專利名稱：抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無功補償節(jié)能裝置，尤其涉及一種調(diào)節(jié)抽油機的動態(tài)無功補償節(jié)能裝置和方法。
背景技術：
目前，抽油機的電氣部分主要是由三相異步電動機和控制電路組成，電動機帶動抽油桿作往復運行，將原油源源不斷地從地下抽到地面，而抽油機負載是以抽油機沖程為周期連續(xù)變化的周期性負載。抽油桿在下降時負載很輕，相當于空載，而在上升時由于要將原油抽出地面，故負載很重，相當于滿載。因此抽油機的負載是不斷變化的，變化周期也很短，每沖次中負載變化兩次，而且重載工作時間很短。由于抽油機在抽油桿向上運動的半個周期內(nèi)電動機要克服抽油桿及采液的重力而做功；在抽油桿向下運動的半個周期內(nèi)因為抽油桿動能與平衡塊的勢能差，會出現(xiàn)電動機被拖動旋轉超過同步轉速的現(xiàn)象，此時電動機向電網(wǎng)反輸電能。所以抽油機在工作的時候有兩種不同的工作狀態(tài)一種是電機帶動機械負荷運行，此時電機的轉差率關系為O < S < I,電機為電動機作用，電機從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率；另一種是機械負荷拖動電機運行，此時電機的轉差率關系為S < O,電機為發(fā)電機工作狀態(tài)，電機從電網(wǎng)吸收無功功率，給電網(wǎng)送出有功功率。無論電動機的工作在哪種狀態(tài)，都要從電網(wǎng)吸收無功功率。其中電機處于發(fā)電狀態(tài)時，由電機理論可知，電機從電網(wǎng)吸收的無功功率即空載無功功率，而電機處于電動機狀態(tài)時，無功功率變化則與電動機負載大小有關，現(xiàn)場實際測量結果表明抽油機上、下沖程的負荷變化會引起I 4kvar無功變化。隨著油量的減少，抽油機滿載的次數(shù)逐漸減少，大部分時間是輕載或空載，而輕載和空載時的功率因數(shù)只有O. 2 O. 3，因而電動機的負載率低，功率因數(shù)更低，電能的浪費很嚴重。因此，如何提高抽油機電機的功率因數(shù)也就成為油田節(jié)能的關鍵。已經(jīng)運行的設備有普通變頻器拖動抽油機運轉，可以實現(xiàn)抽油機調(diào)速功能。普通的變頻器大都采用二極管整流橋?qū)⒔涣麟娹D化成直流，然后采用IGBT逆變技術將直流轉化成電壓頻率皆可調(diào)整的交流電動機。這種拓撲結構的變頻裝置針對游梁式抽油機由十運轉不平衡而造成的電動機“倒發(fā)電”，通常采用耗能電阻消耗的方法，但這種方法不僅會產(chǎn)生大量的諧波污染，輸出諧波較為嚴重，給電力系統(tǒng)電網(wǎng)帶來諧波污染，同時一造成大量的能源浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抽油機無功補償節(jié)能裝置，能夠提高抽油機的有功功力、降低功率損耗和電能損失。本發(fā)明采用下述技術方案
一種抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，包括數(shù)據(jù)采集控制單元、電壓采集單元、電流采集單元、整流單元、逆變單元，電網(wǎng)電壓通過濾波電路與整流單元的輸入端連接，整流單元的輸出端與逆變單元的輸入端連接，逆變單元的輸出端與抽油機電機的電源端連接，整流單元、逆變單元的信號控制端分別與數(shù)據(jù)采集控制單元的驅(qū)動信號輸出端連接；所述的電網(wǎng)電壓的輸出端設置有電壓采集單元和電流采集單元，所述的逆變單元的輸入端設置有電壓采集單元和電流采集單元，所述的抽油機的電機的電源端設置有電流采集單元，所述的電流采集單元和電壓采集單元的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集控制單元的信號輸入端連接，所述的數(shù)據(jù)采集控制單元中還設置有電壓過零信號檢測系統(tǒng)。所述的整流單元采用六個電力電子器件IGBT構成三相整流橋，其中每個IGBT的兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管；所述的逆變單元采用六個電力電子器件IGBT構成三相逆變橋，其中每個IGBT的兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管。所述的整流單元的直流輸出端之間連接有串聯(lián)的兩個電容，兩個電容的兩端均并聯(lián)有電阻。所述的整流單元的直流輸出端連接有直流母線充電電路。所述的直流母線充電電路包括變壓器、第一至第四二極管，第一二極管和第二二極管串聯(lián)組成的支路與第三二極管和第四二極管串聯(lián)組成的支路并聯(lián)，變壓器的輸入端與電網(wǎng)電壓連接，變壓器的第一輸出端連接第一二極管的正極，變壓器的第二輸出端連接第四二極管的負極，第一二極管的負極和第三二極管的負極連接直流輸出端的第一端，第三二極管的負極和第四二極管的正極連接直流輸出端的第二端。所述的數(shù)據(jù)采集控制單元的通信端與后臺監(jiān)測裝置連接。一種抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置的無功補償方法，電壓過零信號檢測系統(tǒng)在每一個電網(wǎng)過零信號到來時向數(shù)據(jù)采集控制單元和脈寬調(diào)制信號生成器發(fā)送過零中斷信號和過零邏輯信號，當數(shù)據(jù)采集控制單元響應過零中斷請求后，數(shù)據(jù)采集控制單元進入中斷服務程序，在該中斷服務程序中數(shù)據(jù)采集控制單元首先判斷信號的正誤，然后啟動每個工頻周期的第一點采樣，每個工頻周期進行12次采樣和計算；電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理后送至數(shù)據(jù)采集控制單元，數(shù)據(jù)采集控制單元對處理過后的數(shù)據(jù)進行分析處理生成PWM脈寬調(diào)制信號至驅(qū)動單元控制整流單元和逆變單元的運行，調(diào)節(jié)控制參數(shù)輸出所需波形，實時調(diào)節(jié)電壓波形以跟蹤電網(wǎng)，調(diào)節(jié)電流波形和相位以實現(xiàn)所需功率因數(shù)以及穩(wěn)定直流電壓。所述的電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理式采用12點傅氏算法進行計算電壓電流采樣計算。本發(fā)明抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置可補償沖擊性負載的無功功率，平衡三相有功電流，能夠使抽油機持續(xù)不斷地抽油，又能使抽油機根據(jù)油量而間歇性運行或降頻運行，自動動態(tài)調(diào)整抽取速度，減少了無功損耗，還可以提高設備的有功，提高了功率因數(shù)，降低電能損失；本裝置自身產(chǎn)生的諧波含量極低，對電網(wǎng)無干擾，并且也提高了電網(wǎng)質(zhì)量，大大減小了供電電流，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔，減低了線損，節(jié)約了電能，既減少了能耗又提高了出油率，節(jié)能高效。


圖1為本發(fā)明的電路原理 圖2為本發(fā)明中直流母線充電電路的原理圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，包括數(shù)據(jù)采集控制單元10、電壓采集單元、電流采集單元、整流單元8、逆變單元9，電網(wǎng)電壓通過濾波電路(電容Cl、C2、C3和電抗器L1、L2、L3構成)與整流單元8的輸入端連接，整流單元8的輸出端與逆變單元9的輸入端連接，逆變單元9的輸出端與抽油機電機M的電源端連接；其中所述的整流單元8采用六個電力電子器件IGBT構成三相整流橋，其中每個IGBT的兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管；所述的逆變單元9采用六個電力電子器件IGBT構成三相逆變橋，其中每個IGBT的兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管，每個IGBT的柵極分別與數(shù)據(jù)采集控制單元10的驅(qū)動信號輸出端連接，數(shù)據(jù)采集控制單元10采用DSP處理器，DSP處理器10的通信端與后臺監(jiān)測裝置連接。其中電網(wǎng)電壓的輸出端設置有交流電壓采集單元I和交流電流采集單元2，整流單元8的輸出端設置有直流電流采集單元3，逆變單元9的輸入端設置有直流電壓采集單元5和直流電流采集單元4、直流電壓采集單元6，所述的抽油機的電機M的電源端設置有交流電流采集單元7，所述的交流電壓采集單元1、交流電流采集單元2、直流電流采集單元3、直流電壓采集單元5、直流電流采集單元4、直流電壓采集單元6、交流電流采集單元7的信號輸出端分別與數(shù)據(jù)采集控制單元10的信號輸入端連接，數(shù)據(jù)采集控制單元10的通信端與后臺監(jiān)測裝置連接。所述的整流單元8的直流輸出端P、N之間連接有串聯(lián)的兩個電容C4、C5，電容C4、C5的兩端分別并聯(lián)有電阻R2和電阻Rl ;整流單元8的直流輸出端P、N還連接有直流母線充電電路，直流母線充電電路包括變壓器T、第一至第四二極管Dl、D2、D3、D4，第一二極管Dl和第二二極管D2串聯(lián)組成的支路與第三二極管D3和第四二極管D4串聯(lián)組成的支路并聯(lián)，變壓器T的輸入端與電網(wǎng)電壓連接，變壓器T的第一輸出端連接第一二極管Dl的正極，變壓器T的第二輸出端連接第四二極管D4的負極，第一二極管Dl的負極和第三二極管D3的負極連接直流輸出端的第一端(P端)，第三二極管D3的負極和第四二極管D4的正極連接直流輸出端的第二端(N端)。逆變單元9的輸入端之間連接有電容C6，逆變單元9的輸入端之間還連接有能耗制動電路，包括制動電阻R3和電力電子器件IGBT，逆變單元9的輸入端的第一端連接制動電阻R3，制動電阻R3的另一端連接IGBT的集電極，IGBT的發(fā)射極連接逆變單元9的輸入端的第二端，IGBT的發(fā)射極和集電極兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管，IGBT的柵極與數(shù)據(jù)采集控制單元10的驅(qū)動信號輸出端連接。如圖1所示，本發(fā)明采用的是注入電流的補償方式，即通過向系統(tǒng)注入與需要補償?shù)闹C波和無功電流相等的電流來實現(xiàn)補償，數(shù)據(jù)采集控制單元10實時向各電壓采集單元和電流采集單元進行采樣，根據(jù)采樣到的信號進行分析出需要補償?shù)闹C波和無功電流分量，然后計算出控制IGBT的空間電壓矢量PWM控制信號，輸出IGBT的柵極開關驅(qū)動信號，穩(wěn)定交流側和直流側的電壓，整個裝置的響應時間達到毫秒級，可以非?？焖俚难a償瞬時負荷，非常適合負載變化快、沖擊性負載。一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，并且可以實現(xiàn)能量雙向流動功能，基本不產(chǎn)生諧波，消除對電網(wǎng)的諧波污染，實現(xiàn)功率因素可調(diào)節(jié)，通常保持在I附近。當抽油機的電動機M處于發(fā)電狀態(tài)時，逆變模塊和整流模塊功能互換，實現(xiàn)能量的雙向流動，并且實現(xiàn)功率因素為I的電能回饋，不污染電網(wǎng)。此裝置在油田運行后基本解決了油田的無功功率補償問題，實現(xiàn)了油田的無功就地補償功能，基本消除線路上的損耗，以及無功引起線路上的電壓降落，穩(wěn)定了油田電網(wǎng)的末端電壓，增大了抽油機電動機的有功出力。
所述的數(shù)據(jù)采集控制單元中還設置有電壓過零信號檢測系統(tǒng)。無功補償方法，其特征在于電壓過零信號檢測系統(tǒng)在每一個電網(wǎng)過零信號到來時向數(shù)據(jù)采集控制單元和脈寬調(diào)制信號生成器發(fā)送過零中斷信號和過零邏輯信號，當數(shù)據(jù)采集控制單元響應過零中斷請求后，數(shù)據(jù)采集控制單元進入中斷服務程序，在該中斷服務程序中數(shù)據(jù)采集控制單元首先判斷信號的正誤，然后啟動每個工頻周期的第一點采樣，每個工頻周期進行12次采樣和計算；電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理后送至數(shù)據(jù)采集控制單元，數(shù)據(jù)采集控制單元對處理過后的數(shù)據(jù)進行分析處理生成PWM脈寬調(diào)制信號至驅(qū)動單元控制整流單元和逆變單元的運行，調(diào)節(jié)控制參數(shù)輸出所需波形，實時調(diào)節(jié)電壓波形以跟蹤電網(wǎng)，調(diào)節(jié)電流波形和相位以實現(xiàn)所需功率因數(shù)以及穩(wěn)定直流電壓。所述的電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理式采用12點傅氏算法進行計算電壓電流采樣計算
運用12點傅氏算法進行電壓電流采樣計算
權利要求
1.一種抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，其特征在于包括數(shù)據(jù)采集控制單元、電壓采集單元、電流采集單元、整流單元、逆變單元，電網(wǎng)電壓通過濾波電路與整流單元的輸入端連接，整流單元的輸出端與逆變單元的輸入端連接，逆變單元的輸出端與抽油機電機的電源端連接，整流單元、逆變單元的信號控制端分別與數(shù)據(jù)采集控制單元的驅(qū)動信號輸出端連接；所述的電網(wǎng)電壓的輸出端設置有電壓采集單元和電流采集單元，所述的逆變單元的輸入端設置有電壓采集單元和電流采集單元，所述的抽油機的電機的電源端設置有電流采集單元，所述的電流采集單元和電壓采集單元的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集控制單元的信號輸入端連接，所述的數(shù)據(jù)采集控制單元中還設置有電壓過零信號檢測系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，其特征在于所述的整流單元采用六個電力電子器件IGBT構成三相整流橋，其中每個IGBT的兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管； 所述的逆變單元采用六個電力電子器件IGBT構成三相逆變橋，其中每個IGBT的兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管。
3.根據(jù)權利要求2所述的抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，其特征在于所述的整流單元的直流輸出端之間連接有串聯(lián)的兩個電容，兩個電容的兩端均并聯(lián)有電阻。
4.根據(jù)權利要求3所述的抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，其特征在于所述的整流單元的直流輸出端連接有直流母線充電電路。
5.根據(jù)權利要求4所述的抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，其特征在于所述的直流母線充電電路包括變壓器、第一至第四二極管，第一二極管和第二二極管串聯(lián)組成的支路與第三二極管和第四二極管串聯(lián)組成的支路并聯(lián)，變壓器的輸入端與電網(wǎng)電壓連接，變壓器的第一輸出端連接第一二極管的正極，變壓器的第二輸出端連接第四二極管的負極，第一二極管的負極和第三二極管的負極連接直流輸出端的第一端，第三二極管的負極和第四二極管的正極連接直流輸出端的第二端。
6.根據(jù)權利要求5所述的抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集控制單元的通信端與后臺監(jiān)測裝置連接。
7.根據(jù)權利要求1所述的抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置的無功補償方法，其特征在于電壓過零信號檢測系統(tǒng)在每一個電網(wǎng)過零信號到來時向數(shù)據(jù)采集控制單元和脈寬調(diào)制信號生成器發(fā)送過零中斷信號和過零邏輯信號，當數(shù)據(jù)采集控制單元響應過零中斷請求后，數(shù)據(jù)采集控制單元進入中斷服務程序，在該中斷服務程序中數(shù)據(jù)采集控制單元首先判斷信號的正誤，然后啟動每個工頻周期的第一點采樣，每個工頻周期進行12次采樣和計算；電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理后送至數(shù)據(jù)采集控制單元，數(shù)據(jù)采集控制單元對處理過后的數(shù)據(jù)進行分析處理生成PWM脈寬調(diào)制信號至驅(qū)動單元控制整流單元和逆變單元的運行，調(diào)節(jié)控制參數(shù)輸出所需波形，實時調(diào)節(jié)電壓波形以跟蹤電網(wǎng)，調(diào)節(jié)電流波形和相位以實現(xiàn)所需功率因數(shù)以及穩(wěn)定直流電壓。
8.根據(jù)權利要求7所述的無功補償方法，其特征在于所述的電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理式采用12點傅氏算法進行計算電壓電流采樣計算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抽油機動態(tài)無功補償節(jié)能裝置，包括數(shù)據(jù)采集控制單元、電壓采集單元、電流采集單元、整流單元、逆變單元，電網(wǎng)電壓通過濾波電路與整流單元的輸入端連接，整流單元的輸出端與逆變單元的輸入端連接，逆變單元的輸出端與抽油機電機的電源端連接，整流單元、逆變單元的信號控制端分別與數(shù)據(jù)采集控制單元的驅(qū)動信號輸出端連接；還設置有電壓采集單元和電流采集單元，各電流、電壓采集單元的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集控制單元的信號輸入端連接，所述的數(shù)據(jù)采集控制單元中還設置有電壓過零信號檢測系統(tǒng)。本發(fā)明可補償沖擊性負載的無功功率，平衡三相有功電流，能夠使抽油機持續(xù)不斷地抽油，又能使抽油機根據(jù)油量而間歇性運行或降頻運行，自動動態(tài)調(diào)整抽取速度，提高了功率因數(shù)，降低電能損失。
文檔編號H02J3/18GK103023047SQ20121053345
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權日2011年12月12日
發(fā)明者武偉偉, 龍翔, 陸繼明, 楊繼兵 申請人:河南恩耐基電氣有限公司