CN105119311A - 抽油机的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抽油机的控制系统及其控制方法，在该抽油机的定子槽内镶嵌有一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组，三套绕组分别在电机的启动过程、上冲程过程和下冲程过程中应用，并利用本发明的控制系统及其控制方法针对不同的技术要求提出了采用无变频器和有变频器两种控制方法对电机进行控制，实现了良好的节能效果，并克服了现有技术中存在的变压器和电机的“大马拉小车”现象、最大限度的提高了电机的运转效率、减小了电机的损耗。利用超级电容进行储能，并从根本克服了机械平衡重存在的技术缺陷，具有控制精确、反应迅速、机械磨损小等特点。

Description

抽油机的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于采油机械中的抽油机控制技术领域，具体是涉及一种抽油机的控制系统及控制方法。

背景技术

现有技术中，抽油机大多采用两种供电方式：其一是，电网通过变压器直接给抽油机的电机进行供电；其二是，电网通过变压器经过二极管整流后的直流母线与变频器相连，通过变频器给电机供电。然而，上述两种供电方式中存在的技术缺陷是，由于电机启动功率和正常运行功率相差较大，以往为了满足电机在启动阶段时转矩大的技术要求，需要配备容量较大的电机，却导致了电机在正常运行的情况下也不能以满载的容量运行，进一步变压器为了配合电机的容量，在正常运行时也不能满载运行，这就造成了变压器和电机的“大马拉小车”现象的存在。此种现象的存在，直接导致电机和变压器的铁芯损耗和铜损，继而导致了电机和变压器的运转效率较低。

现有技术中，为了解决电机的“大马拉小车”的技术问题，本领域技术人员以往采取了在电机的定子槽内镶嵌了启动和工作两套绕组。在电机启动时，采用额定容量相对较大的启动绕组，而在电机正常运行时，切换到额定容量相对较小的工作绕组的技术手段克服“大马拉小车”的技术缺陷。然而，在该技术方案中，对于抽油机而言，在下冲程阶段，由于抽油机自身不能完全平衡，容易使电机产生“倒发电”现象；在上冲程阶段，电机处于电动状态。因此，启动绕组和工作绕组并不能使电机在上冲程阶段和下冲程阶段同时以额定的容量下运行。

此外，为了克服电机的“大马拉小车”的技术缺陷。本领域技术人员采用了在游梁式抽油机的后端悬挂机械平衡重原理，利用机械平衡重作为储能元件，将下冲程阶段的能量进行回收，机械平衡重作为储能元件存储电机的电能及抽油杆的重力势能，平衡重的势能增加；在上冲程阶段进行利用，机械平衡重因自身重量而自行下落，机械平衡重和电机共同作用，提升抽油杆完成抽油工作。此种利用机械平衡重的方法，虽然在一定程度上提高了电机的运行效率，但是并没有从根本上解决电机“大马拉小车”的技术缺陷。此外，采用机械平衡重的技术方案，其机械磨损较大，储能效率低；当抽油机长时间处于工作状态时，其机械参数会发生一定的变化，容易丧失理想或初始设计时的平衡状态使得抽油机产生倒发电现象，进一步地造成抽油机的机械系统的鲁棒性下降。

发明内容

为克服上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提出了针对无变频器和有变频器的两种抽油机技术方案。此两种抽油机控制系统均采用了三绕组电机和超级电容平衡重综合技术方案，解决现有技术中抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”技术缺陷，克服了机械系统磨损导致的平衡重问题。在本发明中所谓三绕组电机方案，即：在电机定子槽内镶嵌一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组(或者用以组合的方式所形成的三套绕组)，分别给电机在启动过程、上冲程过程和下冲程阶段中使用。所谓超级电容平衡重方案就是利用超级电容虚拟平衡重替代机械平衡重，从而实现超级电容储能替代机械平衡重储能，避免传统机械平衡重因机械磨损后使电机处于发电状态，进一步的，使电机在纯粹的发电和电动两种状态下工作，泾渭分明，为三绕组电机的工作提供良好的配合。

为实现上述目的本发明的第一个技术方案是：提供一种无变频器抽油机控制系统，包括；

变压器，其与电网连接，用于将电网提供的工频电源或其他高频电源进行变压处理，输出幅值经过调整的交流电源；

电网功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量经过变压器进行变压处理的电源功率和电流；

超级电容功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量超级电容经过PWM整流器后输出的功率和电流；

负载功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量负载的功率和电流；

超级电容，其与PWM整流器连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进行供电；

PWM整流器，其与变压器连接，用于把变压器输出的交流电转换成直流电；其与超级电容连接，用于将超级电容输出的直流电转换为交流电。

控制器，其分别与PWM整流器、电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置连接及上、下死点传感器连接，其用于控制PWM整流器对超级电容充电或放电。

优选的是，所述的抽油机控制系统，其特征在于：控制器与负载连接，用于控制切换负载的工作状态。

优选的是，所述负载为三绕组电机，所述三绕组电机是在所述电机的定子槽内镶嵌有三套绕组：一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组。

优选的是，在启动过程中，所述控制器控制所述三绕组电机的三相启动绕组与交流母线连接；在上冲程阶段，所述控制器控制所述三绕组电机的三相电动绕组与交流母线连接；在下冲程阶段，所述控制器控制所述三绕组电机的三相发电绕组与交流母线连接。

本发明在无变频器抽油机控制系统的基础上，提供一种控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：抽油机处于下死点位置；

步骤B：控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；

步骤C：控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态，电机处于额定发电状态；

步骤D：控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，三绕组电机处于额定电动状态。

优选的是，在步骤A中，控制器控制PWM整流器对超级电容充电。

优选的是，在步骤B中，控制器通过判断给出PWM整流器的工作方式：当控制器测量的抽油机负载小于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒压的方式工作，此时，PWM整流器停止对三绕组电机供电；当控制器测量的抽油机负载大于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒流的方式工作，电网经过变压器和超级电容经过PWM整流器共同对三绕组电机供电。

这样，电网经过变压器和超级电容经过PWM整流器的双电源分别以恒压和恒流方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。

当控制系统通过上死点传感器判断抽油机达到上死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

优选的是，在步骤C中，抽油机在下冲程时，控制器通过判断给出PWM整流器的工作方式：控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈信息控制PWM整流器以恒压的方式工作，电网经过变压器和电机共同通过PWM整流器对超级电容充电，通过控制PWM整流器的充电电路将变压器控制在额定状态下。

当控制系统通过下死点传感器判断抽油机达到下死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

优选的是，在步骤D中，控制器通过判断给出PWM整流器的工作方式：当控制器测量的抽油机负载小于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒压的方式工作，PWM整流器停止对三绕组电机供电；当控制器测量的抽油机负载大于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制PWM整流器以恒流的方式工作，电网经过变压器和超级电容经过PWM整流器共同对三绕组电机供电。

这样，电网经过变压器和超级电容经过PWM整流器的双电源分别以恒压和恒流方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。

当控制系统通过上死点传感器判断抽油机达到上死点时，上冲程任务已经完成，抽油机开始进入下冲程。

这样，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”问题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。

为实现上述目的，本发明的第二个技术方案是提供一种有变频器抽油机控制系统，包括：

变压器，其与电网连接，用于将电网提供的工频电源或其他高频电源进行变压处理，输出幅值经过调整的交流电源；

电网功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量经过变压器进行变压处理的电源功率和电流；

超级电容功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量超级电容经过PWM整流器后输出的功率和电流；

负载功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量负载的功率和电流；

整流器，其与变压器连接，用于把变压器输出的交流电转换成直流电输送给变频器；

变频器，其一方面与整流器连接，用于把整流器输出的直流电转换成交流电输送给三绕组电机；另一方面与双向DC/DC变换器连接，用于把双向DC/DC变换器输出的直流电转换成交流电输送给三绕组电机；

双向DC/DC变换器，其一方面与整流器和变频器连接，另一方面与超级电容连接，用于控制超级电容的充放电；

超级电容，其与双向DC/DC变换器连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进行供电；

控制器，其分别与双向DC/DC变换器、电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置连接及上、下死点传感器连接，用于控制整流器对电容充电或放电，用于控制双向DC/DC变换器对超级电容充电或放电。

优选的是，所述双向DC/DC变换器包括BOOST放电电路和BUCK充电电路。

优选的是，控制器与负载连接，用于控制切换负载的工作状态。

优选的是，负载为三绕组电机，所述三绕组电机是在所述电机的定子槽内镶嵌有三套绕组：一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组。

优选的是，在启动过程中，所述控制器控制所述三绕组电机的三相启动绕组与变频器连接；在上冲程阶段，所述控制器控制所述三绕组电机的三相电动绕组与变频器连接；在下冲程阶段，所述控制器控制所述三绕组电机的三相发电绕组与变频器连接。

本发明在有变频器抽油机控制系统的基础上，提供一种控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：抽油机处于下死点位置；

步骤B：控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；

步骤C：控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态,电机处于额发电状态；

步骤D：控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，三绕组电机处于额定电动状态。

优选的是，在步骤A中，控制器控制双向DC/DC变换器的BUCK充电电路对电容充电。

优选的是，在步骤B中，控制器通过判断给出双向DC/DC变换器的工作方式：当控制器测量的抽油机负载小于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制双向DC/DC变换器的BOOST放电电路停止放电工作，电网经过变压器及整流器以恒压的方式对直流母线放电；当控制器测量的抽油机负载大于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制双向DC/DC变换器的BOOST放电电路以恒压方式对直流母线放电，电网经过变压器及整流器以恒压的方式对直流母线放电。

这样，电网经过变压器及整流器和超级电容经过双向DC/DC变换器的双电源分别以恒流和恒压方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。

当控制系统通过上死点传感器判断抽油机达到上死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

优选的是，在步骤C中，油机在下冲程时，控制器通过判断给出双向DC/DC变换器的工作方式：在控制器的控制下，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制控制双向DC/DC变换器的BUCK充电电路以恒流方式对超级电容充电，通过控制BUCK充电电路达到变压器工作在额定状态下，电网经过变压器及整流器以恒压的方式对直流母线放电。

当控制系统通过下死点传感器判断抽油机达到下死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入上冲程。

优选的是，在步骤D中，控制器通过判断给出双向DC/DC变换器的工作方式：当控制器测量的抽油机负载小于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制双向DC/DC变换器的BOOST放电电路停止放电工作，电网经过变压器及整流器以恒压的方式对直流母线放电；当控制器测量的抽油机负载大于变压器容量时，控制器通过电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置反馈的信息控制控制双向DC/DC变换器的BOOST放电电路以恒压方式对直流母线放电，电网经过变压器及整流器以恒压的方式对直流母线放电。

这样，电网经过变压器及整流器和超级电容经过双向DC/DC变换器的双电源分别以恒流和恒压方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。

当控制系统通过下死点传感器判断抽油机达到下死点时，上冲程任务已经完成，抽油机开始进入下冲程。这样，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”问题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。

与现有技术相比本发明的优点在于：利用超级电容储能替代机械平衡重，超级电容储能充放电迅速和损耗小且易于控制等特点，且不存在机械磨损问题；对于电机来说，电机共有三套绕组，在启动时，使用启动绕组，上冲程时检测到下死点，使用电动绕组，在下冲程时，检测到上死点，使用发电绕组，电机在抽油机的各种工作状态下都在额定容量下工作，这样从根本上解决了电机和抽油机的“大马拉小车”及改善了变压器“大马拉小车”问题。

附图说明

图1为按照本发明的无变频器抽油机控制系统优选实施例的结构原理图。

图2为按照本发明的有变频器抽油机控制系统优选实施例的结构原理图。

图3为按照本发明的抽油机控制系统的图1所示实施例的控制方案图。

图4为按照本发明的抽油机控制系统的图2所示实施例的控制方案图。

图5为按照本发明的抽油机控制系统图1与图2所示实施例中的上冲程阶段能量流向图。

图6为按照本发明的抽油机控制系统图1与图2所示实施例中的下冲程阶段能量流向图。

图7为按照本发明的抽油机控制系统图1与图2所示实施例中的三绕组电机的示意结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作进一步阐述说明；

实施例1：

如图1和图3、图5-7所示，一种无变频器的抽油机、抽油机的控制系统及其控制方法。

抽油机，包括通过游梁轴与支架连接的游梁，与游梁一端连接的驴头，与游梁另一端连接的连杆及电机，在本实施例中，所述电机为三绕组电机5，在所述三绕组电机5的定子槽内镶嵌有一套三相启动绕组、一套三相电动绕组及一套三相发电绕组。三绕组电机5依次与变压器2和电网1连接。在所述支架上安装有位移传感器，所述位移传感器包括上死点传感器11和下死点传感器12，所述位移传感器通过线路与控制器7连接。在本实施例中，还包括其电机的控制系统，在该控制系统中设有变压器2，其与电网1连接，其用于将电网提供的工频电源或高频电源进行变压处理，输出幅值经过调整的交流电源。在所述控制系统中，还包括

电网功率和电流测量装置8，其与控制器连接，用于测量经过变压器2进行变压处理的电源功率；超级电容功率和电流测量装置9，其与控制器7连接，用于测量超级电容经过PWM整流器3输出的功率和电流；负载功率和电流测量装置10，其与控制器7连接，用于测量负载的功率及负载的电流；超级电容6，其与PWM整流器3连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进行供电；PWM整流器3，其与变压器2连接，用于把变压器2输出的交流电转换成直流电；其与超级电容6连接，用于将超级电容输出的直流电转换为交流电；在本实施例中，所述控制器7分别与PWM整流器3、电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10及上死点传感器11、下死点传感器12连接，其用于控制PWM整流器3对超级电容6充电或放电；所述控制器7与三绕组电机5连接，用于控制切换三绕组电机5的工作状态。所述切换电机的工作状态。即是，在电机的上冲程状态和下冲程状态。在上冲程状态时，所述控制器7控制所述三绕组电机5的三相电动绕组与交流母线4连接；在下冲程阶段，所述控制器7控制所述三绕组电机5的三相发电绕组与交流母线4连接，同时，所述控制器控7控制PWM整流器3对超级电容6进行充电。

本实施例中的工作原理是：

(1)抽油机启动前准备阶段。

在此阶段，抽油机处于下死点位置。启动控制系统，控制器7控制PWM整流器3对超级电容6充电，充电完成后，进入启动阶段。

(2)抽油机启动阶段。

启动阶段控制系统的工作步骤：

1)控制系统首先将三绕组电机5切换至启动绕组以满足三绕组电机5启动时需要的大转矩的要求，

2)控制器7通过判断给出PWM整流器3的工作方式：当控制系统测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈控制控制PWM整流器3以恒压的方式工作，PWM整流器3停止对三绕组电机5供电；当控制系统测量的抽油机负载大于变压器容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制控制PWM整流器3以恒流的方式工作，电网1经过变压器2和超级电容6经过PWM整流器3共同对三绕组电机5供电。这样，电网1经过变压器2和超级电容6经过PWM整流器3的双电源分别以恒压和恒流方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。

3)当控制系统通过下死点传感器12判断抽油机达到下死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

(3)下冲程阶段

下冲程阶段控制系统的工作步骤：

1)控制系统首先将三绕组电机5切换至发电绕组，使三绕组电机5处于额定发电状态。

2)当抽油机在下冲程时，控制器7通过判断给出PWM整流器3的工作方式：在控制系统的控制下，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈控制控制PWM整流器3以恒压的方式工作，电网1经过变压器2和三绕组电机5共同通过PWM整流器3对超级电容6充电。通过控制PWM整流器3充电电路可达到变压器2工作在额定状态下。

3)当控制系统通过上死点传感器11判断抽油机达到上死点时，下冲程任务已经完成，抽油机开始进入上冲程。

(4)上冲程阶段。

上冲程阶段控制系统的工作步骤：

1)当抽油机在上冲程时，控制系统首先将三绕组电机5切换至电动绕组，使三绕组电机5处于额定电动状态。

2)控制器7通过判断给出PWM整流器3的工作方式：当控制系统测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制系统通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒压的方式工作，PWM整流器3停止对三绕组电机5供电；当控制系统测量的抽油机负载大于变压器容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒流的方式工作，电网1经过变压器2和PWM整流器3共同对电机供电。这样，电网1经过变压器2和超级电容6经过PWM整流器3的双电源分别以恒压和恒流方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。

3)当控制系统通过下死点传感器12判断抽油机达到下死点时，上冲程任务已经完成，抽油机开始进入下冲程。

这样，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”问题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。

为了实现对上述控制系统的控制，在本实施例中提出了一种抽油机的控制方法，其包括如下步骤：

步骤A：抽油机处于下死点位置；

步骤B：控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；

步骤C：控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态,电机处于额发电状态；

步骤D：控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，电机处于额定电动状态。

在步骤A中，控制器7控制PWM整流器3对超级电容6充电，充电完成后，进入步骤B。

在步骤B中，所述控制器7通过判断给出PWM整流器3的工作方式，当控制器7接收或测量的抽油机负载小于变压器2的容量时，所述控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒压的方式工作。此时，PWM整流器3停止对三绕组电机5供电；当控制器7测量的抽油机负载大于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒流的方式工作，电网1经过变压器2和PWM整流器3共同对三绕组电机5供电。通过上述步骤，电网1经过变压器2和超级电容6经过PWM整流器3的双电源供电方式，分别以恒压和恒流方式配合工作实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。当控制器7通过上死点传感器11判断抽油机达到上死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

在步骤C中,抽油机在下冲程阶段，同样，控制器7通过判断给出PWM整流器3的工作方式：控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒压的方式工作，电网1经过变压器2和电机共同通过PWM整流器3对电容6充电，通过控制PWM整流器3的充电电路将变压器2控制在额定状态下。当控制器7通过下死点传感器12判断抽油机达到下死点时，下冲程任务已经完成，抽油机开始进入上冲程。

在步骤D中，抽油机处于上冲程阶段，控制器7通过判断给出PWM整流器3的工作方式：当控制器7测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒压的方式工作，PWM整流器3停止对三绕组电机5供电；当控制器7测量的抽油机负载大于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制PWM整流器3以恒流的方式工作，电网1经过变压器2和PWM整流器3共同对三绕组电机5供电。通过上述步骤，电网1经过变压器2和超级电容6经过PWM整流器3的双电源分别以恒压和恒流方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。当控制器7通过上死点传感器11判断抽油机达到上死点时，上冲程任务已经完成，抽油机开始进入下冲程。这样，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”问题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。

如图3和图5-7所示，图3示出了本发明的实施例1中的控制方案图，图4和图5分别示出了本实施例中上冲程能量或功率流动图，下冲程能量流动图。本实施例的工作原理是：参见图3，设变压器输出有功功率为P_T，电机负载功率为P_L，超级电容的输出功率为P_C。在线实时测量变压器输出有功功率P_T和电机负载功率P_L，通过控制PWM整流器3使超级电容输出的功率P_C(或直流电流I_C)以保证变压器的有功功率P_T接近恒定。当电机负载较轻时，由于此时电机负载低于变压器额定容量，电机所需的能量完全由电网通过变压器提供，通过控制PWM整流器3使超级电容6不输出功率。当负载较大时，测量电机此时所需的电机负载功率P_L，利用P_L减去变压器在额定状态下运行的整流器有功功率P_T得出此时需要超级电容6提供的功率P_C，通过控制PWM整流器3使超级电容输出功率为P_C。参见图4，由于当驴头和抽油杆上升(上行程)抽油时，电机处于电动状态，超级电容6与变压器2共同为抽油机供电，超级电容6处于放电状态。参见图5，当炉头和抽油杆下降(下行程)时，驴头和抽油杆的势能转变为动能加速电机使电机处于发电状态。超级电容处于充电状态，电机与变压器共同为超级电容充电，为抽油机下一行程使用，如图4所示。超级电容作为储能元件，下冲程时，将抽油杆的重力势能转化为电能并储存在超级电容之中，在上冲程时，储存的电能与电网共同给电机供能。这样实现了能源的回收利用。

实施例2：

如图2和图4-7所示，一种有变频器的抽油机控制系统，包括变压器2、其用于将电网1提供的工频电源或其他高频电源进行变压处理，输出幅值经过调整的交流电源；还包括整流器13和变频器14，所述整流器13与变压器2连接，用于把变压器2输出的交流电转换成直流电输送给变频器14；变频器14，其一方面与整流器13连接，用于把整流器13输出的直流电转换成交流电输送给三绕组电机5；另一方面与双向DC/DC变换器15连接，用于把双向DC/DC变换器15输出的直流电转换成交流电输送给三绕组电机5；电网功率和电流测量装置8，其与控制器7连接，用于测量经过变压器2进行变压处理的电源功率和电流；电容功率和电流测量装置9，其与控制器7连接，用于测量超级电容经过整流器13输出的功率和电流；负载功率和电流测量装置10，其与控制器7连接，用于测量负载的功率和电流；超级电容6，其与双向DC/DC变换器15连接，一方面用于通过双向DC/DC变换器15向超级电容6供电，另一方面，用于通过双向DC/DC变换器15对超级电容6断电。控制器7，其分别与双向DC/DC变换器15、电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10连接，用于控制整流器13对超级电容6充电或放电；用于控制控制双向DC/DC变换器15对超级电容6充电或放电。所述双向DC/DC变换器15包括BOOST放电电路和BUCK充电电路。

本实施中有变频器的抽油机控制系统的工作原理是：

(1)抽油机启动前准备阶段。

在此阶段，抽油机处于下死点位置。启动控制系统，控制器7控制双向DC/DC变换器15的BUCK充电电路对超级电容6充电，充电完成后，进入启动阶段。

(2)抽油机启动阶段。

启动阶段控制系统的工作步骤：

1)控制系统首先将三绕组电机5切换至启动绕组以满足三绕组电机5启动时需要的大转矩的要求，

2)控制器7通过判断给出双向DC/DC变换器15的工作方式：当控制器7测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路停止放电工作，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电；当控制器7测量的抽油机负载大于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路以恒压方式对直流母线4放电，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电。

这样，电网1经过变压器2及整流器13和超级电容6经过双向DC/DC变换器15的双电源分别以恒流和恒压方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。

3)当控制系统通过下死点传感器12判断抽油机达到下死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

(3)下冲程阶段

下冲程阶段控制系统的工作步骤：

1)控制系统首先将三绕组电机5切换至发电绕组，使三绕组电机5处于额定发电状态，经过变压器2对直流母线4充电。

2)当抽油机在下冲程时，控制器7通过判断给出双向DC/DC变换器15的工作方式：在控制系统的控制下，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BUCK充电电路以恒流方式对超级电容6充电，通过控制BUCK充电电路可达到变压器2工作在额定状态下，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电。

3)当控制系统通过上死点传感11判断抽油机达到上死点时，下冲程任务已经完成，抽油机开始进入上冲程。

(4)上冲程阶段。

上冲程阶段控制系统的工作步骤：

1)当抽油机在上冲程时，控制系统首先将三绕组电机5切换至电动绕组，使三绕组电机5处于额定电动状态。

2)控制器7通过判断给出双向DC/DC变换器15的工作方式：当控制系统测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路停止放电工作，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电；当控制系统测量的抽油机负载大于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路以恒压方式对直流母线4放电，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电。

这样，电网1经过变压器2及整流器13和超级电容6经过双向DC/DC变换器15的双电源分别以恒流和恒压方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。

3)当控制系统通过下死点传感器12判断抽油机达到下死点时，上冲程任务已经完成，抽油机开始进入下冲程。

这样，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”问题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。

在本实施例中，提出了一种有变频器的抽油机的控制方法，其包括如下步骤：

步骤A：抽油机处于下死点位置；

步骤B：控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；

步骤C：控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态,电机处于额发电状态；

步骤D：控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，电机处于额定电动状态。

在步骤A中，控制器7控制双向DC/DC变换器15的BUCK充电电路对电容6进行充电，以三绕组电机5启动时需要的大转矩的要求。

在步骤B中，控制器7通过判断给出双向DC/DC变换器15的工作方式：当控制系统测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制器7通过电网1、超级电容6及负载的功率和电流测量环节8、9、10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路停止放电工作，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电；当控制系统测量的抽油机负载大于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路以恒压方式对直流母线放电，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电。

这样，电网1经过变压器2及整流器13和超级电容6经过双向DC/DC变换器15的双电源分别以恒流和恒压方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，直至完成抽油机启动阶段任务。当控制系统通过下死点传感器12判断抽油机达到下死点时，抽油机完成了启动任务，抽油机开始进入下冲程。

在步骤C中，油机在下冲程时，控制系统通过判断给出双向DC/DC变换器15的工作方式：控制系统首先将电机切换至发电绕组，使电机处于额定发电状态，经过变频器14对直流母线4充电。在控制器7的控制下，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BUCK充电电路以恒流方式对超级电容6充电，通过控制BUCK充电电路达到变压器2工作在额定状态下，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电。控制器通过死上点传感器11判断抽油机达到上死点时，下冲程任务已经完成，抽油机开始进入上冲程。

在步骤D中，控制系统通过判断给出变压器2和双向DC/DC变换器15的工作方式：当控制系统测量的抽油机负载小于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路停止放电工作，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电；当控制系统测量的抽油机负载大于变压器2容量时，控制器7通过电网功率和电流测量装置8、超级电容功率和电流测量装置9、负载功率和电流测量装置10反馈的信息控制双向DC/DC变换器15的BOOST放电电路以恒压方式对直流母线4放电，电网1经过变压器2及整流器13以恒压的方式对直流母线4放电。

本实施例的工作原理是：电网1经过变压器2及整流器13和超级电容6经过双向DC/DC变换器15的双电源分别以恒流和恒压方式配合工作可实现抽油机负载功率协调分配，完成抽油机上冲程阶段任务。当上死点传感器11判断抽油机达到上死点时，上冲程任务已经完成，抽油机开始进入下冲程。如此往复，抽油机周而复始地进行上冲程和下冲程阶段的工作，通过采用三绕组电机和超级电容平衡重综合方案解决已有技术抽油机存在的电机和变压器的“大马拉小车”问题以及由于机械系统磨损导致平衡重问题。

再次参见图2-5所示，图2示出了本实施例中带有变频器的控制系统的原理图。设整流器13直流有功功率为P_T(或直流电流I_T)，电机直流负载功率为P_L，超级电容6的直流功率为P_C。在线实时测量整流器有功功率P_T(或直流电流I_T)和电机直流负载功率为P_L，通过控制双向DC/DC变换器15的BOOST电路使超级电容6输出的功率P_C(或直流电流I_C)以保证整流器输出的有功功率P_T(或直流电流I_T)接近恒定。当电机负载较轻时，由于此时电机负载低于变压器额定容量，电机所需的能量完全由电网通过变压器提供，通过控制双向DC/DC变换器15使超级电容6不输出功率。当负载较大时，测量电机此时所需的电机负载功率P_L，利用P_L减去变压器在额定状态下运行的整流器直流有功功率P_T得出此时需要超级电容6提供的功率P_C，通过控制双向DC/DC变换器15的BOOST电路使超级电容6输出功率为P_C。如图4和图5示出了，本实施例中上冲程和下冲程的能量流向图。由于当驴头和抽油杆上升(上行程)抽油时，三绕组电机5处于电动状态，超级电容6处于放电状态，与变压器2共同为抽油机电机供电。

当驴头和抽油杆下降(下行程)时，驴头和抽油杆的势能转变为动能加速电机使电机处于发电状态。超级电容6处于充电状态，电机与变压器2共同为超级电容6充电，为抽油机下一行程使用。超级电容作为储能元件，下冲程时，将抽油杆的重力势能转化为电能并储存在超级电容之中，在上冲程时，储存的电能与电网共同给电机供能。这样实现了能源的回收利用。

图6为本发明中的三绕组电机的示意结构。其中，定子为a、b、c三相，a₁、a₂、a₃为A相定子轴上的三套绕组，b₁、b₂、b₃为B相定子轴上的三套绕组，c₁、c₂、c₃为C相定子轴上的三套绕组，每相的三套绕组的两套绕组上配有开关，即a₂和a₃绕组分别配有一个开关K_a1和K_a2，b₂和b₃绕组分别配有一个开关K_b1和K_b2，c₂和c₃绕组分别配有一个开关K_c1和K_c2。在通过不同的开关状态的切换满足不同状态下的需求，在此将三套绕组并联，以A相为例，在发电状态下，K_a1和K_a2断开，此时只有a₁绕组接入电机；当抽油机电动(上冲程时)状态时，K_a1接通，K_a2断开，此时a₁和a₂并联作为电机的定子绕组；当a₁、a₂和a₃绕组共同为抽油机启动状态供电时，K_a1和K_a2接通，a₁、a₂和a₃三套绕组并联作为此时电机的定子绕组以满足启动时较大的转矩需求。B相和C相接法同A相。

(2)电容变压器容量的优化问题：

由于抽油机电机启动功率和正常运行功率相差较大，以往为了满足电机在启动阶段时转矩大的技术要求，需要配备容量较大的电机，却导致了电机在正常运行的情况下也不能以满载的容量运行，进一步变压器为了配合电机的容量，在正常运行时也不能满载运行，这就造成了变压器的“大马拉小车”现象的存在。传统采用机械配重装置的抽油机存在另一个附加问题是供电变压器，由于电机的负载率变化而不能工作在满载状态。抽油机启动时要克服较大的惯性载荷，而一旦设备启动起来，其自身需要的功率又明显减少，结果使所用变压器在电机正常工作时比自身启动额定功率小得多，这样导致变压器的负载率过低。因此，而超级电容储能式抽油机，利用超级电容蓄能来解决这一问题，。进一步，为了提高使井场变压器在抽油机电机工作于上、下冲程启动、提升以及下放过程中的效率问题，使其，工作在一个确定的范围内，从而建立一个优化的井场变压器容量选取模型，如式1所示。

井场变压器上、下冲程容量差最小的目标函数：

minF(x)＝ΔP＝P_up-P_down(1)

超级电容功率约束：P_Cmin≤P_C≤P_Cmax；

母线电压稳定约束：U_母线min≤U_母线≤U_母线max；

电机功率限定约束：P_Mup≤P_up+P_C；

P_Mdown≤P_down+P_C

P_电动机≤U_母线·I_母线；

负载--电机转速特性约束：通过公式M＝G_负载·R可以获取理论上的负载与电机转速关系特性曲线以及在修井机负载特性测试平台里实测得到的负载—电机转速特性曲线共同决定约束关系。

超级电容工作电压约束：U_{超级电容min}≤U_超级电容≤U_{超级电容max}；

其中，ΔP--井场变压器上下行程功率差，P_up--井场变压器上形程输出功率，P_down--井场变压器下形程输出功率，P_C--超级电容输出功率，P_Mup--电动机上行程输出功率，P_Mdown--电动机下行程输出功率，U_母线--母线电压，I_母线--母线电流，n--电机转速，M--电机转矩，G_负载--负载重力，R--电机力臂，U_超级电容--超级电容电压。

采用原对偶非线性内点法进行求解，首先通过松弛变量将不等式约束转化为等式约束，在目标函数中引入对数壁垒函数来处理松弛变量的非负性约束，然后形成拉格朗日函数，推导拉格朗日函数的KKT条件(KarushKuhnTucker最优化条件)，采用牛顿法迭代求解得到最优解，找到该系统实时的最佳工作转速变压器容量，从而提高整个系统的工作效率和经济性。以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

阅读了本说明书后，本领域技术人员不难看出，本发明由现有技术的结合构成，这些构成本发明的各部分的现有技术有些在此给予了详细描述，有些则出于说明书简明考虑并未事无巨细地赘述，但本领域技术人员阅读了说明书后便知所云。而且本领域技术人员也不难看出，为构成本发明而对这些现有技术的结合是饱含大量创造性劳动，是发明人多年理论分析和大量实验的结晶。本领域技术人员同样可以从说明书中看出，这里所披露的每个技术方案以及各个特征的任意组合都属于本发明的一部分。

Claims (10)

1.一种无变频器抽油机控制系统，其特征在于：包括变压器，其与电网连接，用于将电网提供的工频电源或其他高频电源进行变压处理，输出幅值经过调整的交流电源；

电网功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量经过变压器进行变压处理的电源功率和电流；

超级电容功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量超级电容经过PWM整流器后输出的功率和电流；

负载功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量负载的功率和电流；

超级电容，其与PWM整流器连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进行供电；

PWM整流器，其与变压器连接，用于把变压器输出的交流电转换成直流电；其与超级电容连接，用于将超级电容输出的直流电转换为交流电，

控制器，其分别与PWM整流器、电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置连接及上、下死点传感器，其用于控制PWM整流器对超级电容充电或放电。

2.如权利要求1所述的抽油机控制系统，其特征在于：控制器与负载连接，用于控制切换负载的工作状态。

3.如权利要求2所述的抽油机控制系统，其特征在于：负载为三绕组电机，所述三绕组电机是在所述电机的定子槽内镶嵌有三套绕组：一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组。

4.一种无变频器抽油机系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：抽油机处于下死点位置；

步骤B：控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；

步骤C：控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态，电机处于额定发电状态；

步骤D：控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，三绕组电机处于额定电动状态。

5.如权利要求4所述的抽油机控制方法，其特征在于：在步骤A中，控制器控制PWM整流器对超级电容充电。

6.一种有变频器的抽油机控制系统，其特征在于：包括变压器，其与电网连接，用于将电网提供的工频电源或其他高频电源进行变压处理，输出幅值经过调整的交流电源；

电网功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量经过变压器进行变压处理的电源功率和电流；

超级电容功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量超级电容经过PWM整流器后输出的功率和电流；

负载功率和电流测量装置，其与控制器连接，用于测量负载的功率和电流；

整流器，其与变压器连接，用于把变压器输出的交流电转换成直流电输送给变频器；

变频器，其一方面与整流器连接，用于把整流器输出的直流电转换成交流电输送给三绕组电机；另一方面与双向DC/DC变换器连接，用于把双向DC/DC变换器输出的直流电转换成交流电输送给三绕组电机；

双向DC/DC变换器，其一方面与整流器和变频器连接，另一方面与超级电容连接，用于控制超级电容的充放电；

超级电容，其与双向DC/DC变换器连接，一方面用于存储电能，另一方面用于对负载进行供电；

控制器，其分别与双向DC/DC变换器、电网功率和电流测量装置、超级电容功率和电流测量装置、负载功率和电流测量装置连接及上、下死点传感器，用于控制整流器对超级电容充电或放电；用于控制双向DC/DC变换器对超级电容充电或放电。

7.如权利要求6所述的抽油机控制系统，其特征在于：所述双向DC/DC变换器包括BOOST放电电路和BUCK充电电路。

8.如权利要求6所述的抽油机控制系统，其特征在于：控制器与负载连接，用于控制切换负载的工作状态。

9.如权利要求6所述的抽油机控制系统，其特征在于：负载为三绕组电机，所述三绕组电机是在所述电机的定子槽内镶嵌有三套绕组：一套三相启动绕组、一套三相电动绕组和一套三相发电绕组。

10.一种有变频器抽油机控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：抽油机处于下死点位置；

步骤B：控制器将三绕组电机切换至启动绕组工作状态；

步骤C：控制器将三绕组电机切换至发电绕组工作状态,电机处于额发电状态；

步骤D：控制器将三绕组电机切换至电动绕组状态，三绕组电机处于额定电动状态。