一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法及装置与流程

1.本发明属于永磁电动机控制技术领域，尤其涉及一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法。


背景技术：

2.永磁电机具有超高效率、高启动转矩倍数和高功率因数等显著优点。据统计，国内油田近200万口油井，有一半以上已经由三相异步电动机改装了自启动永磁电机作为抽油机动力源。但是经实际测试发现：抽油机自启动永磁电机运行功率因数普遍偏低，永磁电动机高耗低效运行现象非常突出。
3.油田生产现场电力系统普遍为10kv或6kv线路供电，在抽油机井附近采用配电变压器单台供电，抽油井与变电站之间距离普遍在10-30米。
4.抽油机是典型的重载启动，轻载运行设备，抽油机永磁电动机运行后的最大负载率普遍在三分之一左右，平均负载率普遍在20％左右。研究发现：永磁电动机负载率＜40％时，供电电压与永磁电动机反电势的偏差小于供电电压的2％，永磁电机才能高效运行，然而油田供电电压普遍与标准供电电压偏差在
±
7％，反电势是永磁电动机的特征性能参数，受相关因素影响的变量。其中由于季节温度的变化造成永磁电动机转子温度变化，进而引发反电势值发生改变。还由于永磁电动机振动、酸碱环境腐蚀、启动或工艺质量产生的反向磁场、时效、故障温升等原因造成反电势值发生衰减，俗称永磁电动机失磁或退磁。
5.油田供电电压波动加上永磁电动机反电动势漂移，造成供电电压与永磁电动机反电动势不匹配，是油井永磁电机运行功率因数普遍偏低的根本原因。
6.本发明是基于油田有载调压配电变压器单台供电抽油机方式，依据永磁电动机高效节能运行特性研究成果，提出一种抽油机抽油机永磁电动机高效节能控制方法及装置，解决永磁电机运行功率因数普遍偏低的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法和装置。
8.本发明是通过如下措施实现的：一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法，其特征在于，具体步骤为：
9.s1、构建转子温度t与反电势e0关系曲线；
10.s2、实时采集待控有载调压配电变压器次级绕组的输出电压ue和永磁电动机的转子温度t
sh
；
11.s3、通过输出电压ue计算初级绕组输入电压获得当前高压电压ue，当前高压电压ue＝ue×
k，k为变压器所处档位的变比；
12.s4、依据实时采集的转子温度t
sh
调取转子温度t与反电势e0关系曲线中所对应的数值获得实时反电动势e
sh
；
13.s5、通过反电动势e
sh
计算初级绕组输入电压的目标高压电压ub，目标高压电压ub＝e
sh
×
k，k为变压器所处档位的变比；
14.s6、设定有载调压配电变压器的调档阀值，依据目标高压电压ub与当前高压电压ue的差值uz与阀值的对比调节变压器的档位。
15.步骤s6具体为：
16.依据变压器高低压变比k，分别依次设置相邻档位的电压差值
△
，
△
＞0；
17.将1/2
△
设定为相邻两档之间的调档阀值；
18.当0＞uz≤1/2
△
时，维持原档位不变，当0＞uz且uz＞1/2
△
时，档位上升；
19.当uz＜0且-uz≤1/2
△
，维持原档位不变，当uz＜0且-uz＞1/2
△
时，档位下降；
20.档位上升和下降为逐级变换且每次档位上升和下降之后均需重新进行上述判断。
21.步骤s1具体为：
22.s11、对适用范围区域内的抽油机进行跟踪测试，并测量每一台抽油机在不同转子温度下的反电动势，获得数据集；不同转子温度下的反电动势测量可以采用现有测量装置直接测得；
23.s12、对上述数据集进行处理获得反电动势和转子温度的关系曲线。
24.所述有载调压配电变压器具有若干档，一般为9档，具体档位数量可以根据实际情况选定；
25.包括用于检测有载调压配电变压器次级绕组输出电压的电压采集器和用于检测永磁电动机转子温度的温度传感器；
26.还包括用于接收电压采集器和温度传感器信号的处理器，所述处理器能够通过电压采集器的信号计算当前高压电压ue，并根据温度传感器的信号调取对应的反电动势数值并计算获得目标高压电压ub；
27.所述处理器能够进行阀值设定并根据ub和ue的差值与阀值的对比调节变压器的档位。
28.还包括用于检测变压器档位的档位传感器。档位传感器可以实时监测档位信息，当档位调节的过程没有得到预期的反馈目标时(例如发出调档指令后，在预定时间内没有收到档位传感反馈信号)，发处理器出相应的故障信号，供人工检查，识别原因、完善控制。
29.一种抽油机永磁电动机高效节能控制装置，其特征在于，包括用于检测有载调压配电变压器次级绕组输出电压的电压采集器和用于检测永磁电动机转子温度的温度传感器；
30.还包括用于接收电压采集器和温度传感器信号的处理器，所述处理器能够通过电压采集器的信号计算初级绕组输入电压获得当前高压电压ue，并根据温度传感器的信号调取对应的反电动势数值并计算获得初级绕组输入电压的目标高压电压ub；
31.所述处理器能够进行阀值设定并根据ub和ue的差值与阀值的对比调节变压器的档位。
32.所述有载调压配电变压器具有若干档，一般为9档，具体档位数量可以根据实际情况选定。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过实时测量转子温度进而实现变压器高压侧的调节，使永磁电动机的供电电压(等同于变压器次级绕组的输出电压)始终接近于实时反电势，提高永磁电动机运行功率因数高，降低电动机运行损耗。
附图说明
34.图1为本发明的结构示意图；
35.图2为转子温度t与反电势e0关系曲线。
具体实施方式
36.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
37.实施例一：
38.参见图1-图2，一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法，具体步骤为：
39.s1、构建转子温度t与反电势e0关系曲线；
40.s2、实时采集待控有载调压配电变压器次级绕组的输出电压ue和永磁电动机的转子温度t
sh
；
41.s3、通过输出电压ue计算初级绕组输入电压获得当前高压电压ue；当前高压电压ue＝ue×
k，k为变压器所处档位的变比；
42.s4、依据实时采集的转子温度t
sh
调取转子温度t与反电势e0关系曲线中所对应的数值获得实时反电动势e
sh
；
43.s5、通过反电动势e
sh
计算初级绕组输入电压的目标高压电压ub；目标高压电压ub＝e
sh
×
k，k为变压器所处档位的变比；
44.s6、设定有载调压配电变压器的调档阀值，依据目标高压电压ub与当前高压电压ue的差值uz与阀值的对比调节变压器的档位。
45.步骤s6具体为：
46.依据变压器高低压变比k，分别依次设置相邻档位的电压差值
△
，
△
＞0；
47.将1/2
△
设定为相邻两档之间的调档阀值；
48.当0＞uz≤1/2
△
时，维持原档位不变，当0＞uz且uz＞1/2
△
时，档位上升；
49.当uz＜0且-uz≤1/2
△
，维持原档位不变，当uz＜0且-uz＞1/2
△
时，档位下降；
50.档位上升和下降为逐级变换且每次档位上升和下降之后均需重新进行上述判断。
51.步骤s1具体为：
52.s11、对适用范围区域内的抽油机进行跟踪测试，并测量每一台抽油机在不同转子温度下的反电动势，获得数据集；
53.s12、对上述数据集进行处理获得反电动势和转子温度的关系曲线。
54.所述有载调压配电变压器具有若干档，一般为9档，具体档位数量可以根据实际情况选定；
55.包括用于检测有载调压配电变压器次级绕组输出电压的电压采集器和用于检测永磁电动机转子温度的温度传感器；
56.还包括用于接收电压采集器和温度传感器信号的处理器，所述处理器能够通过电压采集器的信号计算当前高压电压ue，并根据温度传感器的信号调取对应的反电动势数值并计算获得目标高压电压ub；
57.所述处理器能够进行阀值设定并根据ub和ue的差值uz与阀值的对比调节变压器的档位。
58.还包括用于检测变压器档位的档位传感器。
59.实施例二：
60.参见图1-图2，一种抽油机永磁电动机高效节能控制装置，其特征在于，包括用于检测有载调压配电变压器次级绕组输出电压的电压采集器和用于检测永磁电动机转子温度的温度传感器；
61.还包括用于接收电压采集器和温度传感器信号的处理器，所述处理器能够通过电压采集器的信号计算初级绕组输入电压获得当前高压电压ue，并根据温度传感器的信号调取对应的反电动势数值并计算获得初级绕组输入电压的目标高压电压ub；
62.所述处理器能够进行阀值设定并根据ub和ue的差值uz与阀值的对比调节变压器的档位。
63.所述有载调压配电变压器具有若干档，一般为9档，具体档位数量可以根据实际情况选定。
64.其中，有载调压配电变压器采用现有的连接方式，因此在图1中并未展示。
65.实施例三：
66.参见图1-图2，在实施例一或实施例二的基础上，所述有载调压配电变压器具有9档，依据9档变压器高低压变比k，依次设置档位电压差值1-2档为
△
2；2-3档为
△
3；3-4档为
△
4；4-5档为
△
5；5-6档为
△
6；6-7档为
△
7；7-8档为
△
8；8-9档为
△
9。
67.其中根据电压采集器采集的次级绕组的输出电压为ue和温度传感器测得的永磁电动机的转子温度为t
sh
；
68.处理器通过得到的ue和t
sh
信号，计算当前高压电压ue＝ue×
k，k为变压器所处档位的变比；
69.依据实转子温度t
sh
调取预存在处理器内的转子温度t与反电势e0关系曲线中所对应的数值获得实时反电动势e
sh
；通过反电动势e
sh
计算初级绕组输入电压的目标高压电压ub；目标高压电压ub＝e
sh
×
k，k为变压器所处档位的变比。
70.将1/2
△
2设定为1档和2档之间的调档阀值；1/2
△
3设定为2档和3档之间的调档阀值；将1/2
△
4设定为3档和4档之间的调档阀值；将1/2
△
5设定为4档和5档之间的调档阀值；将1/2
△
6设定为5档和6档之间的调档阀值；将1/2
△
7设定为6档和7档之间的调档阀值；将1/2
△
8设定为7档和8档之间的调档阀值；将1/2
△
9设定为8档和9档之间的调档阀值；
71.其中5档为变压器的默认档位：
72.当0＞uz≤1/2
△
6时，维持5档位不变，当0＞uz且uz＞1/2
△
6时，档位上升至6档；处理器在接到6档档位传感器信号后，识别当前档位，重新根据电压采集器采集的次级绕组的输出电压为ue和温度传感器测得的永磁电动机的转子温度为t
sh
，获得对应的当前高压电压ue和目标高压电压ub，再次对比uz与阀值，当0＞uz≤1/2
△
7时，维持6档位不变，当0＞uz且uz＞1/2
△
7时，档位上升至7档，依此逻辑实现档位上升的调节。
73.当uz＜0且-uz≤1/2
△
5，维持5档位不变，当uz＜0且-uz＞1/2
△
5时，档位下降至4档，处理器在接到4档档位传感器信号后，识别当前档位，重新根据电压采集器采集的次级绕组的输出电压为ue和温度传感器测得的永磁电动机的转子温度为t
sh
，获得对应的当前高压电压ue和目标高压电压ub，再次对比uz与阀值，当uz＜0且-uz≤1/2
△
4，维持5档位不变，当uz＜0且-uz＞1/2
△
4时，档位下降至3档，依此逻辑实现档位下降的调节。
74.永磁电动机停机时，默认指令变压器有载调压档位返回到五档。接收到停机指令
后，处理器识别当前档位，发出调档指令，并驱动控制调档，依此识别、判定、指令、执行、反馈，逐档调整，直到收到5档档位传感器信号为止。
75.实施例四：
76.在实施例一至实施例三的基础上，还包括能够直接测量反电动势的测量装置，所述测量装置采用现有技术，在此不再赘述。
77.实施例五：
78.将实施例一至实施例三中的方案应用在实际油井中，具体实测参数如下：
79.1、st22150井，安装前电流8a，有功7.8，无功8，功率因数0.62；安装后电流3.7，有功7.1，无功0，功率因数1；有功节电率9％，按下限值3％当量计算综合节电率13％；
80.2、st2-7-171井，安装前电流25a，有功4.8，无功16，功率因数0.3；安装后电流6a，有功3.8，无功0，功率因数1；有功节电率20％，按下限值3％当量计算综合节电率29％；
81.3、stn2-511井，安装前有功7.3，无功9，功率因数0.65；安装后有功6.8，无功2，功率因数0.96；有功节电率6％，按下限值3％当量计算综合节电率10％；
82.4、stt143x36井安装前有功3,5，无功9，功率因数0.46；安装后有功3.1，无功1.4，功率因数0.96；有功节电率9％，按下限值3％当量计算综合节电率13％。
83.5、st2-0x181井安装前有功4.9，无功12，功率因数0.56；有功4.5，无功0.6，功率因数0.99；有功节电率8％，按下限值3％当量计算综合节电率13％。
84.6、st2-1-243井安装前电流13a，有功7.2，无功16，功率因数0.42；安装后电流9a，有功6.6，无功1,3，功率因数0.97；有功节电率8％，按下限值3％当量计算综合节电率14％。
85.7、st37288井安装前有功4.7，无功7，功率因数0.67；有功4.4，无功0.5，功率因数0.95；有功节电率6％，按下限值3％当量计算综合节电率10％。
86.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
87.在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
88.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
89.本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法，其特征在于，具体步骤为：s1、构建转子温度t与反电势e0关系曲线；s2、实时采集待控有载调压配电变压器次级绕组的输出电压u
e
和永磁电动机的转子温度t
sh
；s3、通过输出电压u
e
计算初级绕组输入电压获得当前高压电压u
e
；s4、依据实时采集的转子温度t
sh
调取转子温度t与反电势e0关系曲线中所对应的数值获得实时反电动势e
sh
；s5、通过反电动势e
sh
计算初级绕组输入电压的目标高压电压u
b
；s6、设定有载调压配电变压器的调档阀值，依据目标高压电压u
b
与当前高压电压u
e
的差值u
z
与阀值的对比调节变压器的档位。2.根据权利要求1所述的抽油机永磁电动机高效节能控制方法，其特征在于，步骤s6具体为：依据变压器高低压变比k，分别依次设置相邻档位的电压差值
△
，
△
＞0；将1/2
△
设定为相邻两档之间的调档阀值；当0＞u
z
≤1/2
△
时，维持原档位不变，当0＞u
z
且u
z
＞1/2
△
时，档位上升；当u
z
＜0且-u
z
≤1/2
△
，维持原档位不变，当u
z
＜0且-u
z
＞1/2
△
时，档位下降；档位上升和下降为逐级变换且每次档位上升和下降之后均需重新进行上述判断。3.根据权利要求1所述的抽油机永磁电动机高效节能控制方法，其特征在于，步骤s1具体为：s11、对适用范围区域内的抽油机进行跟踪测试，并测量每一台抽油机在不同转子温度下的反电动势，获得数据集；s12、对上述数据集进行处理获得反电动势和转子温度的关系曲线。4.根据权利要求1所述的抽油机永磁电动机高效节能控制方法，其特征在于，所述有载调压配电变压器具有若干档。5.一种基于根据权利要求1所述的抽油机永磁电动机高效节能控制方法的装置，其特征在于，包括用于检测有载调压配电变压器次级绕组输出电压的电压采集器和用于检测永磁电动机转子温度的温度传感器；还包括用于接收电压采集器和温度传感器信号的处理器，所述处理器能够通过电压采集器的信号计算当前高压电压u
e
，并根据温度传感器的信号调取对应的反电动势数值并计算获得目标高压电压u
b
；所述处理器能够进行阀值设定并根据u
b
和u
e
的差值u
z
与阀值的对比调节变压器的档位。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括用于检测变压器档位的档位传感器。7.一种抽油机永磁电动机高效节能控制装置，其特征在于，包括用于检测有载调压配电变压器次级绕组输出电压的电压采集器和用于检测永磁电动机转子温度的温度传感器；还包括用于接收电压采集器和温度传感器信号的处理器，所述处理器能够通过电压采集器的信号计算初级绕组输入电压获得当前高压电压u
e
，并根据温度传感器的信号调取对应的反电动势数值并计算获得初级绕组输入电压的目标高压电压u
b
；
所述处理器能够进行阀值设定并根据u
b
和u
e
的差值u
z
与阀值的对比调节变压器的档位。8.根据权利要求7所述的抽油机永磁电动机高效节能控制装置，其特征在于，所述有载调压配电变压器具有若干档。

技术总结
本发明提供了一种抽油机永磁电动机高效节能控制方法，属于永磁电动机控制技术领域。其技术方案为：构建转子温度T与反电势E0关系曲线；实时采集待控有载调压配电变压器次级绕组的输出电压U


技术研发人员：王莉 刘志强 范路 李炜 王树栋 王晓东 董伟佳 张仁鹏 李云飞 张晓菡
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心 胜利油田检测评价研究有限公司
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/7/25