发明内容
本发明的第一目的是针对现有技术“倒发电”造成能源损耗的技术问题,提供一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制方法,彻底消除了抽油机拖动异步电机的“倒发电”现象;进一步地,本发明还针对现有技术电机功率因数偏低的技术问题,在异步电机电动状态阶段进行无功补偿,将消除“倒发电”现象和无功补偿综合考虑,实现最佳的节能效果。
本发明的第二目的是在本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法基础上,提供一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制装置。
为实现本发明的第一目的,本发明提供了一种游梁式抽油机异步电机节能控制方法,包括步骤:
步骤10、在异步电机通电运行状态下,数据采集单元实时采集异步电机运行时的电压和电流瞬时值,并将电压和电流数据传输给计算机控制器;
步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状态时,输出控制信号给驱动单元;
步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接;
步骤40、异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电***,数据采集单元实时采集所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流瞬时值,并将电压和电流数据传输给计算机控制器;
步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流数据判断异步电机进入电动状态时,输出控制信号给驱动单元;
步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接。
其中,所述步骤20具体为:
步骤201、计算机控制器根据所述电压和电流数据计算异步电机有功功率值;
步骤202、当所述有功功率值小于功率预设值时,计算机控制器判断异步电机开始进入发电状态;
步骤203、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。
其中,所述步骤50具体为:
步骤501、计算机控制器的软仪表单元根据所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流数据计算异步电机的转速;
步骤502、计算机控制器计算所述转速与异步电机同步转速的差值;
步骤503、当所述差值小于预设差值时,计算机控制器判断异步电机开始进入电动状态;
步骤504、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。
在上述技术方案中,所述步骤30后、步骤40前还包括一与异步电机串联的伪负载和稳频稳压电路控制异步电机转速的步骤,具体为:
步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压;
步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时,稳频稳压电路的可控硅导通,伪负载消耗超临界能量;
步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时,稳频稳压电路的可控硅关断。
在上述技术方案中,所述步骤60后还包括将无功补偿电容器并联接入交流电源的步骤,相应地,在下一个循环的步骤20后、步骤30前还包括切断无功补偿电容器与交流电源连接的步骤。
为实现本发明的第二目的,本发明还提供了一种游梁式抽油机异步电机节能控制装置,包括连接在异步电机和交流电源回路上的第一开关组件和与异步电机连接的空载励磁电容器,所述第一开关组件与一控制其接通或断开的驱动单元连接,所述驱动单元与一发出接通或断开控制信号的计算机控制器连接,所述计算机控制器与一采集所述异步电机电压和电流瞬时值的数据采集单元连接。
所述计算机控制器包括串接的控制单元和软仪表单元,所述仪表单元与所述数据采集单元连接,用于根据接收到的电压和电流数据计算异步电机的转速和有功功率值,所述控制单元与所述驱动单元连接,用于根据所述有功功率或转速值判断异步电机进入发电或电动状态的时刻,并向驱动单元发出断开或接通控制信号。
在上述技术方案中,所述异步电机还与一串联的伪负载和稳频稳压电路连接,所述稳频稳压电路为多挡调节的双向可控硅电路,所述伪负载为串接的电阻和电容。所述交流电源还并联一串接的第二开关组件和无功补偿电容器,所述第二开关组件与所述驱动单元连接。第一开关组件为并联的电子调压开关和机械开关,第二开关组件为并联的电子开关和机械开关,分别与所述驱动单元连接。
本发明提供了一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制装置,有针对性地从三个方面解决现有技术存在的问题。其一,从根本上彻底消除了现有技术“倒发电”现象,实现环保节能;其二,利用异步电机所发能量进行转速测量,充分利用现有技术浪费的能源;其三,使用自动电容器补偿,提高异步电机电动状态的功率因数,实现本发明在各种工况下全面节能的目的。
本发明基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制装置的技术特点突出体现在发电状态阶段,一方面将异步电机从电网断开,另一方面使异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电***,空载励磁电容器起到励磁作用而产生空载电压,使计算机控制器可以通过数据采集单元获得异步电机的电压和电流数据,从而计算出异步电机转速,因此可以实现异步电机进入电动状态时刻的判断。本发明技术方案既不同于现有技术的简单断电,又与将异步电机轴与抽油杆离合的现有技术有本质区别,不但彻底消除了“倒发电”对电网的不良影响,而且通过孤岛发电技术充分利用异步电机所发电能进行数据采集,变“倒发电”不利因素为有利能量,因此最大程度地实现了节能效果。
本发明还提出了异步电机与串联的伪负载和稳频稳压电路连接的优选方案,当异步电机的转速超过安全临界转速时,通过稳频稳压电路自动释放异步电机所储存的能量,将其转速降低到预设安全临界转速范围以内,有效地解决了异步电机转速失控问题,提高了本发明的可实施性和可靠性。
本发明进一步提出了将一无功补偿电容器接入交流电源回路的优选技术方案,当异步电机处于电动状态时,无功补偿电容器被自动投入,从而提高异步电机的功率因数,使本发明在各种工况下均有明显的节能效果。当异步电机处于发电状态时,无功补偿电容器被自动切除,消除了现有技术无功补偿电容器使异步电机发电效应增强、带来新的电能浪费的技术缺陷。
本发明第一开关组件采用相互并联的电子调压开关和机械开关、第二开关组件采用相互并联的电子开关和机械开关,电子开关负责电流过零时的切除和电压过零的无暂态投入,而电子调压开关负责电流过零时的切除和电压从零逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击,在异步电机或电容器正常运行时接入机械开关。该方案既可消除单独使用电子开关运行造成的新的热能耗,又解决单独使用机械开关由于动作频繁而寿命有限问题,同时又具有减小***电流冲击、提高***运行可靠性和进一步节能效果。
本发明对稳频稳压电路进行了合理设计,分N挡进行调节,控制负载从无到有、从小到大变化,使超过临界的能量不断被新增的伪负载消耗掉,很好地起到了稳压稳频作用。此外,本发明针对并联电容时自励异步发电机存在电压变化率过高的技术问题,采用串联电容CA提供附加的容性无功,使异步电机的电压变化率得以改善,当空载励磁电容器和串联电容CA配合适当时,可使输出电压基本不变,起到稳压作用。
综上所述,本发明将消除倒发电现象、无功补偿和转速控制综合考虑,既能完全消除抽油机拖动异步电机的倒发电现象,又充分利用异步电机所发电能进行转速测量;既利用稳频稳压电路有效地解决转速失控问题,又能在异步电机的电动状态进行无功补偿,是一种最佳的节能方案。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
图1为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法的流程图,包括步骤:
步骤10、在异步电机通电运行状态下,数据采集单元实时采集异步电机运行时的电压和电流瞬时值,并将电压和电流数据传输给计算机控制器;
步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状态时,输出控制信号给驱动单元;
步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接;
步骤40、异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电***,数据采集单元实时采集所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流瞬时值,并将电压和电流数据传输给计算机控制器;
步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流数据判断异步电机进入电动状态时,输出控制信号给驱动单元;
步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接,返回执行步骤10,进入下一个工作循环。
本发明根据现有游梁式抽油机异步电机的实际运行情况,将其一个循环周期内的运行分为两个阶段:电动状态阶段和发电状态阶段。在异步电机电动状态阶段,通过采集异步电机运行的电压和电流瞬时值,判断异步电机发电状态的开始时刻;当异步电机进入发电状态时将异步电机从电网断开,使异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电***,通过采集孤岛发电***中异步电机的电压和电流瞬时值,又可以判断异步电机电动状态的开始时刻;当异步电机进入电动状态时将异步电机投入电网,如此周而复始,形成本发明彻底消除“倒发电”现象的工作循环。上述技术方案的突出特点体现在发电状态阶段,一方面将异步电机从电网断开,另一方面使异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电***,空载励磁电容器起到励磁作用而产生空载电压,使计算机控制器可以通过数据采集单元获得异步电机电压和电流数据,从而计算出异步电机转速,因此可以实现异步电机进入电动状态时刻的判断。本发明技术方案既不同于现有技术的简单断电,又与将异步电机轴与抽油杆离合的现有技术有本质区别,不但彻底消除了“倒发电”对电网的不良影响,而且通过孤岛发电技术充分利用异步电机所发电能量信号进行数据采集,变“倒发电”的不利因素为有利能量,因此最大程度地实现了节能效果。
图2为本发明计算机控制器判断异步电机进入发电状态时刻的流程图,具体为:
步骤201、计算机控制器根据所述电压和电流数据计算异步电机有功功率值;
步骤202、当所述有功功率值小于功率预设值时,计算机控制器判定异步电机开始进入发电状态;
步骤203、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。
本发明采用异步电机有功功率计算方式实现异步电机进入发电状态时刻的判断,即通过有功功率值过零点来判断倒发电发生时刻。
图3为本发明计算机控制器判断异步电机进入电动状态时刻的流程图,具体为:
步骤501、计算机控制器的软仪表单元根据所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流数据计算异步电机的转速;
步骤502、计算机控制器计算所述转速与异步电机同步转速的差值;
步骤503、当所述差值小于预设差值时,计算机控制器判定异步电机开始进入电动状态;
步骤504、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。
本发明采用异步电机转速在线非接触软测量方式实现异步电机进入电动状态时刻的判断,即通过该转速接近异步电机同步转速来判断发电状态结束时刻。
由上述技术方案可以看出,本发明仅需采集异步电机的电压和电流数据即可完成二个状态阶段的判断,状态判断的关键参数:异步电机的转速测量采用非接触软测量方式,使本发明具有结构简单、***运行可靠、控制精度高、动态响应快和易于实施等特点。
在本发明上述技术方案中,异步电机与一串联的伪负载和稳频稳压电路连接,实现将异步电机的转速控制在安全临界范围内,步骤具体为:
步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压;
步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时,稳频稳压电路的可控硅导通,伪负载消耗超临界能量;
步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时,稳频稳压电路的可控硅关断。
异步电机的的空载电压高于预设安全临界电压意味着异步电机的转速超过安全临界转速,需要通过稳频稳压电路自动释放异步电机所储存的能量,将其转速降低到预设安全临界转速范围以内。本发明上述技术方案有效地解决了异步电机转速失控问题,提高了本发明的可实施性和可靠性。
在本发明上述技术方案中,当异步电机进入电动状态后,可以将一无功补偿电容器并联接入交流电源回路,以实现在电动状态对异步电机进行无功补偿,进一步提高本发明的节能效果。具体地,在步骤60后设置驱动单元控制第二开关组件闭合、将无功补偿电容器并联接入交流电源的步骤61,相应地,在下一个循环的步骤20后、步骤30前设置驱动单元控制第二开关组件断开、切断无功补偿电容器与交流电源连接的步骤21。该方案实现了当异步电机处于电动状态时,通过投入无功补偿电容器从而提高其功率因数,使本发明在各种工况下均有明显的节能效果。当异步电机处于发电状态时,无功补偿电容器被切除,消除了现有技术无功补偿电容器使异步电机发电效应增强、带来新的电能浪费的技术缺陷。
图4为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法优选方案的流程图,具体为:
步骤10、在异步电机通电运行状态下,数据采集单元实时采集异步电机运行时的电压和电流瞬时值,并将电压和电流数据传输给计算机控制器;
步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状态时,输出控制信号给驱动单元;
步骤21、驱动单元控制第二开关组件断开,切断无功补偿电容器与交流电源的连接;
步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接;
步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压;
步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时,稳频稳压电路的可控硅导通,伪负载消耗超临界能量;
步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时,稳频稳压电路的可控硅关断;
步骤40、数据采集单元实时采集所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流瞬时值,并将电压和电流数据传输给计算机控制器;
步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电***中异步电机的电压和电流数据判断异步电机进入电动状态时,输出控制信号给驱动单元;
步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接;
步骤61、驱动单元控制第二开关组件将无功补偿电容器并联接入交流电源,返回执行步骤10,进入下一个工作循环。
在上述技术方案中,第一开关组件是由并联的电子调压开关和机械开关组成,第二开关组件是由并联的电子开关和机械开关组成,均是为了达到减小***冲击电流、提高***运行可靠性和进一步节能的目的。
图5为本发明第一、第二开关组件断开过程的流程图,具体为:
步骤110、驱动单元控制电子开关闭合;
步骤120、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经闭合,闭合成功时执行步骤130,否则故障报警;
步骤130、驱动单元控制机械开关断开;
步骤140、计算机控制器通过数据采集单元检测所述机械开关是否已经断开,断开成功时执行步骤150,否则故障报警;
步骤150、驱动单元控制电子开关断开;
步骤160、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经断开,断开成功时执行步骤170,否则故障报警;
步骤170、断开完毕。
图6为本发明第一、第二开关组件闭合过程的流程图,具体为:
步骤210、驱动单元控制电子开关闭合;
步骤220、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经闭合,闭合成功时执行步骤230,否则故障报警;
步骤230、驱动单元控制机械开关闭合;
步骤240、计算机控制器通过数据采集单元检测所述机械开关是否已经闭合,闭合成功时执行步骤250,否则故障报警;
步骤250、驱动单元控制电子开关断开;
步骤260、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经断开,断开成功时执行步骤270,否则故障报警;
步骤270、闭合完毕。
第一开关组件闭合过程的步骤210为驱动单元控制电子调压开关完成调压过程,其余步骤与图6所示流程相同。
从本发明图5、图6的技术方案可以看出,电子开关负责电流过零时的切除和电压过零的无暂态投入,而电子调压开关负责电流过零时的切除和电压从零逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击,在异步电机或电容器正常运行时接入机械开关。该方案既可消除单独使用电子开关运行造成的新的热能耗,又解决单独使用机械开关由于动作频繁而寿命有限问题,同时又具有节能效果。上述技术方案中的故障报警也可以设置成本发明退出运行,或报警后本发明退出运行,但无论设置成何种动作,原***均能正常运行。
本发明上述技术方案中涉及的异步电机同步转速、安全临界转速、预设安全临界电压等参数是预先在计算机控制器中设置的。考虑到不同环境、不同工况下异步电机的工作状态不同,本发明可以通过学习流程使上述参数的设置更加准确。在本发明第一次投入运行的学习流程中,计算机控制器采集抽油机的工作循环周期数据后,确定抽油机异步电机一个工作循环周期内的参数值。同时,本发明还可以设置成***正常运行的每隔一定时间间隔自动学习,不断更新计算机控制器所需要的参数,使本发明的控制精度更高,节能效果更显著。
图7为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置结构示意图,图中粗线表示强电电路,细线表示弱电电路。如图7所示,本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置包括计算机控制器19、驱动单元18、数据采集单元16、空载励磁电容器11和第一开关组件30。其中,第一开关组件30串接在交流电源2和异步电机5的回路中,负责异步电机5与交流电源2的接通和断开;空载励磁电容器11与异步电机5连接,当异步电机5与交流电源2断开后作为发电机运行时,空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压;驱动单元18分别连接计算机控制器19和第一开关组件30,接收计算机控制器19发出的控制信号,控制第一开关组件30进行接通和断开动作;数据采集单元16则负责采集异步电机5的电压和电流瞬时值,并将数据发送给计算机控制器19。本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置的工作过程为:异步电机5运行在电动状态下,数据采集单元16实时采集异步电机5运行时的电压和电流瞬时值,并将数据传送给计算机控制器19;计算机控制器19判断异步电机5进入发电状态时,向驱动单元18输出控制信号;驱动单元18控制第一开关组件30断开,切断异步电机5与交流电源2的连接;异步电机5与空载励磁电容器11形成孤岛发电***,空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压;数据采集单元16实时采集孤岛发电***中异步电机5的电压和电流瞬时值,并将数据传输给计算机控制器19;计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时,向驱动单元18输出控制信号;驱动单元18控制第一开关组件30闭合,恢复异步电机5与交流电源2的连接,异步电机5重新运行在电动状态;如此周而复始,即为本发明完整的工作循环。
上述技术方案的核心体现在异步电机5的发电状态阶段,虽然此时异步电机5已与交流电源2断开,处于失电状态,但本发明设置了与异步电机5连接的空载励磁电容器11,使异步电机5和空载励磁电容器11形成孤岛发电***,空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压,这样就可以测量异步电机5的空载电压频率,使计算机控制器19通过数据采集单元16获得异步电机5的运行参数,因此可以实现对异步电机5进入电动状态时刻的判断。本发明空载励磁电容器11可以为三角形接法的励磁电容器,也可以采用星形接法的励磁电容器。由此可以看出,本发明上述技术方案既实现了在异步电机5发电状态的断电,使异步电机5所产生的电能不会对电网产生干扰和污染,又通过与空载励磁电容器11形成合理设计的孤岛发电***,将异步电机5所产生的电能充分利用于数据采集,变“倒发电”的不利因素为有利能量,同时还具备电能储存功能,因此最大程度地实现了节能。
本发明计算机控制器19包括串接的控制单元191和软仪表单元192,其中软仪表单元192与数据采集单元16连接,用于根据接收到的电压和电流数据计算异步电机5的转速和有功功率值,控制单元191与驱动单元18连接,用于根据软仪表单元192输出的计算结果判断异步电机5进入发电状态或电动状态的时刻,并向驱动单元18发出断开或接通控制信号。具体地,在异步电机5处于电动状态阶段,软仪表单元192计算其有功功率值,控制单元191通过有功功率值过零点来判断倒发电发生时刻。在异步电机5处于发电状态阶段,软仪表单元192计算其转速,控制单元191通过转速接近异步电机同步转速来判断倒发电结束时刻。由于本发明引入孤岛发电技术,一个数据采集单元16即可完成二个状态阶段异步电机5的电压和电流数据采集,并通过设置软仪表单元192来实现异步电机5电动、发电状态的判断,较之现有技术采用机械的转速测量装置,本发明具有控制精度高、动态响应快、结构简单、***运行可靠和易于实现等特点。
图8为本发明优选方案的结构示意图,图中粗线表示强电电路,细线表示弱电电路。在图8所示的优选技术方案中,异步电机5与串联的伪负载21和稳频稳压电路17连接。在图7技术方案基础上,稳频稳压电路17的工作过程为:当异步电机5进入发电状态后,异步电机5与空载励磁电容器11形成孤岛发电***,空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压,稳频稳压电路17自动监测异步电机的空载电压,当异步电机的空载电压高于预设安全临界电压时,稳频稳压电路17的可控硅导通,伪负载消耗超临界能量,直到异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内。
在上述优选技术方案中,异步电机的空载电压高于预设安全临界电压意味着异步电机5的转速超过安全临界转速,需要通过稳频稳压电路17自动释放异步电机所储存的能量,将其转速降低到预设安全临界转速范围以内。所以本发明通过接入稳频稳压电路17和伪负载21有效地解决了异步电机5转速失控问题,提高了本发明的可实施性和可靠性。此外,伪负载21由电容器和电阻器串联组成,针对并联电容时自励异步发电机存在电压变化率过高的技术问题,本发明采用串联电容提供附加的容性无功,使异步电机的电压变化率得以改善。
在图8所示的优选技术方案中,交流电源2还可通过一第二开关组件40与一无功补偿电容器26并联,以实现在电动状态对异步电机5进行无功补偿,进一步提高本发明的节能效果。具体地,第二开关组件40和无功补偿电容器26串接,第二开关组件40与驱动单元18连接,用于接通或断开无功补偿电容器26。在图7技术方案基础上,无功补偿电容器26投入、断开的工作过程为:当异步电机5进入电动状态后,计算机控制器19输出控制信号给驱动单元18,驱动单元18先控制第一开关组件30闭合,将异步电机5接入交流电源2,然后再控制第二开关组件40闭合,投入无功补偿电容器26。当异步电机5进入发电状态后,驱动单元18控制第二开关组件40断开,首先去除无功补偿电容器26,然后再断开第一开关组件30。本发明通过设置无功补偿电容器26提高了异步电机5的功率因数,使异步电机5在电动状态也具有优良的节能性能。当异步电机处于发电状态时,无功补偿电容器被自动切除,消除了现有技术无功补偿电容器使异步电机发电效应增强、带来新的电能浪费的技术缺陷。
在本发明上述技术方案中,第一开关组件30为并联的电子调压开关和机械开关,第二开关组件40为并联的电子开关和机械开关,分别与驱动单元18连接。其中,电子调压开关负责异步电机5的电流过零时的切除和电压从零逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击,而电子开关除不具有调压功能外其余功能与电子调压开关功能相同。其工作程序是先闭合电子开关或电子调压开关,再闭合或断开机械开关,当机械开关动作完成后,最后将电子开关或电子调压开关断开。计算机控制器19通过数据采集单元16检测电子开关和机械开关的动作结果,当前面动作完成正确后再进行下一步动作,保证了***控制的可靠性。本发明的电子开关优选为可控器件如可控硅或IGBT等,机械开关优选为交流接触器。该方案既可消除单独使用电子开关运行造成的新的热能耗,又解决单独使用机械开关由于带负载动作频繁而寿命有限问题,同时又具有节能效果。
图9为本发明稳频稳压电路图。图9中只画出A相,B相和C相的电路与A相完全相同,分N挡进行调节。如图9所示,TA为双向可控硅,G1为TA的控制极,CA和RA为A相的电容和电阻,D1……DN为触发管,C11、C21……C1N、C2N为电容器,R1……RN为电阻器,W1……WN为电位器,N为中性线。Ua是异步电机的A相电压,U1……UN分别为A相电压经过移相与分压后施与触发管D1……DN的电压值,Ud1……UdN是触发管D1……DN的击穿电压值,Um1……UmN分别为U1……UN的幅值,α1……αN分别为U1……UN滞后Ua的电压相位角,电路设计具有α1<……<αN的关系,所以Um1>……>UmN成立。图9中的虚框对应图8中的伪负载21,由电阻RA和电容CA组成。
当异步电机5转速升高时,电压Ua随之升高,Um1……UmN也随之增大。当Um1=Ud1时,触发管D1在(90-α1)处发出脉冲,双向可控硅TA在(90-α1)被触发导通,A相的电阻RA上流过电流,消耗超临界能量,如图10所示。若转速继续升高,电压Ua进一步升高,因而会使Umi=Udi,触发管Di在(90-αi)处发出脉冲,双向可控硅TA在(90-αi)被触发导通,如图11所示。……若转速继续升高,电压Ua升高,使UmN=UdN,触发管DN在(90-αN)处发出脉冲,双向可控硅TA在(90-αN)被触发导通,如图12所示。也就是说,当异步电机转速从安全临界转速开始增加时,双向可控硅TA上的触发脉冲可以从无到有,从(90-α1)处前移到(90-αN)处,受双向可控硅TA控制的负载从无到有、从小到大变化,使超过临界能量被新增的伪负载消耗掉,起到稳频的作用。
并联电容自励异步发电机存在的突出问题是电压变化率过高,当转速升高时,异步电机端电压随之升高,相当于负载增加,为使电压维持不变,采用加大电容的做法很不方便。本发明使用串联电容CA提供附加的容性无功,使异步电机的电压变化率得以改善,当空载励磁电容器11和串联电容CA配合适当时,可使输出电压基本不变,起到稳压的作用。
图13为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置工作原理图,图中粗线表示强电电路,细线表示弱电电路。图14为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置电路图,其中图14中只重点示意了强电部分。下面通过本发明安装、调试及运行过程进一步详细说明本发明的技术方案。
A、***安装:
1、如果抽油机8原***异步电机本身没有无功补偿,则将交流电源开关1断开,将本发明接入原***,完成图14所示开关3、开关6和开关7的接法即可;
2、如果抽油机原***异步电机本身有无功补偿,则将之取消;
3、将交流电源开关1恢复闭合,原***正常工作。
B、投入运行:
1、通电前状态
开关6断开,开关7断开,开关3、交流电源开关1和原控制***开关4闭合,抽油机原控制***照常工作,本发明准备投入运行。
2、本发明通电
手动闭合开关6,电源***正常后闭合直流电源开关22,直流电源及保护电路23投入运行,计算机控制器19开始工作,进入自检状态。自检失败则退出运行。
3、本发明测试
计算机控制器19自检无误后,将计算机控制器19设定为有载测试运行方式。计算机控制器19自动进行如下操作:闭合励磁开关29,空载励磁电容器11投入运行;闭合伪负载开关20,稳频稳压电路17和伪负载21投入运行;本发明进入有载测试状态,测试内容主要包括电子调压开关9和机械开关14的控制及电流互感器10、13和15测量信号的正确性。测试成功后,使电子调压开关9和机械开关14处于断开位置,使励磁开关29、伪负载开关20处于闭合状态,转入下一步。有故障则退出运行。
4、本发明投入运行
将计算机控制器19设定为自动运行方式,计算机控制器19依次控制开关7、开关9闭合,断开开关3,本发明投入运行并与抽油机原控制***协调工作。投运失败后,断开开关6和开关7,闭合开关3,本发明退出运行。
C、学习阶段:
数据采集单元16实时采集异步电机5运行电压和电流的瞬时数据;计算机控制器19根据所采集抽油机的工作循环周期数据后开始自动学习,确定抽油机异步电机一个工作循环周期内的关键参数值:异步电机处于电动状态的时间及起点、异步电机处于发电状态的时间及起点。实时检测抽油机状况,准备进入异步电机发电状态阶段。
D、异步电机发电状态阶段:
当计算机控制器19判断异步电机5进入发电状态时,工作步骤为:
1、切除无功补偿电容器26
(I)计算机控制器19通过驱动单元18闭合电子开关24,数据采集单元16将电流互感器25的电流信号反馈给计算机控制器19,当检测到有电流存在时说明合闸成功,否则说明电子开关24故障;
(II)计算机控制器19通过驱动单元18断开机械开关27,数据采集单元16将电流互感器28的电流信号反馈给计算机控制器19,当检测到无电流存在时说明断开成功,否则说明机械开关27故障;
(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子开关24,数据采集单元16将电流互感器25的电流信号反馈给计算机控制器19,当检测到无电流存在时说明断开成功,否则说明电子开关24故障。
上述仅为切除一组无功补偿电容器过程,多组时则重复执行上述步骤。
2、切除异步电机5
(I)计算机控制器19通过驱动单元18合上电子调压开关9,数据采集单元16将电流互感器10的电流信号反馈给计算机控制器19,当检测到有电流存在时说明合闸成功,否则说明电子调压开关9故障;
(II)计算机控制器19通过驱动单元18断开机械开关14,数据采集单元16将电流互感器15的电流信号反馈给计算机控制器19,当检测到无电流存在时说明断开成功,否则说明机械开关14故障;
(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子调压开关9,数据采集单元16将电流互感器10的电流信号反馈给计算机控制器19,当检测到无电流存在时说明开关9断开成功,否则说明电子调压开关9故障。
3、计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时刻
异步电机5从电网退出后,异步电机5进入空载发电状态,并将其部分势能变成旋转的动能,空载励磁电容器11提供空载励磁,由抽油机机械***8、异步电机5、原控制***开关4、开关7、励磁开关29和空载励磁电容器组11形成孤岛发电***,同时由电流互感器13、电压互感器12、数据采集单元16和计算机控制器19构成数据采集***,采集异步电机5的电压和电流瞬时值,根据电压和电流的周期或频率在线计算异步电机5满足通电条件的参数,即异步电机5处于电动状态的时间及起点。
4、异步电机5安全临界转速和安全临界电压控制
异步电机5的空载电压建立起来以后,稳频稳压电路17自动监测异步电机5的空载电压,当高于安全临界电压时,稳频稳压电路17的可控硅导通,伪负载21消耗超临界能量,释放异步电机5所储存的能量,使异步电机5的电压降低到安全临界电压范围以内,即:使异步电机5的转速降低到安全临界转速范围以内。当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时,稳频稳压电路的可控硅关断。
5、当计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时,本发明将转入异步电机电动状态阶段运行,有故障时本发明退出运行。
E、异步电机电动状态阶段:
当计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时,本发明工作步骤为:
1、投入异步电机5
(I)计算机控制器19通过驱动单元18闭合电子调压开关9,电子调压开关9通过改变触发角逐步增大电压直到额定值,电流互感器10的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19,检测到有电流存在时说明合闸成功,否则说明电子调压开关9故障;
(II)计算机控制器19通过驱动单元18闭合机械开关14,电流互感器15的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19,检测到有电流存在时说明合闸成功,否则说明机械开关14故障;
(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子调压开关9,电流互感器10的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19,检测到无电流存在时说明开关断开成功,否则说明电子调压开关9故障。
2、投入无功补偿电容器26
(I)计算机控制器19通过驱动单元18闭合电子开关24,电流互感器25的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19,检测到有电流存在时说明合闸成功,否则说明电子开关24故障;
(II)计算机控制器19通过驱动单元18闭合机械开关27,电流互感器28的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19,检测到有电流存在时说明合闸成功,否则说明机械开关27故障;
(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子开关24,电流互感器25的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19,检测到无电流存在时说明断开成功,否则说明电子开关24故障。
上述仅为投入一组无功补偿电容器过程,多组时则重复执行上述步骤。
3、计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时刻
异步电机5进入电动运行阶段,数据采集单元16实时采集异步电机5的电压和电流瞬时值,计算机控制器19在线计算异步电机5满足断电条件的参数,即异步电机5处于发电状态的时间及起点。当计算机控制器19判断异步电机5进入发电状态时,本发明将转入异步电机发电状态阶段运行,有故障时本发明退出运行。
F、本发明退出运行
断开开关6和开关7,闭合开关3,本发明退出运行,抽油机原控制***单独工作。
在本发明运行中,开关故障可以设置成故障报警,也可以设置成本发明退出运行,或报警后本发明退出运行,但无论设置成何种动作,原***均能正常运行。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。