游梁式抽油机断续供电下电源软投入控制方法及控制装置.pdf

本发明公开了一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法及控制装置。本发明方法是在电动机断续供电运行状态，通过实时检测断电后定子绕组的残压来测量电动机的转速，在电动机实际速度接近同步速时，通过可控硅开关元件逐步施加电压，在短时间内完成电源的软投入。本发明控制装置包括：人机界面、检测单元、主控制器和开关元件。本发明通过检测断电后定子绕组的残压来测量电动机的转速，无需转速传感器，速度快，精度高。断续供电的通电与断电控制都是由可控硅元件执行，由于其电流过零关断的特性，消除了断电时的过电压，通电时在同步速附近控制可控硅的触发实现电源的快速软投入，避免了冲击电流和机械振动。

1.  一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法，其特征在于，在电动机断续供电过程中，该方法包括以下步骤：
1)人机界面对电动机同步转速值N1进行参数设置，将电动机同步转速值N1储存在主控制器的存储单元中；
2)检测单元实时采集电动机运行的电压和电流，将采集数据传送给AD转换器；
3)AD转换器将采集的电压和电流信号转换为数字信号，传送给运算单元；
4)运算单元对数字信号进行分析、计算，得到电动机转速N，并传送给主控制单元；
5)主控制单元判断电动机转速N升高后是否开始下降，如果是，则执行步骤6)，否则重新执行步骤2)；
6)主控制单元判断电动机转速N是否接近电动机同步转速N1，如果是，则发送信号给驱动单元，否则重新执行步骤2)；
7)驱动单元控制开关元件的触发角度，发出ABC三相触发脉冲，触发反并联的双向可控硅开关元件；
8)开关元件根据主控制器的触发脉冲，逐步增加对电机所施电压，调整电动机的转速。

2.  根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法，其特征在于：步骤2)中的检测单元包括电流传感器和电压互感器。

3.  根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法，其特征在于：步骤7)中的可控硅开关元件为晶闸管、GTO、IGBT或IGCT。

4.  根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法，其特征在于：所述步骤7)中的触发角度范围为30°～150°，并在5～15个周期内完成电源的软投入。

5.  根据权利要求1所述的一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法，其特征在于：电动机的转速通过检测断电后定子绕组的残压来测量电动机的转速。

6.  一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制装置，其特征在于包括：
人机界面：对电动机同步转速值N1进行参数设置；
检测单元：由电压互感器和电流传感器组成，用于实时采集电动机电流及电压参数；
主控制器：用于对实时采集的电动机参数进行分析、处理，控制触发角，发出触发脉冲；
开关元件：由反并联的双向可控硅电子元件构成，根据主控制器不同的触发脉冲，逐步增加对电机所施的电压，实现三相电源的软投入，以调整电动机的转速。

7.  根据权利4所述的一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制装置，其特征在于：主控制器包括存储单元、AD转换器、运算单元、主控制单元和驱动单元。

游梁式抽油机断续供电下电源软投入控制方法及控制装置
技术领域
本发明属于石油开采机械领域，具体涉及一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入控制方法及控制装置。
背景技术
游梁式抽油机电动机一个工况周期中包括重载工况、轻载工况、空载工况和发电工况。
抽油机电动机的断续供电是指在空载和发电工况时断开电源，使抽油机负载在这段时间内依靠惯性持续运行，期间的电动机、馈电线路及变压器中的各种电损耗等于零或接近于零，从而实现了非常显著的节能效果；在抽油机旋转过一定角度需要电动机提供力矩的轻载和重载工况时，通过可控硅等可控开关接通电源继续运行。
在断续供电过程中，所需解决的一个关键问题是断电后再通电时电机的冲击电流及振动和噪声，若按一般的控制方式——电源三相同时全压投入的话，冲击电流可达到额定电流的10倍以上，不仅使断续供电所节电能损失殆尽，所带来的机械冲击也将使电动机及其传动系统的寿命大大降低。
本发明采用同步速附近实施软投入的技术解决该问题，可以使投入电源时的冲击电流控制在额定电流的1倍以内，相应地也避免了冲击电流引起的振动和噪声。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入控制方法及控制装置。
本发明的技术方案如下：
一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制方法，在电动机断续供电过程中，该方法包括以下步骤：
1)人机界面对电动机同步转速值N1进行参数设置，将电动机同步转速值N1储存在主控制器的存储单元中；
2)检测单元检测单元包括电流传感器和电压互感器，实时采集电动机运行的电压和电流，将采集数据传送给AD转换器；
3)AD转换器将采集的电压和电流信号转换为数字信号，传送给运算单元；
4)运算单元对数字信号进行分析、计算，得到电动机转速N，并传送给主控制单元；
5)主控制单元判断电动机转速N升高后是否开始下降，如果是，则执行步骤6)，否则重新执行步骤2)；
6)主控制单元判断电动机转速N是否接近电动机同步转速N1，如果是，则发送信号给驱动单元，否则重新执行步骤2)；
7)驱动单元控制开关元件的触发角度，发出ABC三相触发脉冲，触发反并联的双向可控硅开关元件，并在5～15个周期内完成电源的软投入；所述触发角度的调整范围为30°～150°；
8)开关元件根据主控制器不同的触发脉冲，逐步增加对电机所施电压，实现三相电源的软投入，以调整电动机的转速。
所述的可控硅开关元件为晶闸管、GTO、IGBT或IGCT。
一种游梁式抽油机断续供电下电源软投入的控制装置，其特征在于包括：
人机界面：对电动机同步转速值N1进行参数设置；
检测单元：由电压互感器和电流传感器组成，用于实时采集电动机电流及电压参数；
主控制器：用于对实时采集的电动机参数进行分析、处理，控制特定的触发角，发出相应的触发脉冲；
开关元件：由反并联的双向可控硅电子元件构成，根据主控制器不同的触发脉冲，逐步增加对电机所施的电压，实现三相电源的软投入，以调整电动机的转速。
所述主控制器包括存储单元、AD转换器、运算单元、主控制单元、驱动单元。
本发明的有益效果：本发明通过检测断电后定子绕组的残压来测量电动机的转速，无需转速传感器，速度快，精度高。断续供电的通电与断电控制都是由可控硅元件执行，由于其电流过零关断的特性，消除了断电时的过电压；通电时在同步速附近控制可控硅的触发实现电源的快速软投入，避免了冲击电流和机械振动。
附图说明
图1a为本发明电源软投入控制主电路图，图1b为本发明控制主电路图之二，
图1c为本发明控制主电路图之三。
图2为本发明断电后残压测试电路。
图3为本发明优选实施例的电路原理框图，其中200为主控制器。
图4为控制器接线示意图。
图5为可控硅触发部分电路图。
图6为本发明的控制方法流程图。
图7为本发明的软投入控制得到的电流波形图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步详细说明。
图1a是一种典型的抽油机电动机负载电源软投入的主电路图，其中KM是接触器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分别是电动机的三相绕组，反并联的可控硅模块SCR1，SCR2，SCR3以三角形接法与绕组内接。
检测单元100检测三个绕组的电流和ABC三相电压，用于主控制单元203判断抽油机通断电时刻；检测单元100还通过电压互感器测量断电后定子绕组残压U_W1-W2，用于判断断电后转子转速何时达到同步速。
主控制单元203控制可控硅驱动单元向可控硅模块发出触发脉冲，通电初始瞬间实施快速软投入，通电期间全投入。人机界面101用于设定电机参数。
图1b是电动机绕组三角形接法的另一种接线形式，其中可控硅直接串接到电源与角接的电动机绕组之间，称为可控硅与绕组外接。
图1c是电动机绕组星形接法的一种主电路接线形式，其中可控硅串接在电源与星接的电动机绕组之间。
图1b和图1c的控制部分电路与图1a相同，只是单片机主控制器针对各种不同的主电路接线方式，软件上分别设置不同的可控硅软投入触发角度和触发顺序。
参照图4，图4是主控制器200(采用单片机AVR8535)的对应输出输入端口的接线图。其中管脚40接收来自图4电路的残压信号，送给单片机AVR8535的内置AD转换器201，转换为数字量后经计算得到电动机转速。PC0～PC2是单片机的I/O口，设置为输出，向可控硅触发驱动单元输出触发信号。
参照图5，图5是可控硅驱动单元的触发部分主电路图。图中IN端是脉冲输入端，信号来自于脉冲发生电路，每一路(分别触发每相可控硅)由CPU的PC0～PC2引脚开通送入IN端，脉冲经高频开关元件V送到脉冲变压器B，高频脉冲变压器B将脉冲隔离变换为两路信号分别发送到可控硅模块SCR的两个可控硅的门极和阴极，导通该相的可控硅开关。
参照图2，图2是残压信号调理电路图，其中A为运算放大器；pt1来自电压互感器的输出端，而电压互感器的输入端接到在图1a～图1e所示电路图的W1与W2两处；信号经过运算放大器放大后，经IN1端接到图4所示主控制器200(单片机AVR8535)的对应输入端口(8535的第40引脚PA7)。图7中单片机的内置AD转换器201将信号转换为数字量，采样计算得到残压频率f，用公式n＝60f/p(p为电动机的极对数)计算电动机的实时转速N。
参照图1a、图3、图6所示，抽油机电动机的断续供电及电源软投入控制方法流程步骤如下：
步骤1：通电运行；步骤2：单片机主控制器200通过电压互感器和电流传感器测定抽油机整周期的功率曲线，确定断续供电运行方式；步骤3：通电期间判断出断电位置和时刻；步骤4：到达可以断电的时刻停发可控硅的触发脉冲；
步骤5：断电后电动机转速跟随负载变化而变化，转速N将先升高后降低，此时通过残压检测电路按上一段所描述的方法测量电动机转速；步骤6：判断转速升高后下降；步骤7和8：判断转速是否接近同步转速N1；步骤9：触发角度在30°～150°的范围之间进行有效地调整，从软投入控制的初始触发到最终全投入可以在5～15个周波内快速完成。步骤10：最后当触发角调整到α＜时(其中是电动机该时刻的功率因数角)，电动机绕组电压也就被调到全压(电源电压)从而完全投入电源(步骤10)。
参照图1a、图7所示，当初始条件为同步速和残压为零时，反并联可控硅组SCR1中反向的晶闸管在U_ab电压过零后α＝80°时开始触发，之后停止触发脉冲等待电流过零时自动关断，这样可以控制I_ab正向的冲击电流；图1a中SCR1正向的晶闸管比反向的晶闸管落后180°触发(α＝260°)，而SCR2和SCR3的正反向晶闸管的触发角度分别比SCR1落后120°和240°；SCR1的软投入触发角度约在30°～150°的范围之间进行有效地调整，最后当触发角调整到α＜时(其中是电动机该时刻的功率因数角)，电动机绕组电压也就被调到全压(电源电压)从而完全投入电源(步骤10)。如果触发角度设置恰当并调整得当，从软投入控制的初始触发到最终全投入可以在5～15个周波内快速完成，冲击电流能够被控制在额定电流之内，参见图7，是软投入控制后实测得到的电动机的by相电流波形图。