專利名稱：直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機電傳動裝置的控制設(shè)備，專用于油田抽油機拖動的變頻器中。
背景技術(shù)：
目前，抽油機為剛性拖動，系統(tǒng)運動獨立于負載，使得驢頭運動接近剛性的簡諧運動，減速器峰值扭矩大，扭矩不均衡程度高，沖擊負荷大，整體的動力學性能較差。表現(xiàn)出來的是電機輸出功率變化范圍很大，而平均功率卻相對較小。為了滿足這種特定負載的需要，在選擇電機額定功率時，需要以滿足抽油機最大功率為原則，其結(jié)果造成電機運行效率低和極大的能源浪費，增加了系統(tǒng)成本。而現(xiàn)有的抽油機變頻調(diào)速裝置的節(jié)能效果又不是十分顯著，況且不能實時的跟蹤負載功率的變化而改變變頻器的輸入功率和輸出功率即電動機的輸入功率，致使上述缺陷一直得不到扭轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是為了解決抽油機拖動電機的負載利用率普遍較低，能源浪費較大的問題，采用了CHMOS高性能16位單片機80C196KC技術(shù)來實時檢測抽油機變頻調(diào)速裝置變頻器的輸入功率或輸出功率，在線實時調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，人為構(gòu)造出人工抽油機拖動特性曲線，使其盡量向平均功率值趨近，達到功率變化平穩(wěn)，降低最大功率，提升最小功率，從而可以降低電機的額定功率，提高系統(tǒng)的工作效率的目的。即在功率較大時，適當?shù)慕档碗姍C轉(zhuǎn)速；在功率較小時，適當提高電機的轉(zhuǎn)速，一方面使系統(tǒng)具有較高工作效率，另一方面也保證了抽油機的沖程沖次基本不變。這樣就會使系統(tǒng)功率的變化趨勢變緩，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性拖動控制。變頻器在正常工況下，會根據(jù)電位器的設(shè)定，在一定的頻率上工作。本裝置的檢測系統(tǒng)將檢測出變頻器的輸入電壓和輸入電流或輸出電流和輸出電壓?？刂蒲b置根據(jù)檢出的電壓和電流計算出變頻器在控制裝置啟動后的一段時間內(nèi)的輸入或輸出平均功率，隨后再根據(jù)程序的設(shè)定，直接控制變頻器的給定頻率的變化即輸入功率或輸出功率的變化，使變化的輸入功率或輸出功率盡量向平均功率值趨近。使抽油機在運行過程中功率變化平穩(wěn)，降低最大功率，提升最小功率，降低電機額定功率，提高系統(tǒng)的工作效率。顯示系統(tǒng)則顯示出變頻器輸入端或輸出端的實時電壓、電流、功率、變頻器的給定頻率、頻率變化調(diào)整的范圍。
本實用新型的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的一種直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，包括變頻器，其特征在于還包括檢測模塊電路、按鍵模塊電路、中央處理模塊電路、顯示模塊電路、輸出模塊電路和控制量輸入模塊電路，其中所述的檢測模塊電路與中央處理模塊電路電連接，通過對變頻器輸入電流和輸入電壓或輸出電流和輸出電壓的檢測，將其信號經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換后送入中央處理單元；按鍵模塊電路與中央處理模塊電路電連接，將按鈕的命令信號通過光電耦合器送入中央處理單元；中央處理單元通過對程序的讀寫和信號處理將其結(jié)果和顯示量加以輸出；顯示模塊電路與中央處理單元電連接，通過驅(qū)動電路和顯示塊來顯示電壓、電流、功率、頻率及其變化范圍；輸出模塊電路接受中央處理單元的結(jié)果輸出，通過數(shù)碼轉(zhuǎn)換為模擬信號送入變頻器，對其轉(zhuǎn)數(shù)進行控制；模擬量輸入模塊電路有兩個輸出端，一端連接中央處理單元，一端接輸出模塊電路，將電位器輸出的0～10V模擬量經(jīng)運算放大電路送入中央處理單元和/或?qū)ψ冾l器的基準頻率進行控制。
所述的檢測模塊電路由電流傳感器、電壓傳感器、有效值轉(zhuǎn)換電路和所組成，檢測信號經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號VAD和電流信號1AD，進入中央處理單元。
所述的按鍵模塊電路由按鍵輸入與控制電路和光電耦合器所組成，其中所述的按鍵包括停機鍵、運行鍵、選擇鍵、增加鍵和減速鍵，按鍵命令通過光電耦合器將其送入中央處理單元。
所述的中央處理模塊電路由單片機IC1和程序存儲器IC3組成，完成程序的讀寫、各種信號的處理、顯示量和各種處理結(jié)果的輸出。
所述的顯示模塊電路由專用數(shù)碼管顯示電路和顯示塊組成，完成對八位LED數(shù)碼管TOF-5461AH的驅(qū)動和顯示控制。
所述的輸出模塊電路由數(shù)碼轉(zhuǎn)換器、單片多路開關(guān)和變頻器模擬信號輸入端所組成，其中的數(shù)碼轉(zhuǎn)換器接受中央處理單元輸出的模擬信號并將其經(jīng)多路開關(guān)輸入至變頻器。
所述的控制量輸入模塊電路由電位器和運算放大器所組成，其中的電位器輸出端一支接運算放大器，一支接輸出模塊電路，將其輸出的模擬信號經(jīng)運算放大器送入中央處理單元和/或經(jīng)單片多路開關(guān)送入變頻器模擬量輸入端。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型的優(yōu)點是顯而易見的，主要表現(xiàn)在可以使抽油機系統(tǒng)實現(xiàn)無沖擊運行，降低峰值負荷；可以大幅度降低抽油機裝機功率；降低抽油機的型號；使電機拖動功率趨于平穩(wěn)，節(jié)能效果顯著。柔性拖動與變頻拖動和工頻拖動運行狀況對比，平均單井峰值負荷分別下降6.8％，11.2％；峰值電流分別下降12.7％，30.6％；有功功率分別下降19.9％，22.2％。


圖1是電壓傳感器的線路示意圖。
圖2是電流傳感器的線路示意圖。
圖3是電壓有效值轉(zhuǎn)換電路示意圖。
圖4是電流有效值轉(zhuǎn)換電路示意圖。
圖5是按鍵模塊電路示意圖。
圖6是光電耦合器的電路示意圖。
圖7是專用數(shù)碼管顯示電路示意圖。
圖8是數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路示意圖。
圖9是電位器輸入電路示意圖。
圖10是單片多路開關(guān)電路示意圖。
圖11是中央處理模塊電路示意圖。
圖12是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖13是本實用新型控制面板的示意圖。
圖14是本實用新型的操作程序流程圖。
圖12是本實用新型的說明書摘要附圖。
圖中1、電流傳感器 2、有效值轉(zhuǎn)換器 3、電壓傳感器4、有效值轉(zhuǎn)換器 5、按鈕輸入與控制器 6、光電耦合器 7、程序存儲器8、專用數(shù)碼管顯示電路 9、顯示塊 10、數(shù)碼轉(zhuǎn)換器 11、單片多路開關(guān)12、變頻器輸入端 13、運算放大器 14、電位器 100、檢測模塊電路200、按鍵模塊電路 300、中央處理模塊電路 400、顯示模塊電路500、輸出模塊電路 600、控制量輸出模塊電路。
具體實施方式
如圖1～圖14所示，一種直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，包括變頻器，其特征在于還包括檢測模塊電路、按鍵模塊電路、中央處理模塊電路、顯示模塊電路、輸出模塊電路和控制量輸入模塊電路，其中所述的檢測模塊電路是KV50/AP型磁平衡式電壓傳感器，利用CON4的1，4角接入測量端，測量電壓時，被測電壓通過電阻R1；R2；R3；R4；R5與傳感器連接。輸出電流VIN與被測電壓成正比。該模塊中還包括KT150A型磁平衡式電流傳感器，輸出電流IIN正比于被測電流。電壓傳感器輸出的電壓VIN經(jīng)LF353運算放大器IC12A進入有效值轉(zhuǎn)換電路AD536，其輸出電壓VAD則進入單片機80C196KC；電流傳感器輸出的電流IIN經(jīng)LF353運算放大器IC12B進入有效值轉(zhuǎn)換電路AD536，其輸出電流IAD也進入單片機80C196KC。
所述的按鍵模塊電路由停機鍵(復(fù)位鍵)CON1、運行鍵CON2、選擇鍵CON3、增加鍵CON4、減小鍵CON5組成。當有按鍵信號輸入時，信號通過光電耦合器進入單片機80C196KC。
所述的顯示模塊電路接受單片機輸出顯示的內(nèi)容，通過3線串行接口傳送數(shù)據(jù)進入八位串行共陰LED數(shù)碼管動態(tài)掃描驅(qū)動電路MAX7219，使用3個接口DIN、LCK、LOAD，完成對八位LED數(shù)碼管TOF-5461AH的顯示控制和驅(qū)動。
所述的中央處理模塊電路包括單片機80C196KC和程序存儲器28C64，單片機根據(jù)采集的電流量和電壓量計算出平均功率，并實時檢測瞬時功率，依據(jù)程序的設(shè)定輸出數(shù)字量AD0-AD7，數(shù)字信號進入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路DAC0832，將輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成0-10V的模擬量CVDA。
所述的控制量輸入模塊電路由電位器和運算放大器組成，電位器輸出電壓值CVIN經(jīng)兩個運放LF353進入單片機80C196KC，電位器的另一輸出端接單片多路開關(guān)。單片多路開關(guān)CD4051是一種單端8通道開關(guān)，可由P1.5信號在X1，X2通道中選擇一個，使輸入和輸出X接通。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出的模擬量CVDA和電位器輸出電壓量CVIN，根據(jù)程序的設(shè)定選擇輸出量。輸出的模擬量進入變頻器的模擬量輸入端子，實現(xiàn)對變頻器的轉(zhuǎn)速亦即功率的控制。
權(quán)利要求1.一種直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，包括變頻器，其特征在于還包括檢測模塊電路(100)、按鍵模塊電路(200)、中央處理模塊電路(300)、顯示模塊電路(400)、輸出模塊電路(500)和控制量輸入模塊電路(600)，其中所述的檢測模塊電路(100)與中央處理模塊電路(300)電連接，通過對變頻器輸入電壓和輸入電流或輸出電流和輸出電壓的檢測，將其信號經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換后送入中央處理單元；按鍵模塊電路(200)與中央處理模塊電路(300)電連接，將按鈕的命令信號通過光電耦合器送入中央處理單元；中央處理單元通過對程序的讀寫和信號處理將其結(jié)果和顯示量加以輸出；顯示模塊電路(400)與中央處理單元電連接，通過驅(qū)動電路和顯示塊來顯示電壓、電流、功率、頻率及其變化范圍；輸出模塊電路(500)接受中央處理單元的結(jié)果輸出，通過數(shù)碼轉(zhuǎn)換為模擬信號送入變頻器，對電動機的轉(zhuǎn)數(shù)進行控制；模擬量輸入模塊電路(600)有兩個輸出端，一端連接中央處理單元，一端接輸出模塊電路，將電位器輸出的0～10V模擬量經(jīng)運算放大電路送入中央處理單元和/或?qū)ψ冾l器的基準頻率進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，其特征在于所述的檢測模塊電路由電流傳感器(1)、電壓傳感器(3)、有效值轉(zhuǎn)換電路(2)和(4)所組成，檢測信號經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號VAD和電流信號IAD，進入中央處理單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，其特征在于所述的按鍵模塊電路由按鍵輸入與控制電路(5)和光電耦合器(6)所組成，其中所述的按鍵包括停機鍵、運行鍵、選擇鍵、增加鍵和減速鍵，按鍵命令通過光電耦合器將其送入中央處理單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，其特征在于所述的中央處理模塊電路(300)由單片機IC1和程序存儲器IC3組成，完成程序的讀寫、各種信號的處理、顯示量和各種處理結(jié)果的輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，其特征在于所述的顯示模塊電路(400)由專用數(shù)碼管顯示電路(8)和顯示塊(9)組成，完成對八位LED數(shù)碼管TOF-5461AH的驅(qū)動和顯示控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，其特征在于所述的輸出模塊電路(500)由數(shù)碼轉(zhuǎn)換器(10)、單片多路開關(guān)(11)和變頻器模擬信號輸入端(12)所組成，其中的數(shù)碼轉(zhuǎn)換器接受中央處理單元輸出的模擬信號并將其經(jīng)多路開關(guān)(11)輸入至變頻器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，其特征在于所述的控制量輸入模塊電路(600)由電位器(14)和運算放大器(13)所組成，其中的電位器輸出端一支接運算放大器，一支接輸出模塊電路，將其輸出的模擬信號經(jīng)運算放大器送入中央處理單元和/或經(jīng)單片多路開關(guān)送入變頻器模擬控制輸入端。
專利摘要本實用新型公開了一種直控式抽油機柔性拖動變頻調(diào)速控制裝置，包括變頻器，其特征在于還包括檢測模塊、按鍵模塊、中央處理模塊、顯示模塊、輸出模塊和控制量輸入模塊電路，其中所述的檢測模塊和按鍵模塊電路分別將電流、電壓檢測信號和按鍵命令送入中央處理單元；中央處理單元將其結(jié)果和顯示量加以輸出或顯示，同時將其轉(zhuǎn)換為模擬信號送入變頻器的模擬控制輸入端；模擬量輸入模塊電路有兩個輸出端，其一連接中央處理單元，另端則接輸出模塊電路，將電位器輸出的0～10V模擬量送入中央處理單元和/或?qū)ψ冾l器的基準頻率進行控制。中央處理單元依據(jù)程序可將其輸出的模擬信號和/或電位器輸出的模擬信號擇一地送入變頻器，實現(xiàn)對拖動電機的變頻控制。
文檔編號H02P27/04GK2845309SQ20052014581
公開日2006年12月6日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者孫洪志, 張佳民, 陳軍 申請人:盤錦北申智能控制有限公司