功率测量控制器，电动机与电动机电源开关电路之间设置电动机转速测量控制器，对电动机实施自动跟踪间歇供电控制，控制步骤是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，电功率测量控制器控制电动机电源开关电路关闭电动机电源，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机转速下降到设定转速时，电动机转速测量控制器控制电动机电源开关电路再次给电动机供电，电动机拖动配重块再次上行。
3)在电动机电源开关电路输出端设置变频器和电功率测量控制器，电动机与变频器之间设置电动机转速测量控制器，对电动机实施自动跟踪间歇供电控制，控制步骤是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，电功率测量控制器控制变频器关闭电动机电源，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机转速下降到设定转速时，电动机转速测量控制器控制变频器再次给电动机供电，电动机拖动配重块再次上行。
本发明的有益效果是，采用对电动机的电流、电压、负载以及转速自动跟踪检测控制，将抽油机配重块的惯性重力势能与电动机做功配合利用，最大限度地降低了电能的消耗；同时可以使抽油机的抽油杆上行速度加快，下行速度不变，在不增大功耗的前提下，缩短了冲次周期时间，减少泵漏，使单位时间内冲次数增加，提高了油井产量；该技术彻底解决了三相异步电动机做负功的问题，使得电动机负载相对减小，降低了电动机温升，延长使用寿命；还能避免了电动机做负功时对电源开关电路的损害。
4、附图说明
图1是抽油机的节能工作原理图。
图2是采用变频器和电功率测量控制器与电源开关电路配合对电动机变速控制的电路原理图。
图3是采用电功率测量控制器和电机转速测量控制器与电源开关电路配合对电动机间歇供电控制的电路原理图。
图3是采用电功率测量控制器和电机转速测量控制器与电源开关电路配合对电动机间歇供电控制的电路原理图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
【具体实施方式】
本发明的节能控制方法主要有两种方式：
第一种控制方式是：在抽油机电源开关电路输出端设置变频器和电功率测量控制器，对电动机的负荷、电流和电压进行自动跟踪变速控制，控制步骤是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，由电功率测量控制器给出动态控制信号，通过变频器的PID调节器对电动机闭环控制，实时跟踪调节，提高电动机转速，并使电动机对减速箱略微做功，以确保电动机不进入负功状态，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机再次开始做正功，电功率测量控制器检测到电动机正功逐渐增大后，变频器控制电动机减速，当电动机转速下降到额定转速时，变频器受设定的频率下限限定，控制电动机不再减速拖动配重块再次上行。
第二种控制方式是：在电动机电源开关电路输出端设置电功率测量控制器，电动机与电动机电源开关电路之间设置电动机转速测量控制器，对电动机实施自动跟踪间歇供电控制，控制步骤是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，电功率测量控制器控制电动机电源开关电路关闭电动机电源，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机转速下降到设定转速时，电动机转速测量控制器控制电动机电源开关电路再次给电动机供电，电动机拖动配重块再次上行。
第三种控制方式是：在电动机电源开关电路输出端设置变频器和电功率测量控制器，电动机与变频器之间设置电动机转速测量控制器，对电动机实施自动跟踪间歇供电控制，控制步骤是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，电功率测量控制器控制变频器关闭电动机电源，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机转速下降到设定转速时，电动机转速测量控制器控制变频器再次给电动机供电，电动机拖动配重块再次上行。
为了第一种节能控制方式的实现，变频器频率下限设定为≤50HZ，设定电动机运行时的最低转速为电动机原设定转速，保持抽油机原冲次数
在本发明的方法中，电动机电源开关电路，电功率测量控制器、电动机转速测量控制器和变频器均是通用机电产品。
利用变频器对电动机进行变速控制原理是：将变频器起动特性按力矩提升方式设定，以最大力矩起动电动机；将变频器频率下限设定为50HZ(或根据地质情况设定小于50HZ，减少冲次数，降低采液量，节约电能)以限定电动机运行时的最低转速为原转速，保持抽油机原冲次数不变。
实施例1
本发明的方法可免去因地质情况变化而改变抽油机冲次时更换皮带轮的不便；将抽油机平衡调整为抽油机配重块等效重力大于抽油机驴头负载等效重力，头轻尾重即自然停车后配重块静止于垂直下方的位置设定A点。(如图1、图2所示)在抽油机运行时：当配重块运行在A点附近至B点时，电动机做正功并逐渐加大至最大值，随后由B点运行至C、D间某点、游梁两侧等效重力接近相当时电动机做正功逐渐减小至最小值，此运行区间电动机做正功，电功率测量控制器将检测到的正功信号送变频器对电机适时减速，但变频器受下限频率限制，将保持下限频率不变，因而电动机转速不变。当配重块继续运行即将出现电动机做正功趋近于零时，由电功率测量控制器将检测到的正功趋近于零信号送变频器控制电机加
速并实现闭环控制，实时跟踪调节提高电动机转速，并使电动机随着减速机动力输入轴的转速保持对减速箱的动力输入轴作微功，以确保电动机不进入负功状态，此时抽油机进入超速运转状态，抽油泵快速上行；当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零时，电动机再次开始做正功带动配重块上行。此时电功率测量控制器将检测到的正功信号送变频器控制电机减速，电动机减速至变频器下限频率时保持转速，开始下一个工作周期。
实施例2
在电动机电源开关电路输出端设置电功率测量控制器，电动机与电动机电源开关电路之间设置电动机转速测量控制器，对电动机实施自动跟踪间歇供电控制，控制方式是：①当抽油机配重块运动到C、D点之间、游梁两侧等效重力相当，即将出现电动机做正功趋近于零时，电功率测量控制器控制电动机电源开关电路关闭电动机电源，此时，抽油杆快速上行；②当配重块在惯性作用下运动到A、B点间或运动到接近A点时，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零，电动机转速下降到设定转速时，电动机转速测量控制器控制电动机电源开关电路再次给电动机供电，电动机拖动配重块再次上行。
实施例3
本发明的方法是采用测量电动机轴转速和电动机功耗的方式控制电机间歇供电，如图1、图4所示，当配重块运行至C、D间某点、即将出现电动机做正功趋近于零时，由电功率测量控制器检测到的正功趋近于零，立即控制变频器停止向电动机供电。抽油机在配重块重力惯性势能作用下自由向下运行到A、B点间(或运动到接近A点时)，重力势能产生的惯性消耗逐渐趋近于零时，由电动机转速测量控制器在线检测电动机转速下降至原额定转速时，立即控制变频器恢复向电动机供电继续运行下一个工作循环。