CN101582667A - 石油抽油机超级电容辅助电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油抽油机驱动控制技术领域，具体涉及了一种石油抽油机超级电容辅助电源系统。该系统是在抽油机主电源的基础上增加一个超级电容辅助电源，用于存储抽油机驴头下行时的再生制动回馈能量，抽油机驴头上行时协助主电源向电机供电。辅助电源系统由超级电容模组和调压器组成。由于有超级电容存储抽油机再生制动回馈能量，并把这些能量又用于抽油机驱动电机，节省了大量的能量。由于超级电容功率密度大的特点，在驴头上升做功时可以以很大的放电电流协助主电源供电，因此驴头在抽油做功时，上冲程的速度性能能有所改善。本系统使用广泛，可使用游梁式抽油机，进一步可扩展应用至链条式抽油机等有杆泵抽油设备中。具有巨大的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于石油抽油机驱动控制技术领域，具体涉及一种石油抽油机超级电容辅助电源系统。
背景技术
近年来，人们对能源的需求越来越大，对节能的要求也越来越高。在石油行业里，抽油机在采油时会耗费很大的电能来抽取油井中的石油。抽油装置在抽油时进行的往复运动中，下行运动是处于制动状态，而再生制动是节约能源、提高抽油装置上行时动态特性的关键，具有显著的经济价值和社会效益。在目前的抽油机中大都使用机械的方式对上下冲程平衡，转换一部分下行时的动能和重力势能。
这种方案的系统复杂，在野外的环境比较恶劣的情况下，维修不方便。并且由于长时间的往复运动，对平衡机构的可靠性影响较大。
超级电容是近年来最新研发出来的新型电容，这种超级电容的电容量远远大于普通电容，目前技术已经可以达到数万法拉以上。在国内外均有生产和销售。同时它与一般的蓄电池比，超级电容的功率密度大，在频繁充放电点的场合下，寿命长，并且非常适合用于瞬时功率大的情况。随着科技的发展，超级电容的价格将进一步降低，性能也将进一步提高。在抽油机械中，超级电容的将会有很好的应用前景。本发明，采用超级电容作为驱动电机的辅助电源对电机供电，同时采用再生制动能源的方案对其下行的能量进行保存。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够节省能量，改善抽油机驱动性能的抽油机用超级电容辅助电源系统。
本发明提供的抽油机超级电容辅助电源系统，是在抽油机电网主电源的基础上增加超级电容模组及DC/DC变换调压器作为辅助电源。主电源提供抽油机所需要的大部分能源，在抽油机的游梁带动的驴头向下运动时，抽油机再生制动回馈能量通过DC/DC变换调压器，以电能的形式存储于超级电容中，在游梁带动的驴头向上运动时，DC/DC变换调压器将超级电容中存储的能量释放出来，和电网并联向电机供电。
本发明提出的抽油机超级电容辅助电源系统具体构成如下：
1)一个超级电容模组，设置于抽油机的驱动部分，用于吸收驴头下降时的再生制动回馈能量，在驴头上升时协助主电源向电机供电；
2)一DC/DC变换调压器，分别与所述超级电容模组和原抽油机的主电源与电机驱动控制器相连接；
3)在原抽油机电机控制系统的电路基础上，增设超级电容电压和电流传感器组成，还增设用于控制DC/DC变换调压器的PWM控制信号，通过微处理器同时控制主电源和超级电容的充放电；
上述DC/DC变换调压器由机壳、设置于机壳内的控制电路板、DC/DC变换器组成；所述控制电路板通过接口电路分别与电网电压传感器、电网电流传感器、电机电压传感器、电机电流传感器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器以及外部手动开关相连接；
所述控制电路板上设置有微处理器，该微处理器可采用单片机、DSP等，微处理器通过滤波电路采集电压、电流信号和手动控制信号；微处理器输出的PWM信号经过光耦隔离器件以及驱动控制电路控制DC/DC变换器控制每个功率器件的工作状况；DC/DC变换器部分可采用多种已广泛使用的电路，如boost、buck、cuk等变换器或其组合而成的各种变换器。
本发明的抽油机超级电容辅助电源系统，具有以下明显优点：
1)由于有超级电容存储抽油机再生制动回馈能量，并把这些能量又用于抽油机驱动电机，节省了大量的能量。
2)由超级电容存储抽油机再生制动回馈能量，其充放电较一般的蓄电池寿命长
3)在抽油机的驴头上升进行抽油时，超级电容协助主电源向电机提供一部分能量，对电网要求的能量较小，要求的电网等级较低。
4)由于超级电容功率密度大的特点，在驴头上升做功时可以以很大的放电电流协助主电源供电，因此驴头在抽油做功时，上冲程的速度性能能有所改善。
5)本系统使用广泛，可使用游梁式抽油机，进一步可扩展应用至链条式抽油机等有杆泵抽油设备中。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明的电路结构框。
图3实施例中调压器DC/DC变换器电路原理图。
图4是实施例中抽油机驱动电机时电流方向示意图。
图5是实施例中抽油机制动电机时电流方向示意图。
图中标号：1为超级电容辅助电源系统，2为超级电容模组，3为DC/DC变换调压器，4为整流器，5为电机驱动控制系统，6为电压、电流传感器，7为控制电路板，8为DC/DC变换器，9为滤波电路，10为微处理器，11为光电耦合电路，12为功率器件驱动电路。
具体实施方式
以下结合附图和实例，对本发明作进一步的详细描述。
参见图1～5，依照本发明的技术方案，在抽油机电机驱动控制系统基础上，增设一个超级电容辅助电源系统，该辅助电源系统由超级电容模组和DC/DC变换调压器组成。超级电容模组是指由若干个超级电容单体串联成一组，再将若干组并联而形成的模块。根据电机额定电压确定每组串联的超级电容单体个数，根据驴头下行时防出的能量多少配置并联超级电容的组数。
DC/DC变换调压器包括，一机壳，机壳内设置有控制电路板以及DC/DC变换器。控制电路板通过接口电路和电压、电流传感器(包括主电源电压传感器、主电源电流传感器、电机电压传感器、电机电流传感器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器)、手动调节器相连接；DC/DC变换器部分采用由boost和buck电路组成的双向、升降压电路，如图4所示。
控制电路板上设置有微处理器、滤波电路、光电耦合电路、功率器件驱动电路等，微处理器采用DSP，通过滤波电路采集电压、电流信号、加速踏板和制动踏板信号；DSP输出的PWM信号经过光电耦合器件及驱动电路控制DC/DC变换器每个功率器件的动作；滤波电路采用典型的由运算放大器搭建的滤波电路；光电隔离电路由光耦实现；控制器所需各种电平由主电源上取电，经过普通DC/DC开关电源来提供。
功率器件T1、T2、T3、T4组成双向、升降压变换器电路，如图3所示。其中T1、T2与超级电容模组相连，T3、T4分别与主电源的正、负极相连。四个功率器件在每一时刻仅有一只处于PWM工作状态，其中，T1工作时形成驱动降压变换器，T4工作时形成驱动升压变换器，T2工作时形成制动升压变换器，T3工作时形成制动降压变换器。DC/DC变换调压器控制电路板微处理器根据采集到的超级电容模组电压、主电源电压，以及人为控制DC/DC变换器处于上述四种工作状态之一，实现抽油机再生制动能量向超级电容模组的储存，或者使超级电容模组协助电网向电机供电。
抽油机电机为永磁同步电机，37KW，额定电压380V；也可以采用永磁有刷直流电机或异步电机。
主电源由电网经过AC/DC电路提供。
超级电容模组为额定电压640v，储能135wh(300只1.8v/1000F超级电容单体串联成件还可以采用功率晶体管GTR或金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET或门极关断晶闸管GTO。
所用微处理器采用TI公司TMS320LF2407DSP；电压传感器采用电流型700V电压传感器；电流传感器采用电流型200A电流传感器。PWM调制频率为20KHz；信号采集和控制周期取1ms；采用PI控制算法。
本发明的具体工作原理是：
抽油机驴头上行时，且超级电容模组电压高于537v时，T2、T3、T4关断，T1工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的驱动降压变换，超级电容模组协助主电源向电机供电。
抽油机驴头上行时，且超级电容模组电压低于537v时，T1导通，T2、T3关断，T4工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的驱动升压变换，超级电容模组协助主电源向电机供电。
抽油机驴头下行再生制动时，且超级电容模组电压低于537v时，T1、T2、T4关断，T3工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的制动降压变换，抽油机再生制动回馈能量通过DC/DC变换器存储于超级电容模组中。
抽油机驴头下行再生制动时，且超级电容模组电压高于537v时，T3导通，T1、T4关断，T2工作于PWM斩波调制，实现DC/DC变换器的制动升压变换，抽油机再生制动回馈能量通过DC/DC变换器存储于超级电容模组中。
Claims (5)
1.一种石油抽油机超级电容辅助电源系统，其特征在于该系统构成如下：
1)一个超级电容模组，设置于抽油机上，用于吸收抽油机驴头下行时的再生制动回馈能量，在抽油机驴头上行时协助主电源向电机供电；
2)一DC/DC变换调压器，分别与所述超级电容模组和原抽油机的AC/DC变换器与电机驱动控制器相连接；
上述DC/DC变换调压器包括，一机壳、设置于机壳内的控制电路板、DC/DC变换器；控制电路板通过接口电路和主电源电压传感器、主电源电流传感器、电机电压传感器、电机电流传感器、超级电容电压传感器、超级电容电流传感器、手动调节器相连接；控制电路板上设置有微处理器，微处理器通过滤波电路器件采集电压、电流信号、手动调节信号；微处理器输出的PWM信号经过光电耦合器件及驱动电路控制DC/DC变换器每个功率器件的动作；
3)在原抽油机电机控制系统的电路基础上，增设超级电容电压传感器和电流传感器，增设用于控制DC/DC变换调压器的PWM控制信号，使微处理器能同时控制主电源和超级电容的充放电。
2.如权利要求1所述的石油抽油机超级电容辅助电源系统，其特征在于，所述微处理器采用单片机或DSP器件；所述DC/DC变换器采用boost、buck、cuk变换器或其组合而成的变换器。
3.如权利要求1所述的石油抽油机超级电容辅助电源系统，其特征在于，所述电机采用普通直流电机或永磁有刷直流电机或永磁无刷直流电机或永磁同步电机或开关磁阻电机或异步电机。
4.如权利要求1所述的石油抽油机超级电容辅助电源系统，其特征在于，所述DC/DC变换器功率器件采用功率晶体管GTR或金属-氧化物-半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。
5.如权利要求1所述的石油抽油机超级电容辅助电源系统，其特征在于，所述主电源为电网。
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