智能抽油机控制器的研究

高 宇

（沈阳职业技术学院，沈阳 110045）

0 引言

在石油工业中，抽油机电机的电能消耗约占石油领域总电能消耗的40%。因为抽油机的负载转矩随着其上下行程而波动，抽油机电机的负载率周期性变化，而且，抽油机电机需要一个大的起动转矩用于抽油机的操作需求。通常，抽油机电机的平均负载率小于额定值的30%，因此电能浪费相当巨大。

为了节约能源实现自动控制，在本文中重点论述一种抽油机智能控制器。

智能控制器具备如下功能：

1）能够优化抽油机电机的功率因数和性能，自动调整负载波动的抽油机电机端电压。

2）抽油机的占空比能够按照不同油井的不同储量的实际情况设定。

3）抽油机的停止位置能够选择在最接近负载转矩平均测量点游梁摆动的角度，以便软启动器能够进行再一次的启动。

4）抽油机电机的超载，丢相及其他故障，能够被检测以便于保护电机。

5）抽油机电机能与中控计算机通信，抽油机电机的运行状态能被中控计算机所监控。

1 抽油机电机负载性和节能原理

如图1所示，很明显，抽油机电机负载转矩在上冲程和下冲程之间有很大的不同。实际上，负载转矩在不同的油井中特性并不相同，抽油机电机负载转矩有以下特性：

1）抽油机电机负载转矩是每分钟6－12次的

图1 抽油机电机负载转矩特性随时间变化曲线

频率波动的。

2）平均负载转矩通常是最大转矩的1/3在贫油井中会更少。

3）因为经常重载启动，抽油机电机需要一个启动转矩裕量。

由于上述规定和限制，抽油机电机的平均负载率仅仅达到20%，极少的富油井中也不超过30%。抽油机电机的效率和功率因数非常低，因为它们多数时间在低负载条件下运行。

按照抽油机电机的负载转矩分析，我们能够制定新的能源节约策略。为了提高效率和功率因数，可以使用可控硅调节电压的方法。

图2所示为电压调整电路示意图。已知电机参数，功率因数、负载率、晶闸管的触发角之间的关系，如图3所示。图中可以看出，这里有一个最佳触发角，产生最佳的触发电压，以使功率因数达到最大。在不同的负载条件下保持功率因数为常量是不可能的，为了在不同负载转矩下使功率因数达到最大，我们必须小心控制晶闸管的触发角。当功率因数增加时，效率也因为定子电流和电压改善而提高。

一些石油含量较少的老油井，抽油机的占空比可以进行调整，以保持最佳的系统效率和更加节能。

图2 电压调整电路示意图

图3 功率因数、负载率、晶闸管的触发角之间的关系

2 智能控制器配置和控制策略

图4 智能控制器原理框图

图4所示为抽油机智能控制器的原理框图。在主电路中，三组双向晶闸管和抽油机电机串联连（如图2所示）。电机端子电压能通过晶闸管触发角进行调整。霍尔电流传感器用于检测软件启动器和过载保护时的电机电流。

零电压检测电路可以检测每相电压的过零点，它使用了同步信号触发电路和缺相保护电路。

显示电路用于显示设定值和系统工作状态。

键盘电路用于输入设定值和系统必须的参数（如：占空比、启动时间和控制参数等）。

当软启动器失效或需要快速启动时可以通过接触器直接启动。

数字触发电路产生移相触发脉冲，可以调整抽油机电机终端电压。

游梁角度测量电路通过旋转变压器测量游梁摆角。瞬时负载转矩可以通过游梁摆角的测量进行估算。

调制解调器用于与中控计算机进行通信，以监控抽油机状态。

MCS-51单片是抽油机智能控制器的核心，所有保护和控制均由MCS-51单片机执行。

控制策略和智能控制器流程如下：

正常电机软启动电流和启动时间均按设定值进行限定。当电机转速在限定的启动时间内不能达到正常值时，电机将由直接启动电路重新进行启动。

启动以后经过几个行程，抽油机电机按规范运行，游梁摆角和负载转矩的关系能够通过自学习算法进行估算。控制参数可能依不同的电机有所不同，并且，控制参数可由输入电路进行设定，一些应用在石油领域的典型电机的参数可以存在单片机系统中。

按照游梁摆角的测量值，晶闸管的触发角可以由计算机中的控制方法得出，所以可以获得不同负载率下的最大功率因数。

电机的工作和停止时间可以按照占空比的设置自动控制。计算机系统可以达到使电机下次启动仅用最小的负载转矩而确定游梁停止位置。

计算机系统可以按照定子电流和电机温度模型估算电机的温度。当电机温度超过设定值时，计算机将发出过载报警信号并使保护继电器动作。

3 仿真结果

为了估算智能控制器的节能效果，我们使用了SIMULINK软件对系统性能进行了仿真。在仿真中用了一个 8-pole 45 kw油泵电机。平均负载率采用20%，负载波动周期6秒。

因为使用晶闸管调节端电压，电机的电流和电压波形为非正统波。为了评估节能效果，一些参数被定义在非正弦波供电条件下。

其中：TL是负载波动周期

T是电压周期

Mn是额定转矩

图5 电机相电压波形

图6 电机相电流波形

抽油机电机电压和电流的仿真波形如图5和图6所示，它们的触发分别是96度。从中可以看出，电机的相电压和相电流的波形与正弦波区别较大。

不同负载条件下，限制电流在400A以下的软启动进程仿真如图7所示。图7a 中为定子电流（有效值），它反映了第一种情况，电机在最小负载启动的情况下，电机转速和负载转矩的变化；图7b反映了第二种情况，电机在最大负载启动的软启动特性。显然，电机在第一种情况比第二种情况下启动的更容易、更快。

图7 启动电流、电机转速、负载扭矩

图8所示为，具有电压调节和无电压调节时的抽油机电机功率因数对比。a图是没有电压控制器时的电机功率因数曲线，图b是使用电压控制器时的功率因数曲线。由表1可以看出，使用电压控制器后，油泵电机的平均功率因数从0.33提高到0.47，同时电机电流和输入的有功功率和无功功率同时减少。

图8 有无电压控制器时的功率因数对比

表1 仿真结果

有功功率节能率：

无功功率节能率：

这里，P和Pru分别是有、无电压控制器时有功功率的平均值。Q和Qru分别是有、无电压控制器时无功功率的平均值。

4 结论

通过以上的分析和仿真，可以得出如下结论：

1）由于游梁的周期性摆动使负载转矩发生变化，抽油机电机的功率因数不能获得预期的动态常数。

2）使用智能控制器可以调节电机的终端电压，实现最佳功率因数和最有效的控制。

3）这种新型的控制功率因数和节能的控制策略，是通过检测游梁摆角来确定瞬时负荷。

4）系统仿真显示，在使用智能控制器的情况下，无功和有功功率的节能率大约是37%和3.7%。

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