專利名稱：油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種穩(wěn)壓器，具體是一種油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
在陸上油田石油開采中，通常采用電動機做為動力，帶動油井抽油裝置，將石油抽 出地面，再經(jīng)管道運送到預(yù)定地點。因為油井的狀況復(fù)雜，常有沙子堵轉(zhuǎn)等情況，因此需要 很大的啟動轉(zhuǎn)矩，然而在正常情況下，所需的轉(zhuǎn)矩相對于啟動和堵沙時要小幾倍，如果采用 三相異步電動機，為了適應(yīng)啟動和堵沙時的大轉(zhuǎn)矩要術(shù)，常選的電機功率很大，但大多正常 抽油過程中所需轉(zhuǎn)矩又較小，會出現(xiàn)電力浪費的現(xiàn)象，再加上三相異步電動機功率因數(shù)偏 低，所以電力浪費現(xiàn)象非常嚴(yán)重。近年來越來越多的油井更換為三相永磁同步電機，在同等 額定功率的電機中，三相永磁同步電機比三相異步電機的啟動轉(zhuǎn)矩大得多，并且功率因數(shù) 也比前者優(yōu)越，在最佳工作狀態(tài)下，不用補償便可以達到或接近于1。三相永磁同步電機對電源電壓精度要求非常高，工作在電源電壓正好等于其產(chǎn)生 的反電動勢的請況下，功率因數(shù)最高，可達到1。如果電源電壓偏離最佳值，則功率因數(shù)大幅 下降，產(chǎn)生大量無功功率和線損。目前傳統(tǒng)的解決辦法主要有兩種其一是采用無功補償?shù)?方法，因為三相永磁同步電機在偏低電壓情況下運行時呈現(xiàn)容性，而在偏高的電壓情況下 運行時呈現(xiàn)感性，因此補償電路需要電力電容和電抗兩種補償，電路復(fù)雜，成本高；因電機 制造工藝差異、油井負(fù)荷不同、電壓波動或電機老化、退磁等因素，每個油井電機的所需補 償量是不同的，并且常變化，所以采用補償方式并不能完全滿足要求，經(jīng)常發(fā)生補不到或補 過的情況。其二是使用穩(wěn)壓器，通常，傳統(tǒng)的穩(wěn)壓器使用前由人工設(shè)定輸出穩(wěn)壓值后，便固 定不變了，同樣因電機制造工藝差異、油井負(fù)荷變化、電壓波動或電機老化、退磁等因素，每 個油井電機的反電動勢是不同和變化的，不能使電機紿終工作在最佳狀態(tài)。而三相永磁同 步電機對電壓非常敏感，穩(wěn)壓器輸出值偏離其反電動勢2V(相當(dāng)于0. 5% )，無功功率便明 顯增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的主要目的是提供一種通過采集電動機的 電壓、電流數(shù)據(jù)，自動計算實時的電壓、電流幅值以及其相位、功率因數(shù)，對穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓值 做實時調(diào)整，使其始終工作在最佳狀態(tài)的油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器。油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，它在三項電源與三相永磁同步電動機 之間，設(shè)置電壓補償電路和測控電路兩部分；所述電壓補償電路輸入端接入入相電壓線路 (Al相、Bl相、Cl相三相輸入)，輸出端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相三相輸出)； 測控電路輸入端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相)，輸出端連入電壓補償電路。所述電壓補償電路由變壓器、調(diào)壓器、步進電機、碳刷組成；變壓器次級線圈接在 相電路中，初級線圈兩端接入滑動調(diào)壓器滑動碳刷，并由步進電機帶動碳刷在滑動式調(diào)壓 器上做相對運動；
所述測控電路包括一個進行A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5620AD集成電路和一個大功率三 極管陣列集成電路ULN2803A ；測控電路其電路結(jié)構(gòu)首先每一相均通過兩級電流互感器串接的方式接入三個出 相電壓線路(A2相、B2相、C2相)；所述兩級電流互感器串接，即每一相中，相線穿心通過第 一級的互感器，將第一級的次級線穿心通過第二級的互感器，再將第二級的次級線分別通 過二極管V4 6接入到集成電路STC12C5620AD的12 14管腳；STC12C5620AD的17 15管腳分別通過串聯(lián)的二極管Vl 3直接對應(yīng)連接三個出相電壓線路A2相、B2相、C2 相；STC12C5620AD管腳12 17分別通過串接的電阻器R5 10接地；STC12C5620AD的 20管腳以及STC12C5620AD的10管腳分別接開關(guān)電源5V管腳；開關(guān)電源5V管腳經(jīng)電解 電容C2接STC12C5620AD的1管腳，并且通過電解電容Cl與接入STC12C5620AD的1管腳 的電阻器Rl并聯(lián)后接地；STC12C5620AD的4、5管腳之間接由晶振Gl和兩電容C3、C4組 成的電容三點式振蕩電路；STC12C5620AD的2、3管腳分別對應(yīng)連接ULN2803A的6、5管腳； STC12C5620AD 的 6、7、8、9 管腳分別對應(yīng)連接 ULN2803A 的 4、3、2、1 管腳；STC12C5620AD 的 10管腳和ULN2803A的9管腳分別接地；ULN2803A的18管腳DRA、16管腳DRB、14管腳DRC 分別連入所述步進電機的Al相、A2相、A3相的DR端口 ；ULN2803A的17管腳DPA、15管腳 DPB、13管腳DPC分別連入所述步進電機的Al相、A2相、A3相的DP端口。所述開關(guān)電源接入A2相線路、零線N，另接地；開關(guān)電源控制的輸出線路包括5V 供電線路和24V供電線路；24V供電線路接入所述電壓補償電路中的步進電機。本發(fā)明的有益效果是自動采集電動機的電壓、電流數(shù)據(jù)，自動計算實時的電壓、 電流幅值以及其相位、功率因數(shù)，由電壓與電流間的相位差間接判斷工作電壓是高于還是 低于最佳工作點電壓，并估算相應(yīng)的負(fù)荷變化，根據(jù)這些綜合信息，對穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓值做實 時調(diào)整，自適應(yīng)跟蹤電動機的反電動勢，使其始終工作在較高功率因數(shù)的狀態(tài)。通過全自動穩(wěn)壓，實時跟蹤電動三相永磁同步電動機的反電動勢，使油田抽油機 可達到非常高的功率因數(shù)，提高效率，降低無功損耗，增加電網(wǎng)容限，節(jié)省電費，具有較高的 經(jīng)濟效益；同時符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排政策，具有明顯的社會意義。


下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明進行說明圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明電壓補償電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明測控電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，它在三項電源與三相永 磁同步電動機之間，設(shè)置電壓補償電路和測控電路兩部分；所述電壓補償電路輸入端接入 入相電壓線路(Al相、Bl相、Cl相三相輸入)，輸出端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2 相三相輸出)；測控電路輸入端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相)，輸出端連入電壓 補償電路。由測控單元采集輸出端的電壓、電流參數(shù)，計算三相永磁同步電動機的運行指標(biāo)，估算輸出電壓與最佳工作電壓的差值，控制電壓補償單元產(chǎn)生一個大小可調(diào)、極性可變的 補償電壓，疊加在輸入電壓上，達到輸出電壓可調(diào)，通過不斷的調(diào)整，使相永磁同步電動機 始終工作在較高效率的狀態(tài)。三相永磁同步電動機的工作特性為當(dāng)電源電壓恰好等于其反電動勢時，效率最 高，功率因數(shù)為1，此時，電壓和電流的相位一致，相位差為0 ；當(dāng)電源電壓小于其反電動勢 時，效率變低，功率因數(shù)小于1，此時，電機偏向于容性負(fù)載，電流相對于電壓超前一個相位 差，無功功率為負(fù)；當(dāng)電源電壓大于其反電動勢時，效率變低，功率因數(shù)小于1，此時，電機 偏向于感性負(fù)載，電流相對于電壓滯后一個相位差，無功功率為正。因此，可以用檢測電壓、電流相位差的方法來間接判斷電源電壓是小于相永磁同 步電動機的反電動勢，還是大于其反電動勢，而不必直接測量反電動勢的大小。以三相中一相(A相)為例，其余兩相同理，測控單元實時檢測電機電流相對于 電壓的相位差，設(shè)為0，當(dāng)0<0時，功率因數(shù)為cos0<l，代表電源電壓小于其反電動勢時，測 控單元發(fā)出相應(yīng)控制信號，使補償單元產(chǎn)生一個正的電壓，疊加在線路上，輸出電壓增加； 當(dāng)0>0時，功率因數(shù)為cos0<l,代表電源電壓大于其反電動勢時，測控單元發(fā)出相應(yīng)控制 信號，使補償單元產(chǎn)生一個負(fù)的電壓，疊加在線路上，輸出電壓減??；當(dāng)0=0時，功率因數(shù)為 cos0=l，代表電源電壓等于其反電動勢時，測控單元不發(fā)控制信號，輸出電壓不變。如圖2所示，所述電壓補償電路由變壓器、調(diào)壓器、步進電機、碳刷組成；以三相中 一相(A相)為例，其余兩相同理，變壓器次級線圈接在相電路中，初級線圈兩端接入滑動調(diào) 壓器滑動碳刷，并由步進電機帶動碳刷在滑動式調(diào)壓器上做相對運動；在變壓器初級線圈 中便產(chǎn)生大小可調(diào)、極性可變、相位和A1相一致的激勵電壓，那么，在變壓器輸出側(cè)次級線 圈中便產(chǎn)生一個補償電壓，疊加在A1相線上，形成輸出相電壓A2。如圖3所示，所述測控電路包括一個進行A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5620AD集成電路和一 個大功率三極管陣列集成電路ULN2803A ；測控電路其電路結(jié)構(gòu)首先每一相均通過兩級電流互感器串接的方式接入三個出 相電壓線路(A2相、B2相、C2相)；所述兩級電流互感器串接，即每一相中，相線穿心通過 第一級的互感器，再將第一級的次級線穿心通過第二級的互感器，再將第二級的次級線分 別通過二極管V4 6接入到集成電路STC12C5620AD的12 14管腳；STC12C5620AD的 17 15管腳分別通過串聯(lián)的二極管VI 3直接對應(yīng)連接三個出相電壓線路A2相、B2相、 C2相；STC12C5620AD管腳12 17分別通過串接的電阻器R5 10接地；STC12C5620AD的 20管腳以及STC12C5620AD的10管腳分別接開關(guān)電源5V管腳；開關(guān)電源5V管腳經(jīng)電解電 容C2接STC12C5620AD的1管腳，并且通過電解電容C1與接入STC12C5620AD的1管腳的 電阻器R1并聯(lián)后接地；STC12C5620AD的4、5管腳之間接由晶振G1和兩電容C3、C4組成 的電容三點式振蕩電路；STC12C5620AD的2、3管腳分別對應(yīng)連接ULN2803A的6、5管腳； STC12C5620AD 的 6、7、8、9 管腳分別對應(yīng)連接 ULN2803A 的 4、3、2、1 管腳；STC12C5620AD 的 10管腳和ULN2803A的9管腳分別接地；ULN2803A的18管腳DRA、16管腳DRB、14管腳DRC 分別連入所述步進電機的A1相、A2相、A3相的DR端口 ；ULN2803A的17管腳DPA、15管腳 DPB、13管腳DPC分別連入所述步進電機的A1相、A2相、A3相的DP端口。所述開關(guān)電源接入A2相線路、零線N，另接地；開關(guān)電源控制的輸出線路包括5V 供電線路和24V供電線路；24V供電線路接入所述電壓補償電路中的步進電機。
電流互感器可根據(jù)實際情況選配，要求是在最大電流時，在集成電路側(cè)輸入端的 電壓不超過5V。例如兩級電流互感器串接，一級的比值是100 5，即初級100A時，次級 產(chǎn)生5A的電流，二級選的是2500 1的互感器，即將5A的電流再變成2mA。如果在相線上 的電流是100A，則在集成電路側(cè)產(chǎn)生有效值為2V的交流電壓，其半波峰值約為2. 8V，小于 5V,目的是以免電壓過高損壞集成電路。三路電流信號分別輸入到集成電路STC12C5620AD 的12 14腳，進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號變成數(shù)字信號，供后續(xù)處理。相線電壓通過電阻R2 4分壓，變?yōu)樾∮?V的交流半波電壓，輸入到集成電路 STC12C5620AD的15 17腳，進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號變成數(shù)字信號，供后續(xù)處理。集成電路STC12C5620AD是一個兼容80C51指令集的高速單片機，內(nèi)置8路10位 A/D轉(zhuǎn)換器；ULN2803A是一個大功率三極管陣列集成電路。步進電機選用直流24V驅(qū)動的型號，DR為方向控制，高電平時電機正轉(zhuǎn)，低電平時 反轉(zhuǎn)；DP為脈沖輸入，每輸入一個脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，步距在1/100000 1/360 圈之間可設(shè)定。一、正常使用條件1.海拔高度不超過1000m ；2.環(huán)境溫度為-25°C +50°C ；3.相對濕度不超過90% (20°C )；4.運行安裝地點無導(dǎo)電和爆炸塵埃，無腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體或蒸汽；5.輸入電壓的頻率波動不超過士2% ；6.三相穩(wěn)壓器的輸入電壓不對稱度不大于10%，負(fù)載電流的不對稱度不大于 10% ；7.輸入電壓波形的相對諧波含量不超過10% ；8.安裝場所應(yīng)無明顯的震動和沖擊。二、主要技術(shù)性能1.輸入電壓范圍304V 456V ；2.輸出電壓385 400V可任意設(shè)定；3.穩(wěn)定精度士 1.5% ；4.工作頻率50/60Hz ；5.抗電強度工頻2000VU分鐘；6.絕緣電阻大于2MQ ；7.過壓保護電壓418士4V ；欠壓保護電壓342士4V。
權(quán)利要求
油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，其特征是三項電源與三相永磁同步電動機之間，設(shè)置電壓補償電路和測控電路兩部分；所述電壓補償電路輸入端接入入相電壓線路(A1相、B1相、C1相三相輸入)，輸出端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相三相輸出)；測控電路輸入端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相)，輸出端連入電壓補償電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，其特征是所述 電壓補償電路由變壓器、調(diào)壓器、步進電機、碳刷組成；變壓器次級線圈接在相電路中，初 級線圈兩端接入滑動調(diào)壓器滑動碳刷，并由步進電機帶動碳刷在滑動式調(diào)壓器上做相對運 動；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，其特征是所述 測控電路包括一個進行A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5620AD集成電路和一個大功率三極管陣列集成 電路 ULN2803A ；測控電路其電路結(jié)構(gòu)首先每一相均通過兩級電流互感器串接的方式接入三個出相電 壓線路(A2相、B2相、C2相)；所述兩級電流互感器串接，即每一相中，相線穿心通過第一 級的互感器，再將第一級的次級線穿心通過第二級的互感器，再將第二級的次級線分別通 過二極管(V4 6)接入到集成電路STC12C5620AD的(12 14)管腳；STC12C5620AD的 (17 15)管腳分別通過串聯(lián)的二極管(VI 3)直接對應(yīng)連接三個出相電壓線路(A2相、 B2相、C2相)；STC12C5620AD管腳(12 17)分別通過串接的電阻器(R5 10)接地； STC12C5620AD的(20)管腳以及STC12C5620AD的(10)管腳分別接開關(guān)電源5V管腳；開關(guān) 電源5V管腳經(jīng)電解電容(C2)接STC12C5620AD(1)管腳，并且通過電解電容(Cl)與接入 STC12C5620AD(1)管腳的電阻器(Rl)并聯(lián)后接地；STC12C5620AD的(4、5)管腳之間接由晶 振(Gl)和兩電容(C3、C4)組成的電容三點式振蕩電路；STC12C5620AD的⑵、(3)管腳分別 對應(yīng)連接ULN2803A的(6)、(5)管腳；STC12C5620AD的(6)、(7)、(8)、(9)管腳分別對應(yīng)連 接 ULN2803A 的(4)、(3)、(2)、(1)管腳；STC12C5620AD 的(10)管腳和 ULN2803A 的(9)管 腳分別接地；ULN2803A的(18)管腳DRA、(16)管腳DRB、(14)管腳(DRC)分別連入所述步 進電機的(Al)相、(A2)相、(A3)相的DR端口 ；ULN2803A的(17)管腳DPA、(15)管腳DPB、 (13)管腳DPC分別連入所述步進電機的(Al)相、(A2)相、(A3)相的DP端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，其特征是所述 開關(guān)電源接入(A2)相線路、零線(N)，另接地；開關(guān)電源控制的輸出線路包括5V供電線路 和24V供電線路；24V供電線路接入所述電壓補償電路中的步進電機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種油田采油井三相永磁同步電機專用穩(wěn)壓器，解決現(xiàn)有設(shè)備油田采油井三相永磁同步電動機由于電壓波動所造成的電力浪費的現(xiàn)象。它在三項電源與三相永磁同步電動機之間，設(shè)置電壓補償電路和測控電路兩部分；所述電壓補償電路輸入端接入入相電壓線路(A1相、B1相、C1相三相輸入)，輸出端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相三相輸出)；測控電路輸入端連接出相電壓線路(A2相、B2相、C2相)，輸出端連入電壓補償電路，它通過全自動穩(wěn)壓，實時跟蹤三相永磁同步電動機的反電動勢，使油田抽油機可達到非常高的功率因數(shù)，提高效率，降低無功損耗，增加電網(wǎng)容限，節(jié)省電費。
文檔編號H02J3/12GK101950967SQ20101026217
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者王明合 申請人:王明合