專利名稱：中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種中壓潛油電泵智能磁控無級調 壓啟動控制裝置。二、 背景技術電潛泵的啟動方法有多種，如傳統(tǒng)的有級調壓啟動 方法有星/角變換啟動，自耦變壓器啟動，串連電抗器啟動等等。無級 調壓啟動方法有液阻軟啟動、晶閘管軟啟動、變頻啟動等。電潛泵主要 啟動方法的特點如下1、液阻軟啟動液阻是一種由電解液形成的電阻，它導電的本質是 離子導電。它的阻值正比于相對的二塊電極板的距離，反比于電解液的電 導率，極板距離和電導率都便于控制。液阻的熱容量大。液阻軟啟動有以 下缺點 一是液阻箱容積大；二是移動極板需要有一套伺服機構，難以實 現(xiàn)啟動方式的多樣化；三是液阻軟啟動維護周期短；四是液阻軟啟動裝置 不適合于置放在易結冰或顛簸的現(xiàn)場。2、 晶閘管軟啟動目前在低壓(380伏)范圍內，晶閘管軟啟動產品 價格已經下降到液阻軟啟動的大約2倍。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟啟 動。與液阻軟啟動相比，它具有體積小、結構緊湊，功能齊全，菜單豐富， 啟動重復性好，保護周全等優(yōu)點。晶閘管軟啟動產品的缺點有 一是高壓 產品的價格太高；二是晶閘管引起的高次諧波較嚴重；三是故障率高；尤 其是中壓軟啟動，在潛油電泵控制中， 一般啟動幾次就損壞了。3、 變頻啟動通過改變供電電源的頻率,啟動時，使?jié)撚碗姍C從零轉速 開始，無級升到額定轉速,達到限制啟動電流的目的。目前在油田電泵井
試用過的變頻啟動器有兩種形式 一是直接使用中壓變頻器；二是由升壓 變壓器、降壓變壓器和低壓變頻器組成的變頻啟動器。變頻器的最大優(yōu)勢 是調速，而僅僅應用在電潛泵的啟動上，難以發(fā)揮其主要作用，所以，無 論使用什么形式的變頻啟動，都存在造價太高， 一次投資大的缺點。從油 田電泵井曾經使用或正在使用的啟動控制器看，晶閘管軟啟動在使用了一 段時間后，由于自身故障率高，經常造成電泵井的啟動失敗而逐漸淘汰； 變頻軟啟動由于價格太高很難推廣。目前，油田已進入高含水開發(fā)后期，大量采用電動潛油離心泵(簡稱 電潛泵)提液上產成為一個重要的開發(fā)特點。隨著電潛泵井的增多及電潛 泵的工作環(huán)境特殊，由于它或由它引起的故障將對生產帶來很大的影響， 電潛泵在使用和維護的過程中，主要存在以下問題耗能較大電潛泵的 功率一般在100KW左右。自身造價高 一套電泵機組至少十幾萬元。故障 后的作業(yè)費用高電泵出故障后，維修費用可高達十幾萬元。造成電潛泵 故障的原因有多種，其中電潛泵的電機軸、泵軸、供電電纜這三項的損壞 事故，可占電潛泵機組故障總數(shù)的50%,這些損壞除了制造使用的原因 外，還與電潛泵的結構特點和啟動條件有關，而頻繁工頻啟動電潛泵是故 障頻繁發(fā)生的主要原因，電潛泵在工頻啟動時，具有以下缺點-1、 啟動電流大瞬時啟動電流約為額定工作電流的5 7倍，對電 纜和電動機的沖擊較大。如果電纜、電動機使用年限較長，或本身存在質 量缺陷，絕緣較差，就很容易發(fā)生電纜擊穿或電動機燒毀。2、 電機電纜壓降大啟動時電機電纜的反壓較高，使絕緣性能降低， 每次開機都會使電泵機組壽命大打折扣。
3、機械沖擊大工頻啟動時，啟動鈕矩瞬間加到電潛泵軸上，對電 潛泵的機械沖擊大，影響了電潛泵的使用壽命。三、發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種能夠延長潛油電泵的 維修周期，延長電泵油井的開采壽命，提高單井產量，降低單井生產成本 的潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制裝置。中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制裝置包括磁控軟啟動裝置， 通過串連在電機供電回路的一個電抗值可平滑調節(jié)的三相電抗器實現(xiàn)無 級調壓啟動，磁控軟啟動包括磁飽和鐵芯電抗，磁飽和電抗器包括具有串 在三相電動機定子進線側的交流繞組，還包括有控制鐵芯飽和程度的直流 繞組，交流繞組每相采用了 2個交流繞組，它們在直流繞組上的感應電勢 是反極性的，磁控軟啟動裝置為電流反饋閉環(huán)控制，來實現(xiàn)恒流軟啟動、 帶有限初始脈沖電流沖擊的軟啟動、斜坡電壓啟動，也可以實現(xiàn)軟停止， 磁飽和電抗器冷卻方式為空氣自然冷卻。由PLC控制磁控軟啟動。還包括 磁控電抗器調節(jié)器，其包括直流控制線圈、智能可控整流模塊、模塊保護 電路，直流控制線圈負責給磁控電抗器加直流勵磁使其逐漸飽和，降低磁控電抗器的電壓；智能可控整流模塊由控制中心控制其輸出直流電壓，從而改變直流線圈的勵磁電流，達到控制電抗器飽和。控制中心采用工業(yè)PLC控制。采用上述結構以后，磁控軟啟動裝置通過串連在電機供電回路的一 個電抗值可平滑調節(jié)的三相電抗器實現(xiàn)無級調壓啟動。電抗值的調節(jié)是平 滑的，通過控制中心按反饋原理實現(xiàn)。磁控軟啟動用磁飽和鐵芯電抗取代 固定鐵芯電抗，與固定鐵芯電抗軟啟動不同，磁飽和電抗器除了具有串在 三相電動機定子進線側的交流繞組(工作繞組)以外，還有控制鐵芯飽和 程度的直流繞組(勵磁繞組或控制繞組)，為了抵消交流繞蘊對于直流繞組的反作用，減少交流繞組電流在直流繞組上的感應電勢，每相采用了2 個交流繞組，它們在直流繞組上的感應電勢卻是反極性的。在啟動過程中 不斷增加鐵芯飽和度，減少交流線圈電感值，在電機的速度接近額定值時 電抗的端電壓小，被短接時不會有明顯的二次沖擊電流。磁控軟啟動裝置 采用電流反饋閉環(huán)控制，可實現(xiàn)恒流軟啟動、帶有限初始脈沖電流沖擊的 軟啟動、斜坡電壓啟動，也可以實現(xiàn)軟停止。因為磁飽和電抗器在軟啟 動過程結束后即被旁路，其冷卻方式為空氣自然冷卻。本啟動控制裝置采 用斜坡電壓啟動，加到電機上的電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統(tǒng) 的降壓啟動從有級變成了無級，降低電機啟動時對電泵軸的機械沖擊和對 電網(wǎng)的沖擊，尤其適合電潛泵的啟動。磁控軟啟動裝置的控制中心采用工 業(yè)PLC，具有可靠性高、抗干擾、在線調試、功能齊全、維護簡單等優(yōu)點。四、
附圖為本實用新型獨立結構磁控飽和電抗器示意圖。五、 具體實施例中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制裝置包括 磁控軟啟動裝置，通過串連在電機供電回路的一個電抗值可平滑調節(jié)的三 相電抗器實現(xiàn)無級調壓啟動，磁控軟啟動包括磁飽和鐵芯電抗，磁飽和電 抗器包括具有串在三相電動機定子進線側的交流繞組，還包括有控制鐵芯 飽和程度的直流繞組，交流繞組每相采用了 2個交流繞組，它們在直流繞 組上的感應電勢是反極性的，磁控軟啟動裝置為電流反饋閉環(huán)控制，來實 現(xiàn)恒流軟啟動、帶有限初始脈沖電流沖擊的軟啟動、斜坡電壓啟動，也可以實現(xiàn)軟停止，磁飽和電抗器冷卻方式為空氣自然冷卻。由PLC控制磁控軟啟動。還包括磁控電抗器調節(jié)器，其包括直流控制線圈、智能可控整流
模塊、模塊保護電路，直流控制線圏負責給磁控電抗器加直流勵磁使其逐漸飽和，降低磁控電抗器的電壓；智能可控整流模塊由控制中心控制其 輸出直流電壓，從而改變直流線圈的勵磁電流，達到控制電抗器飽和?？?制中心采用工業(yè)PLC控制。本裝置通過串連在電機供電回路的一個電抗值可平滑調節(jié)的三相電 抗器實現(xiàn)無級調壓啟動。電抗值的調節(jié)是平滑的，通過控制中心按反饋原 理實現(xiàn)。磁控軟啟動用磁飽和鐵芯電抗取代固定鐵芯電抗，與固定鐵芯電 抗軟啟動不同，磁飽和電抗器除了具有串在三相電動機定子進線側的交流 繞組(工作繞組)以外，還有控制鐵芯飽和程度的直流繞組(勵磁繞組或 控制繞組)，為了抵消交流繞組對于直流繞組的反作用，減少交流繞組電 流在直流繞組上的感應電勢，每相采用了 2個交流繞組，它們在直流繞組 上的感應電勢卻是反極性的。在啟動過程中不斷增加鐵芯飽和度，減少交 流線圏電感值，在電機的速度接近額定值時電抗的端電壓小，被短接時不 會有明顯的二次沖擊電流。磁控軟啟動裝置采用電流反饋閉環(huán)控制，可實 現(xiàn)恒流軟啟動、帶有限初始脈沖電流沖擊的軟啟動、斜坡電壓啟動，也可 以實現(xiàn)軟停止。因為磁飽和電抗器在軟啟動過程結束后即被旁路，其冷 卻方式為空氣自然冷卻。如圖所示1、 2—A相鐵心3、 4—B相鐵心 5、 6—C相鐵心7、 8—A相交流繞組10、 ll一B相交流繞組13、 14—C相交流繞組9一A相直流繞組 12—B相直流繞組 15—C相直流繞組本裝置的硬件主要由以下幾部分組成1、磁控電抗器
磁控電抗器是由特殊工藝結構設計的新型電抗器，具有可調范圍大、 體積小、噪音低、功率損耗小等優(yōu)點。針對不同功率、不同電壓等級、不 同啟動要求的各類負載，磁控電抗器的設計計算又很大差別，由于鐵芯材 料磁導率的非線性，在設計磁控電抗器時，除了先根據(jù)理論公式初步確定 鐵芯、交流繞組、直流控制繞組基本參數(shù)外，需要做大量的模擬實驗，通 過實驗數(shù)據(jù)的總結、比對、調整、分析，得到與控制要求相吻合的設計參 數(shù)。啟動時，磁控電抗器產生符合設計要求的電壓降，使加到潛油電機 的電壓較低，啟動電流在電機額定電流以下，隨著控制電路的調節(jié)，使磁 控電抗器上的壓降逐漸減小，電機電壓無級上升，電機轉速緩慢上升，直 至電機接近全壓，啟動過程結束。2、 磁控電抗器調節(jié)器該部分主要由直流控制線圈、智能可控整流模塊、模塊保護電路等組 成。直流控制線圈負責給磁控電抗器加直流勵磁使其逐漸飽和，降低磁控 電抗器的電壓；智能可控整流模塊由控制中心控制其輸出直流電壓，從而 改變直流線圈的勵磁電流，達到控制電抗器飽和的目的；在啟動過程中， 直流線圈的感應電壓有時會很高，通過線路的連接傳到智能模塊，嚴重時 會擊穿模塊，模塊保護電路能有效抑制過電壓產生或給過電壓提供放電回 路，起到保護智能模塊的作用。3、 控制中心控制中心采用工業(yè)PLC控制，作為成熟的工業(yè)控制器，PLC具有運算速度快，控制精度高，抗干擾能力強，可靠性高等優(yōu)點。 控制中心具有以下作用(1) 智能模塊控制根據(jù)反饋電流的大小，自動設置輸出時間、輸 出電壓上升率等。(2) 接受主電路的電流反饋信號，以此作為控制電壓輸出的判斷依 據(jù)，實時調節(jié)輸出電壓，達到順利啟動的目的。(3) 啟動過程監(jiān)控能監(jiān)視啟動過程中的各種異常變化，并根據(jù)出 現(xiàn)啟動異常的器件、接點、電機電流值、輸出電壓等的不同，做相應的處 理。(4) 具有過載、過流、斷相、接觸器故障、擴展模塊故障保護等功 能。(5) 具有啟動電流設定、啟動時間設定、運行電流監(jiān)控、保護延時 時間調整等。(6) 具有軟停機功能可避免電潛泵因直接停機造成的機械沖擊。主程序模塊主要有以下控制處理模塊組成初始化模塊、控制器狀態(tài) 監(jiān)控模塊、PID控制模塊、故障處理模塊、電機電流處理模塊、參數(shù)設置 模塊、輸出模塊等?？刂破鞯能浖饕瓿煞答侂娏鞯牟杉幚怼㈦娏鞯?計算、過載的判斷、缺相處理、擴展模塊檢測、啟動時間、啟動電流的設 定接受、監(jiān)視量的顯示、啟動失敗報警等功能。
權利要求1、 一種中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制裝置，由磁控電抗 器、控制中心組成，其特征在于磁控電抗器串聯(lián)在電源和潛油電機之間， 每個電抗器包括兩個口型鐵心和三個繞組，兩個是交流繞組， 一個是直流 繞組；控制中心控制磁控電抗器的接通和斷開及飽和程度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制 裝置，其特征在于控制中心通過智能可控整流模塊輸出直流電壓，調節(jié) 直流繞組的電流大小，控制鐵心的飽和程度，改變交流繞組的電抗值實現(xiàn) 調壓啟動。
3、 根據(jù)權利要求1所述的中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制 裝置，其特征在于交流繞組每相采用了2個交流繞組串聯(lián)。
4、 根據(jù)權利要求1所述的中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制 裝置，其特征在于控制中心采用工業(yè)PLC控制。
專利摘要本實用新型涉及一種中壓潛油電泵智能磁控無級調壓啟動控制裝置，提供了一種能夠延長潛油電泵的維修周期，提高單井產量的裝置。該裝置由磁控電抗器、控制中心組成，磁控電抗器串聯(lián)在電源和潛油電機之間，每個電抗器包括兩個口型鐵心和三個繞組，兩個是交流繞組，一個是直流繞組；控制中心控制磁控電抗器的接通和斷開及飽和程度?？刂浦行耐ㄟ^智能可控整流模塊輸出直流電壓，調節(jié)直流繞組的電流大小，控制鐵心的飽和程度，改變交流繞組的電抗值實現(xiàn)調壓啟動。本啟動控制裝置采用斜坡電壓啟動，加到電機上的電壓由小到大斜坡線性上升，尤其適合電潛泵的啟動。磁控軟啟動裝置的控制中心采用工業(yè)PLC，具有可靠性高、抗干擾等優(yōu)點。
文檔編號H02P1/26GK201039048SQ20072001954
公開日2008年3月19日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權日2007年3月19日
發(fā)明者滿德金, 王心剛, 利 賀, 忠 陽 申請人:王心剛;賀 利