抽油机柔性自限式平衡拖动系统和方法与流程

1.本发明涉及抽油机拖动控制技术领域，具体涉及抽油机柔性自限式平衡拖动系统和方法。


背景技术：

2.抽油机是石油开采中的一种必备设备，俗称“磕头机”，通过提捞的方法使石油出井，常用的抽油机多为游梁式抽油机，该游梁式抽油机在工作时，采用电动机带动皮带轮再经过减速机拖动抽油机装置做上下运动实现抽油工作。但由于抽油机结构等原因，抽油机设备会在运行过程出现供液不足的现像，供液不足会破坏抽油机原有的平衡状态。主要表现在下冲程时，悬点载荷大于曲柄重量。导致出现再生发电状态，以提升机的应用为例，当提升重物时，四象限变频器拖动电机克服重力做工，电动机处于电动状态。当下放重物时，逆变侧产生励磁电流，重力牵引电机发电，电动机处于发电状态。势能转化为电能通过整流侧回馈的电网，抽油机本质上像是一个天平，平衡块(悬点载荷)向下走的时候，如果平衡块(悬点载荷)重量大于悬点载荷(平衡块)，电机不是在电动的状态下运行，而是被负载力拖动的旋转，这个状态叫再生发电状态。
3.公告号为cn104948142b，该发明公开了一种游梁式抽油机节能装置，包括节能装置连杆、节能装置曲柄、齿轮箱和配重块，齿轮箱内设有通过齿牙相互咬合的大、小齿轮；节能装置连杆一端铰接于抽油机连杆和抽油机曲柄的铰接点上，另一端铰接节能装置曲柄一端，节能装置曲柄另一端固定于大齿轮的轮轴上；配重块通过配重块曲柄固定于小齿轮的轮轴上。该游梁式抽油机节能装置将抽油机游梁在上下冲程达到顶点及附近区域时的电机电能转化为配重块的机械势能储存，并在游梁上行程抽油和下行程提升平衡块做功以将该机械势能释放，降低了抽油机游梁上行程抽油和下行程的负荷峰值，合理利用能源，减少电机运转过程中的能耗，提升电能转化机械能的效率。上述节能装置仅仅是基于对抽油机的节能连杆改进，得到节能的技术效果，但整体上增大了抽油机的体积，且机械结构之间摩擦多，损耗大，不适合推广应用。
4.因此，特定对四象限电机进行改进，减少电机空负荷运转造成的损耗。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供抽油机柔性自限式平衡拖动系统，通过电机系统的改造，不改变抽油机的结构，避免产生的电能冲击电网，通过将电能抽出来，输送给磁轭，磁轭带动磁极上的挡板产生制动力，阻止电机输出轴继续转动，消除再生发电状态，；
6.本发明所采用的技术方案是：一方面，抽油机柔性自限式平衡拖动系统，电机的输出轴依次设置有磁轭、挡板和皮带轮，变频器分别与电机和磁轭电气连接，电机输出轴带动挡板和皮带轮转动，当电机的输出轴超出同步转速转动时产生再生发电状态，变频器与磁轭通电产生磁力，吸附挡板上的磁极，电机的输出轴受到挡板的反向作用力直至再生发电状态消失。
7.优选的，所述所述皮带轮远离电机输出轴的一侧设置有挡片，挡片通过固定螺栓与皮带轮连接。
8.优选的，所述磁轭设置在法兰盘上，所述法兰盘的面积与所述挡板的面积适配。
9.优选的，所述磁轭的置入端与所述磁极的置入端相向设置。
10.优选的，所述挡板通过固定螺栓与皮带轮固定连接，所述挡板的中心设置有固定孔，所述挡板通过所述固定孔与所述电机的输出轴过盈配合，所述法兰盘通过固定螺栓与电机的外壳固定连接，所述法兰盘上设置有通孔，所述通孔与所述电机的输出轴过隙配合。
11.另一方面，抽油机柔性自限式平衡拖动方法，在抽油机进行下冲程工作时，电机具体平衡控制内容包括下列步骤：
12.步骤1：下冲程时，驴头下行，位于游梁上平悬点另一侧的平衡块上行，当载荷重量大于平衡块时，执行步骤2，当载荷重量小于平衡块时，执行步骤3；
13.步骤2：平衡块被载荷拖动旋转时，电机产生再发电状态，变频器连通磁轭，磁轭得电并产生磁力，磁极根据磁力产生反作用力进而制动电机输出轴转动，直至再发电状态消失，执行步骤3；
14.步骤3：电机输出功率带动平衡块向上行走，电机正常运行，抽油机维持平衡工作。
15.另一方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序被一个或多个处理器执行时实现如上述的抽油机柔性自限式平衡拖动方法。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
17.1.仅需对电机中增加磁极和磁轭，就可平衡抵消电机的再发电状态；
18.2.无机械损耗，寿命长，能够使得电机输出功率一直处于平衡状态。
附图说明
19.图1为本发明的电机结构原理图；
20.图2为本发明的电机中变频器的工作原理图；
21.图3为本发明的抽油机的工作过程原理图；
22.图4为本发明的一个实施例中电机输出功率原理图。
具体实施方式
23.下面结合本发明的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“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，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的限制。
25.实施例1：
26.本实施例进一步细化各个结构的连接方式，但并不是本发明的唯一设置方式。
27.1、磁轭与电机通过固定螺栓固定在一起，磁轭永远不会旋转。
28.2、皮带轮与挡板通过固定栓固定在一起，挡板随皮带轮一起旋转。
29.3、皮带轮与挡板的组合通过挡片与固定螺栓，固定在电机轴上。
30.4、磁轭与挡板之间有5-10毫米的距离，并没有完全接触到一起。
31.5、磁轭与变频器直流输出端相连接。
32.6、挡板上有磁极。所述磁极与磁轭适配，用以产生电机自转的反作用力。
33.7、变频正常时驱动电机旋转。
34.8、当发再生发电状态，电机产生的电能将反馈到变频器内。变频内就会将这部分能量传送到磁轭上。
35.9、磁轭得电，产生磁力。吸引挡板上的磁极。由于磁轭固定在电机上，吸力就变成制动的力量，阻碍电机旋转。再生发电的电量越强，阻力越大。阻力越大，制动力越强，再生发电状态就会自动消失。
36.再生发电的能量不但没有反馈电网，消耗不必要的电能。反而变成了阻碍再生发电的制动力量。使抽油机始终运行在平衡的状态。
37.游梁式抽油机是油田上最广泛的举升装置。但由于抽油机结构等原因，抽油机设备会在运行过程出现供液不足的现像，供液不足会破坏抽油机原有的平衡状态。主要表现在下冲程时，悬点载荷大于曲柄重量。导致出现再生发电状态。
38.上冲程时，驴头上行，平衡块下行，平衡块自身重量也向下。但悬点载荷加上产液量重量，大于平衡块重量。此时需电机做功，将平衡向下驱动。此时平衡块重量加电机功率输出，才能保证驴头上行。
39.下冲程时，驴头下行，平衡块上行，平衡块自身重量还是向下。但平悬点载荷的重力的方向与平衡块相反。虽然悬点载荷重量由于没有了产液量那的部分重要，略轻于平衡块，但却抵消了大部分平衡块重量，电机只要输出少部分功率，就可以让平衡块向上行走。
40.从图和表中所展示的情况，我们不难分析出电机输出功率，只要在图4中1、2区域内，都是合理的。当然图4中标记1的是最佳区域。抽油机柔性自限式平衡拖动系统的作用就是把平衡度控制在标记1区域内。
41.标记区域中心点就是对应产液量1/2所消耗的电功率。如果平衡度控制在标记1区域内。那么抽油机上下行程所做的功能都应该是正功率。
42.值得说明的是，挡板与电机输出轴连接在一起，发生同步转动。磁轭是固定安装但不随电机输出轴转动，再生发电状态时，给磁轭通电，磁轭产生磁力，是一个不能旋转的固定磁力吸住挡板，使挡板的旋转受到阻力，电机的旋转也受到了阻力。再生发电状态越严重，产生的电量就越高，电量越高，磁轭产生的强力就越大，挡板受到的阻力也就越大，电机受到的阻力也就越大，电机受到了阻力大了，再生发电状态就消失了。这个流程是电机用自己发的电能，通过本结构把自己限制了，从而消除了再生发电状态。
43.综上所述，本发明的实施原理为：通过电机在超同步转速的情况下，变频器驱动带动磁轭产生特定磁场，进而挡板上的磁极受到了磁力使得挡板在反作用力下阻止了电机输出轴的继续转动，直至电机旋转速度下降到低于同步转速，抑制了电机再生发电，本发明仅仅通过在电机上加装磁轭和磁极，仅仅在再生发电的情况下产生反作用力，故致损率低，损耗低，使用寿命长，适合推广。