电子-电气-机械一体化曳引式抽油机 【技术领域】
本发明属于一种石油机械，特别属于一种电子-电气-机械一体化曳引式抽油机。
背景技术
目前国际上普遍采用的抽油机主要为游梁式抽油机。这种抽油机是由三相异步电动机、皮带轮、减速机、摇臂、游梁等机构组成。其工作原理是异步电动机通过皮带将动力传给减速机，减速机带动摇臂，迫使游梁产生绕定点上下摆动运动，实现抽油杆的垂直往复运动。长期的生产实践表明，游梁式抽油机存在如下问题：系统整体传动效率低，不足50％；系统的功率因数低，一般平均在0.4左右；系统占地面积大，一般单井的平均占地面积在50m2左右；冲程次数要靠调节皮带轮的直径，平衡靠调节摇臂上的平衡块，减速机需要润滑油等，使调整维护困难。造成采油成本和工作量浪费严重，在石油价格国际化的今天，给石油企业的利润带来巨大的影响。
针对游梁式抽油机在实际使用中存在的问题，多年来人们对此进行了多项改造和研究，代表性的发明专利有：2002年申请的发明专利(专利号：02120836.0)“经滑轮组驱动的弯曲游梁式抽油机”，发明了一种经滑轮组驱动的弯曲游梁式抽油机，该项发明将游梁抽油机的驴头、游梁部分与滑轮组和不同的动力机—动力传动装置组合在一起。但其没有从根本上改变游梁式抽油机的基本传动模式。2003年申请的发明专利(专利号：03111689.2)“电动潜油螺杆抽油机”，它涉及一种螺杆抽油机，特别是螺杆抽油机的减速装置。该项发明的电动潜油螺杆抽油机采用圆弧齿廓齿轮传动的行星减速器，它比渐开线齿轮的减速器承载能力高1.3～1.95倍；由于采用行星传动的结构，因此其输出的转速较低。该项发明，属于有齿轮减速的抽油机。1991年申请地发明专利(专利号：91107955.6)“游梁抽油机低速无级调速拖动系统”，发明了一种专用于油田低产油井的游梁抽油机低速无级调速拖动系统。主要包括动力装置、电磁转差离合器和速度控制系统。该项发明是通过电磁滑差离合器实现变速控制，但抽油机的机械结构没有改变。
【发明内容】
本发明为解决上述存在的问题，提供一种电子-电气-机械一体化曳引式抽油机，它的抽油做功的基本工作原理是由单片机(或PLC)组成的闭环系统，控制电力电子电源供电，采用低速大转矩稀土永磁同步电动机直接驱动曳引机的正反转向，曳引轮的动力通过滑轮组经钢丝绳传递到抽油杆，使抽油杆随着曳引式抽油机的变速运动和正反转向而变速和上下往复运动，完成抽油做功。机头前后移动的工作原理是通过人工或电机带动螺杆运转，从而带动机头沿导轨前后运动，使机头可以前后移动。
本发明的机械结构组成包括机架，机头移动机构，滑轮组，曳引机，抽油杆和对重；机架上方设有机头移动机构，机头移动机构的导轨设在机架顶端，螺杆带有手柄的一端通过槽钢固定在机架上，另一端通过固定架固定在机架上，螺杆与机头用螺母连接，机头沿导轨前后运动；曳引机通过槽钢固定在机架的底座上，曳引机的曳引轮上钢丝绳的一端通过滑轮组固定在机架顶部，钢丝绳的另一端通过滑轮组固定在机头上；对重安装在滑轮6上，悬置在机架内，沿对重导轨5上下往复运动；抽油杆安装在滑轮17上。
本发明分为两种基本结构：曳引机内置式和曳引机外置式。曳引机内置式，即曳引机置于机架内部，其滑轮组结构为：机架上的滑轮7，对重上的滑轮6组成滑轮组I；机头上的滑轮15，滑轮16，抽油杆上的滑轮17组成滑轮组II；曳引机的曳引轮上钢丝绳的一端依次通过滑轮组I的滑轮7、滑轮6连接在机架顶端，钢丝绳的另一端依次通过滑轮组II的滑轮15、滑轮16、滑轮17接在机头上；曳引机外置式，即曳引机置于机架外部，其滑轮组结构为：机架上的滑轮22，滑轮23，对重上的滑轮6组成滑轮组III；机架上的滑轮21，机头上的滑轮16，抽油杆上的滑轮17组成滑轮组IV；曳引机的曳引轮上钢丝绳的一端依次通过滑轮组III的滑轮22、滑轮23、滑轮6连接在机架顶端，钢丝绳的另一端依次通过滑轮组IV的滑轮21、滑轮16、滑轮17连接在机头上。
本发明曳引机的结构组成为：电动机25，电磁铁26，制动轮27，抱闸28，曳引轮4，旋转轴29，手柄30。旋转轴29的一端安装有电动机25，另一端安装曳引轮4，在曳引轮4和电动机25之间设置一制动轮27，制动轮27外围安装一抱闸28，在抱闸28连杆中间的支座上固定一电磁铁26，电磁铁26上设置一手柄30。曳引轮4是由电动机25直接驱动，手柄30用来控制电磁铁，从而控制抱闸28开启，抱闸28控制制动轮27，制动轮27用于曳引轮4的制动，通过扳动手柄，可以在任何位置锁定抽油杆。电动机25采用低速大转矩永磁同步电动机，电动机25的转子采用钕铁硼永磁材料，设置16个以上磁极，优选20个磁极；定子采用分数槽绕组，铁心沿轴向斜1～1.3个定子槽，优选1.2个定子槽；电枢绕组内电势波形采用正弦化设计；电动机的电源采用电力电子电源供电。曳引机的正反转向通过电气来控制。
本发明的电气控制是通过与曳引机同轴安装的数字式旋转编码器，单片机(或PLC)，电力电子电源组成的闭环系统来实现的。数字旋转编码器设置在电动机25旋转轴输入端，用于检测转子磁极的位置。将外部信号输入给单片机，单片机(或PLC)对输入信号进行分析、计算后将控制信号输出给电力电子电源，电力电子电源通过该指令为电动机提供需要的电压和电流。
本发明是将电子-电气-机械结合为一体，由CPU技术控制电力电子电源供电，电力电子电源直接供电给曳引机，其动力传动由滑轮组完成，组成低速大转矩传动系统，取消原抽油机的所有齿轮，来实现抽油系统的无齿轮传动。本发明可以从根本上克服传统游梁式抽油机存在的传动效率低、运行功率因数低、占地面积大、维护工作量大等不利因素。使抽油机的传动效率大于90％，驱动电动机的功率降低一半，系统的功率因数保持在0.95以上，相同吨位的抽油机占地面积为原来的三分之一，并且抽油机冲程次数可以随意无级调节，平衡调节可以轻松进行，没有减速机，无齿轮传动机构，可以不用润滑油，调整维护方便。
【附图说明】
图1为本发明的曳引机内置式结构示意图；
图2为本发明的曳引机外置式结构示意图；
图3为本发明的曳引机结构主视图；
图4为本发明的曳引机结构左视图；
图5为本发明的程序控制图；
图6为本发明的控制系统框图；
图中机架1，对重2，曳引机3，曳引轮4，对重导轨5，滑轮6，滑轮7，导轨8，槽钢9，手柄10，螺杆11，螺母12，固定架13，机头14，滑轮15，滑轮16，滑轮17，抽油杆18，钢丝绳19，槽钢20，滑轮21，滑轮22，滑轮23，底座24，电动机25，电磁铁26，制动轮27，抱闸28，旋转轴29，手柄30。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作详细描述：
本发明的组成结构包括机架1，机头移动机构，滑轮组，曳引机3，抽油杆18和对重2；机架1上方设有机头移动机构，机头移动机构的导轨8设在机架1顶端，螺杆11带有手柄10的一端通过槽钢9固定在机架1上，另一端通过固定架13固定在机架1上，螺杆11与机头14用螺母12连接；通过人工或电机带动手柄10，从而带动螺杆11运转，螺母12随螺杆11运转而转动，带动机头14沿导轨8前后运动，使机头14可以前后移动，其移动的范围为：0.5～1.2米，以满足油井作业施工。对重2安装在滑轮6上，悬置在机架1内，沿对重导轨5上下往复运动；抽油杆18安装在滑轮17上。曳引机3通过槽钢20固定在机架1的底座24上，曳引机3的曳引轮4上钢丝绳19的一端通过滑轮组固定在机架1顶部，钢丝绳19的另一端通过滑轮组固定在机头14上。曳引机3正反转向运动，产生的动力通过滑轮组经钢丝绳19传递到抽油杆18上，从而带动抽油杆18上下往复运动。抽油杆18的运动行程可以在4～9米范围内、每分钟往复次数可以在3～8次范围内人为设定。对重2是作为抽油杆18及其负荷的平衡物，用于减轻曳引机3的曳引力。其吨位等于抽油杆18与井管中负荷重量之和。
本发明分为曳引机内置式和曳引机外置式两种结构。曳引机内置式，如图1所示，曳引机3的曳引轮4上钢丝绳19的一端依次通过滑轮组I的滑轮7、滑轮6连接在机架1顶端，钢丝绳19的另一端依次通过滑轮组II的滑轮15、滑轮16、滑轮17接在机头14上。曳引机3变速运动和正反转向运动，产生的动力经滑轮组II传递到抽油杆18上，使其变速和上下往复运动，完成抽油做功。曳引机外置式，如图2所示，曳引机3的曳引轮4上钢丝绳19的一端依次通过滑轮组III的滑轮22、滑轮23、滑轮6连接在机架1顶端，钢丝绳19的另一端依次通过滑轮组IV的滑轮21、滑轮16、滑轮17连接在机头14上。曳引机3变速运动和正反转向运动，产生的动力经滑轮组IV传递到抽油杆18上，使其变速和上下往复运动，完成抽油做功。对重2悬置在滑轮6上，用于减轻曳引机3的曳引力，抽油杆18的运动速度取决于曳引机3的转速。
本发明曳引机的结构组成为：电动机25，电磁铁26，制动轮27，抱闸28，曳引轮4，旋转轴29，手柄30。旋转轴29的一端安装有电动机，另一端安装曳引轮4，在曳引轮4和电动机25之间设置一制动轮27，制动轮27外围安装一抱闸28，在抱闸28连杆中间的支座上固定一电磁铁26，电磁铁26上设置一手柄30。曳引轮4是由电动机25直接驱动，手柄30用来控制电磁铁26，从而控制抱闸28开启，抱闸28控制制动轮27，制动轮27用于曳引轮4的制动，通过扳动手柄30，可以在任何位置锁定抽油杆18。电动机25采用低速大转矩永磁同步电动机，电动机25的转子采用钕铁硼永磁材料，设置16个以上磁极，优选20个磁极；定子采用分数槽绕组，铁心沿轴向斜1～1.3个定子槽，优选1.2个定子槽；电枢绕组内电势波形采用正弦化设计；电动机25的电源采用电力电子电源供电。控制曳引机3的正反转向通过电气来控制。
本发明的电气控制是通过与曳引机3同轴安装的数字式旋转编码器，单片机(或PLC)，电力电子电源组成的闭环系统来控制曳引机3的正反转向。数字式旋转编码器的作用是，实时检测转子磁极的位置，决定电力电子电源的控制信号，保证电力电子电源能够以最小的电流输出，来实现闭环系统的最佳负载角控制，使抽油机稳定运行。编码器以每转的脉冲数反馈给系统，而脉冲数实际上对应着转子磁极的位置。本发明的控制程序，如图5所示，开始，单片机读取输入的指令，根据抽油杆18位置检测信号，判断抽油杆18是否到达限定位置，如果到达限定位置，则给出减速并换向指令，如果没有到达限定位置，则根据抽油机负荷检测信号判断负荷有无变化，若有变化则调整电动机25运行速度，若无变化，再根据转子磁极位置检测信号，输出电力电子电源控制信号，远程监控信号，故障信息经确认的故障报警信号。输出的电力电子电源控制信号输出给曳引机3的电动机25，使电动机25变速运动和正反转向运动，从而控制整个机械系统运动，完成抽油做功。
本发明的控制系统框图，如图6所示，将外部信号输入给单片机，单片机(或PLC)对输入信号进行分析、计算后将控制信号输出给电力电子电源，电力电子电源通过该指令为电动机25提供需要的电压和电流。外部输入信号包括外部指令集，抽油杆18位置检测，抽油机负荷检测，转子磁极检测。外部指令集是运行或检修人员对抽油机发出的运行或停止指令、每分钟抽油杆18往复次数调节指令、故障复位指令、故障确认指令等给定的指令集，即人对系统的控制意图。抽油杆18位置检测，包括无接触式位置开关检测抽油杆18的上下运动位置和极限保护位置。抽油机负荷检测是通过与电力电子电源之间的数据交换，检测抽油机系统的输入电功率来判断抽油机的负荷，实现抽油机运行速度的自适应控制。转子磁极检测是利用数字式旋转编码器实时检测转子磁极位置角，实现闭环系统的最佳负载角控制。系统输出包括：故障与提示输出信号，远程监控信号传输，电力电子电源的控制指令。故障与提示输出信号，包括故障报警指示信号、故障点提示等信号组成。远程监控信号传输，通过无线(GSM)或有线将抽油机运行工况进行远程传输，并可以对抽油机进行远程监控。电力电子电源是变频器或其它相应的电力电子调节器，通过该种电源实现曳引机3的变速运行和正反转向控制。