游梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制装置

1. 一种游梁式抽油机异步电机节能控制方法，其中，包括步骤：
步骤10、在异步电机通电运行状态下，数据采集单元实时采集异步电机运 行时的电压和电流瞬时值，并将电压和电流数据传输给计算机控制器；
步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状 态时，输出控制信号给驱动单元；
步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接；
步骤40、异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，数据采集单元实 时采集所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流瞬时值，并将电压和电流 数据传输给计算机控制器；
步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流数 据判断异步电机进入电动状态时，输出控制信号给驱动单元；
步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接。
2. 根据权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机节能控制方法，其中， 所述步骤20具体为：
步骤201、计算机控制器根据所述电压和电流数据计算异步电机有功功率值；
步骤202、当所述有功功率值小于功率预设值时，计算机控制器判断异步 电机开始进入发电状态；
步骤203、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。
3. 根据权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机节能控制方法，其中， 所述步骤50具体为：
步骤501、计算机控制器的软仪表单元根据所述孤岛发电系统中异步电机 的电压和电流数据计算异步电机的转速；
步骤502、计算机控制器计算所述转速与异步电机同步转速的差值；
步骤503、当所述差值小于预设差值时，计算机控制器判断异步电机开始 进入电动状态；
步骤504、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。
4. 根据权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机节能控制方法，其中， 所述步骤30后、步骤40前还包括一与异步电机串联的伪负载和稳频稳压电 路控制异步电机转速的步骤，具体为：
步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压；
步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时，稳频稳压电路 的可控硅导通，伪负载消耗超临界能量；
步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳 频稳压电路的可控硅关断。
5. 根据权利要求1所述的游梁式抽油机异步电机节能控制方法，其中， 所述步骤60后还包括驱动单元控制第二开关组件闭合、将无功补偿电容器并 联接入所述交流电源的步骤，相应地，在下一个循环中的步骤20后、步骤 30前还包括驱动单元控制第二开关组件断开、切断无功补偿电容器与交流电 源连接的步骤。
6. 一种游梁式抽油机异步电机节能控制装置，其特征在于，包括连接在 异步电机和交流电源回路上的第一开关组件和与异步电机连接的空载励磁电 容器，所述第一开关组件与一控制其接通或断开的驱动单元连接，所述驱动 单元与一发出接通或断开控制信号的计算机控制器连接，所述计算机控制器 与一采集所述异步电机电压和电流瞬时值的数据采集单元连接，所述计算机 控制器包括串接的控制单元和软仪表单元，所述软仪表单元与所述数据采集 单元连接，用于根据接收到的电压和电流数据计算异步电机的转速和有功功 率值，所述控制单元与所述驱动单元连接，用于根据所述有功功率或转速值 判断异步电机进入发电或电动状态的时刻，并向驱动单元发出断开或接通控 制信号。
7. 根据权利要求6所述的游梁式抽油机异步电机节能控制装置，其特征 在于，所述异步电机还与一串联的伪负载和稳频稳压电路连接，所述稳频稳 压电路为多挡调节的双向可控硅电路，所述伪负载为串接的电阻和电容。
8. 根据权利要求6所述的游梁式抽油机异步电机节能控制装置，其特征 在于，所述交流电源还并联一串接的第二开关组件和无功补偿电容器，所述 第二开关组件与所述驱动单元连接。
9. 根据权利要求6所述的游梁式抽油机异步电机节能控制装置，其特征 在于，所述第一开关组件为并联的电子调压开关和机械开关，所述电子调压 开关和机械开关与所述驱动单元连接。
10. 根据权利要求8所述的游梁式抽油机异步电机节能控制装置，其特 征在于，所述第二开关组件为并联的电子开关和机械开关，所述电子开关和 机械开关与所述驱动单元连接。

技术领域\n本发明涉及石油开采机械领域，尤其涉及一种基于孤岛发电技术的游 梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制装置。\n背景技术\n游梁式抽油机(俗称磕头机)是广泛应用在油田系统中的一种能耗很 大的采油机械，其电费开支占采油系统费用总支出的60％以上。抽油杆自 重的升降所消耗的能量，从理论上可以减少到近乎为零，但实际使用中却 不是这样。以异步电机为动力的抽油机具有“强”的恒转矩特性，当异步 电机转子的转速超过电机同步转速时，曲柄净扭矩为负，异步电机将变成 异步发电机向电网送电，俗称“倒发电”。异步电机转子超过同步转速是 经常的，即使精心调整抽油机平衡重，由于多方面因素影响，“倒发电” 现象几乎不可避免。在发电机工况发出的电能一部分在变压器一、二次绕 组及馈电线路上产生损耗，剩余部分则表现为向电力系统输出的脉动功 率。由于异步电机发的电不会完全与电网同步，其电能不会完全被电网利 用，所以这种脉动功率是属于对电网的干扰和污染。因此，消除“倒发电” 现象具有十分重要的节能意义。\n现有技术解决“倒发电”问题的方法较多，如超高转差率电机、调压 控制器、变频调速器等，但这些方法只能减轻“倒发电”的程度，不能彻 底消除“倒发电”现象，而且都不适合老油井改造和实施成本高。\n现有技术有一种采用超越离合器解决“倒发电”的技术方案。该技术 方案的工作原理为：向上抽油时，离合器将拖动轮(与异步电机轴连接)与 从动轮(与抽油杆连接)连接在一起共同转动；抽油杆下降时，当下降转速 大于异步电机的转速时，离合器将拖动轮与从动轮分离，使异步电机始终 处于电动状态，避免下降时异步电机的倒发电，从而改善电网供电质量，节 约能源。该技术方案虽将拖动轮与从动轮分离，但异步电机仍然与交流电 源连接，异步电机仍然会产生额外的空载损耗。此外，该技术方案既不适 合老油井改造，新油井的一次投资大，又由于采用齿轮啮合，对抽油机的 维护也较困难。\n现有技术还有一种采用异步电机断续供电解决“倒发电”的技术方案。 该技术方案的工作原理为：当实测转速超过临界转速时，控制异步电机在 一段时间内通电运行，随后继续断电。再判断转速，如转速过高，再使异 步电机在一段时间内通电运行，随后继续断电...。该技术方案虽通过 断续供电、断电过程并调节断电时间及断电次数使异步电机转速保持正常 范围，但并没有解决完全解决“倒发电”问题，反而把积累的倒发电能量 频繁地集中向电网释放。实际上，这样会对系统和电网造成更大的危害。\n游梁式抽油机异步电机功率因数偏低是另外一种较大的损耗，如何减 小异步电机损耗、提高配电系统功率因数已成为油田节能的又一关键，为 此，在游梁式抽油机上使用固定电容进行补偿是国内各大油田普遍采用的 节能措施。由于游梁式抽油机的负载是以抽油机冲程为周期连续变化的周 期性负载，所以使用固定电容补偿既有有利的一面，也有不利的一面，即： 会使抽油机拖动异步电机的发电效应增强，这又会带来新的电能浪费。\n综上所述，现有游梁式抽油机系统存在的问题主要集中在异步电机的 “倒发电”和功率因数低上，目前尚未见到综合、有效的解决方案。\n发明内容\n本发明的第一目的是针对现有技术“倒发电”造成能源损耗的技术问题， 提供一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制方法，彻底消 除了抽油机拖动异步电机的“倒发电”现象；进一步地，本发明还针对现有 技术电机功率因数偏低的技术问题，在异步电机电动状态阶段进行无功补偿， 将消除“倒发电”现象和无功补偿综合考虑，实现最佳的节能效果。\n本发明的第二目的是在本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法基础 上，提供一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制装置。\n为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种游梁式抽油机异步电机节 能控制方法，包括步骤：\n步骤10、在异步电机通电运行状态下，数据采集单元实时采集异步电机运 行时的电压和电流瞬时值，并将电压和电流数据传输给计算机控制器；\n步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状 态时，输出控制信号给驱动单元；\n步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接；\n步骤40、异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，数据采集单元实 时采集所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流瞬时值，并将电压和电流 数据传输给计算机控制器；\n步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流数 据判断异步电机进入电动状态时，输出控制信号给驱动单元；\n步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接。\n其中，所述步骤20具体为：\n步骤201、计算机控制器根据所述电压和电流数据计算异步电机有功功率值；\n步骤202、当所述有功功率值小于功率预设值时，计算机控制器判断异步 电机开始进入发电状态；\n步骤203、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。\n其中，所述步骤50具体为：\n步骤501、计算机控制器的软仪表单元根据所述孤岛发电系统中异步电机 的电压和电流数据计算异步电机的转速；\n步骤502、计算机控制器计算所述转速与异步电机同步转速的差值；\n步骤503、当所述差值小于预设差值时，计算机控制器判断异步电机开始 进入电动状态；\n步骤504、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。\n在上述技术方案中，所述步骤30后、步骤40前还包括一与异步电机串 联的伪负载和稳频稳压电路控制异步电机转速的步骤，具体为：\n步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压；\n步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时，稳频稳压电路 的可控硅导通，伪负载消耗超临界能量；\n步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳 频稳压电路的可控硅关断。\n在上述技术方案中，所述步骤60后还包括将无功补偿电容器并联接入交 流电源的步骤，相应地，在下一个循环的步骤20后、步骤30前还包括切断 无功补偿电容器与交流电源连接的步骤。\n为实现本发明的第二目的，本发明还提供了一种游梁式抽油机异步电机 节能控制装置，包括连接在异步电机和交流电源回路上的第一开关组件和与 异步电机连接的空载励磁电容器，所述第一开关组件与一控制其接通或断开 的驱动单元连接，所述驱动单元与一发出接通或断开控制信号的计算机控制 器连接，所述计算机控制器与一采集所述异步电机电压和电流瞬时值的数据 采集单元连接。\n所述计算机控制器包括串接的控制单元和软仪表单元，所述仪表单元与 所述数据采集单元连接，用于根据接收到的电压和电流数据计算异步电机的 转速和有功功率值，所述控制单元与所述驱动单元连接，用于根据所述有功 功率或转速值判断异步电机进入发电或电动状态的时刻，并向驱动单元发出 断开或接通控制信号。\n在上述技术方案中，所述异步电机还与一串联的伪负载和稳频稳压电路 连接，所述稳频稳压电路为多挡调节的双向可控硅电路，所述伪负载为串接 的电阻和电容。所述交流电源还并联一串接的第二开关组件和无功补偿电容 器，所述第二开关组件与所述驱动单元连接。第一开关组件为并联的电子调 压开关和机械开关，第二开关组件为并联的电子开关和机械开关，分别与所 述驱动单元连接。\n本发明提供了一种基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制 方法和控制装置，有针对性地从三个方面解决现有技术存在的问题。其一， 从根本上彻底消除了现有技术“倒发电”现象，实现环保节能；其二，利用 异步电机所发能量进行转速测量，充分利用现有技术浪费的能源；其三，使 用自动电容器补偿，提高异步电机电动状态的功率因数，实现本发明在各种 工况下全面节能的目的。\n本发明基于孤岛发电技术的游梁式抽油机异步电机节能控制方法和控制 装置的技术特点突出体现在发电状态阶段，一方面将异步电机从电网断开， 另一方面使异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，空载励磁电容器 起到励磁作用而产生空载电压，使计算机控制器可以通过数据采集单元获得 异步电机的电压和电流数据，从而计算出异步电机转速，因此可以实现异步电 机进入电动状态时刻的判断。本发明技术方案既不同于现有技术的简单断电， 又与将异步电机轴与抽油杆离合的现有技术有本质区别，不但彻底消除了“倒 发电”对电网的不良影响，而且通过孤岛发电技术充分利用异步电机所发电 能进行数据采集，变“倒发电”不利因素为有利能量，因此最大程度地实现 了节能效果。\n本发明还提出了异步电机与串联的伪负载和稳频稳压电路连接的优选方 案，当异步电机的转速超过安全临界转速时，通过稳频稳压电路自动释放异 步电机所储存的能量，将其转速降低到预设安全临界转速范围以内，有效地解 决了异步电机转速失控问题，提高了本发明的可实施性和可靠性。\n本发明进一步提出了将一无功补偿电容器接入交流电源回路的优选技术 方案，当异步电机处于电动状态时，无功补偿电容器被自动投入，从而提高异 步电机的功率因数，使本发明在各种工况下均有明显的节能效果。当异步电 机处于发电状态时，无功补偿电容器被自动切除，消除了现有技术无功补偿 电容器使异步电机发电效应增强、带来新的电能浪费的技术缺陷。\n本发明第一开关组件采用相互并联的电子调压开关和机械开关、第二开 关组件采用相互并联的电子开关和机械开关，电子开关负责电流过零时的切 除和电压过零的无暂态投入，而电子调压开关负责电流过零时的切除和电压 从零逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击，在异步电机或电容 器正常运行时接入机械开关。该方案既可消除单独使用电子开关运行造成的 新的热能耗，又解决单独使用机械开关由于动作频繁而寿命有限问题，同时又 具有减小系统电流冲击、提高系统运行可靠性和进一步节能效果。\n本发明对稳频稳压电路进行了合理设计，分N挡进行调节，控制负载从 无到有、从小到大变化，使超过临界的能量不断被新增的伪负载消耗掉，很 好地起到了稳压稳频作用。此外，本发明针对并联电容时自励异步发电机存 在电压变化率过高的技术问题，采用串联电容CA提供附加的容性无功，使异 步电机的电压变化率得以改善，当空载励磁电容器和串联电容CA配合适当时， 可使输出电压基本不变，起到稳压作用。\n综上所述，本发明将消除倒发电现象、无功补偿和转速控制综合考虑，既 能完全消除抽油机拖动异步电机的倒发电现象，又充分利用异步电机所发电 能进行转速测量；既利用稳频稳压电路有效地解决转速失控问题，又能在异 步电机的电动状态进行无功补偿，是一种最佳的节能方案。\n下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。\n附图说明\n图1为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法的流程图；\n图2为本发明计算机控制器判断异步电机进入发电状态时刻的流程图；\n图3为本发明计算机控制器判断异步电机进入电动状态时刻的流程图；\n图4为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法优选方案的流程图；\n图5为本发明第一、第二开关组件断开过程的流程图；\n图6为本发明第一、第二开关组件闭合过程的流程图；\n图7为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置结构示意图；\n图8为本发明优选方案的结构示意图；\n图9为本发明稳频稳压电路图；\n图10～图12为本发明稳频稳压电路工作示意图；\n图13为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置工作原理图；\n图14为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置电路图。\n附图标记说明：\n1-交流电源开关；      2-交流电源；              3-开关；\n4-原控制系统开关；    5-异步电机；              6-开关；\n7-开关；              8-抽油机机械系统；        9-电子调压开关；\n10-电流互感器；       11-空载励磁电容器；       12-电压互感器；\n13-电流互感器；       14-机械开关；             15-电流互感器；\n16-数据采集单元；     17-稳频稳压电路；         18-驱动单元；\n19-计算机控制器；     20-伪负载开关；           21-伪负载；\n22-直流电源开关；     23-直流电源及保护电路；   24-电子开关；\n25-电流互感器；       26-无功补偿电容器；       27-机械开关；\n28-电流互感器；       29-励磁开关；             30-第一开关组件；\n40-第二开关组件。\n具体实施方式\n图1为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法的流程图，包括步骤：\n步骤10、在异步电机通电运行状态下，数据采集单元实时采集异步电机运 行时的电压和电流瞬时值，并将电压和电流数据传输给计算机控制器；\n步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状 态时，输出控制信号给驱动单元；\n步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接；\n步骤40、异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，数据采集单元实 时采集所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流瞬时值，并将电压和电流 数据传输给计算机控制器；\n步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流数 据判断异步电机进入电动状态时，输出控制信号给驱动单元；\n步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接，返 回执行步骤10，进入下一个工作循环。\n本发明根据现有游梁式抽油机异步电机的实际运行情况，将其一个循环 周期内的运行分为两个阶段：电动状态阶段和发电状态阶段。在异步电机电 动状态阶段，通过采集异步电机运行的电压和电流瞬时值，判断异步电机发 电状态的开始时刻；当异步电机进入发电状态时将异步电机从电网断开，使 异步电机与空载励磁电容器形成孤岛发电系统，通过采集孤岛发电系统中异 步电机的电压和电流瞬时值，又可以判断异步电机电动状态的开始时刻；当 异步电机进入电动状态时将异步电机投入电网，如此周而复始，形成本发明 彻底消除“倒发电”现象的工作循环。上述技术方案的突出特点体现在发电 状态阶段，一方面将异步电机从电网断开，另一方面使异步电机与空载励磁 电容器形成孤岛发电系统，空载励磁电容器起到励磁作用而产生空载电压， 使计算机控制器可以通过数据采集单元获得异步电机电压和电流数据，从而 计算出异步电机转速，因此可以实现异步电机进入电动状态时刻的判断。本 发明技术方案既不同于现有技术的简单断电，又与将异步电机轴与抽油杆离 合的现有技术有本质区别，不但彻底消除了“倒发电”对电网的不良影响， 而且通过孤岛发电技术充分利用异步电机所发电能量信号进行数据采集，变 “倒发电”的不利因素为有利能量，因此最大程度地实现了节能效果。\n图2为本发明计算机控制器判断异步电机进入发电状态时刻的流程图， 具体为：\n步骤201、计算机控制器根据所述电压和电流数据计算异步电机有功功率值；\n步骤202、当所述有功功率值小于功率预设值时，计算机控制器判定异步 电机开始进入发电状态；\n步骤203、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。\n本发明采用异步电机有功功率计算方式实现异步电机进入发电状态时刻 的判断，即通过有功功率值过零点来判断倒发电发生时刻。\n图3为本发明计算机控制器判断异步电机进入电动状态时刻的流程图， 具体为：\n步骤501、计算机控制器的软仪表单元根据所述孤岛发电系统中异步电机 的电压和电流数据计算异步电机的转速；\n步骤502、计算机控制器计算所述转速与异步电机同步转速的差值；\n步骤503、当所述差值小于预设差值时，计算机控制器判定异步电机开始 进入电动状态；\n步骤504、计算机控制器输出控制信号给驱动单元。\n本发明采用异步电机转速在线非接触软测量方式实现异步电机进入电 动状态时刻的判断，即通过该转速接近异步电机同步转速来判断发电状态结 束时刻。\n由上述技术方案可以看出，本发明仅需采集异步电机的电压和电流数据 即可完成二个状态阶段的判断，状态判断的关键参数：异步电机的转速测量 采用非接触软测量方式，使本发明具有结构简单、系统运行可靠、控制精度 高、动态响应快和易于实施等特点。\n在本发明上述技术方案中，异步电机与一串联的伪负载和稳频稳压电路 连接，实现将异步电机的转速控制在安全临界范围内，步骤具体为：\n步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压；\n步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时，稳频稳压电路 的可控硅导通，伪负载消耗超临界能量；\n步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳 频稳压电路的可控硅关断。\n异步电机的的空载电压高于预设安全临界电压意味着异步电机的转速超 过安全临界转速，需要通过稳频稳压电路自动释放异步电机所储存的能量， 将其转速降低到预设安全临界转速范围以内。本发明上述技术方案有效地解 决了异步电机转速失控问题，提高了本发明的可实施性和可靠性。\n在本发明上述技术方案中，当异步电机进入电动状态后，可以将一无功 补偿电容器并联接入交流电源回路，以实现在电动状态对异步电机进行无功 补偿，进一步提高本发明的节能效果。具体地，在步骤60后设置驱动单元控 制第二开关组件闭合、将无功补偿电容器并联接入交流电源的步骤61，相应 地，在下一个循环的步骤20后、步骤30前设置驱动单元控制第二开关组件 断开、切断无功补偿电容器与交流电源连接的步骤21。该方案实现了当异步 电机处于电动状态时，通过投入无功补偿电容器从而提高其功率因数，使本 发明在各种工况下均有明显的节能效果。当异步电机处于发电状态时，无功 补偿电容器被切除，消除了现有技术无功补偿电容器使异步电机发电效应增 强、带来新的电能浪费的技术缺陷。\n图4为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制方法优选方案的流程图， 具体为：\n步骤10、在异步电机通电运行状态下，数据采集单元实时采集异步电机运 行时的电压和电流瞬时值，并将电压和电流数据传输给计算机控制器；\n步骤20、计算机控制器根据所述电压和电流数据判断异步电机进入发电状 态时，输出控制信号给驱动单元；\n步骤21、驱动单元控制第二开关组件断开，切断无功补偿电容器与交流电 源的连接；\n步骤30、驱动单元控制第一开关组件切断异步电机与交流电源的连接；\n步骤31、稳频稳压电路自动监测异步电机的空载电压；\n步骤32、当异步电机的空载电压大于预设安全临界电压时，稳频稳压电路 的可控硅导通，伪负载消耗超临界能量；\n步骤33、当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时，稳 频稳压电路的可控硅关断；\n步骤40、数据采集单元实时采集所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电 流瞬时值，并将电压和电流数据传输给计算机控制器；\n步骤50、计算机控制器根据所述孤岛发电系统中异步电机的电压和电流数 据判断异步电机进入电动状态时，输出控制信号给驱动单元；\n步骤60、驱动单元控制第一开关组件恢复异步电机与交流电源的连接；\n步骤61、驱动单元控制第二开关组件将无功补偿电容器并联接入交流电源， 返回执行步骤10，进入下一个工作循环。\n在上述技术方案中，第一开关组件是由并联的电子调压开关和机械开关 组成，第二开关组件是由并联的电子开关和机械开关组成，均是为了达到减 小系统冲击电流、提高系统运行可靠性和进一步节能的目的。\n图5为本发明第一、第二开关组件断开过程的流程图，具体为：\n步骤110、驱动单元控制电子开关闭合；\n步骤120、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经闭 合，闭合成功时执行步骤130，否则故障报警；\n步骤130、驱动单元控制机械开关断开；\n步骤140、计算机控制器通过数据采集单元检测所述机械开关是否已经断 开，断开成功时执行步骤150，否则故障报警；\n步骤150、驱动单元控制电子开关断开；\n步骤160、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经断 开，断开成功时执行步骤170，否则故障报警；\n步骤170、断开完毕。\n图6为本发明第一、第二开关组件闭合过程的流程图，具体为：\n步骤210、驱动单元控制电子开关闭合；\n步骤220、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经闭 合，闭合成功时执行步骤230，否则故障报警；\n步骤230、驱动单元控制机械开关闭合；\n步骤240、计算机控制器通过数据采集单元检测所述机械开关是否已经闭 合，闭合成功时执行步骤250，否则故障报警；\n步骤250、驱动单元控制电子开关断开；\n步骤260、计算机控制器通过数据采集单元检测所述电子开关是否已经断 开，断开成功时执行步骤270，否则故障报警；\n步骤270、闭合完毕。\n第一开关组件闭合过程的步骤210为驱动单元控制电子调压开关完成调 压过程，其余步骤与图6所示流程相同。\n从本发明图5、图6的技术方案可以看出，电子开关负责电流过零时的 切除和电压过零的无暂态投入，而电子调压开关负责电流过零时的切除和电 压从零逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击，在异步电机或电 容器正常运行时接入机械开关。该方案既可消除单独使用电子开关运行造成 的新的热能耗，又解决单独使用机械开关由于动作频繁而寿命有限问题，同时 又具有节能效果。上述技术方案中的故障报警也可以设置成本发明退出运行， 或报警后本发明退出运行，但无论设置成何种动作，原系统均能正常运行。\n本发明上述技术方案中涉及的异步电机同步转速、安全临界转速、预设 安全临界电压等参数是预先在计算机控制器中设置的。考虑到不同环境、不 同工况下异步电机的工作状态不同，本发明可以通过学习流程使上述参数的 设置更加准确。在本发明第一次投入运行的学习流程中，计算机控制器采集 抽油机的工作循环周期数据后，确定抽油机异步电机一个工作循环周期内的 参数值。同时，本发明还可以设置成系统正常运行的每隔一定时间间隔自动 学习，不断更新计算机控制器所需要的参数，使本发明的控制精度更高，节 能效果更显著。\n图7为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置结构示意图，图中粗 线表示强电电路，细线表示弱电电路。如图7所示，本发明游梁式抽油机异 步电机节能控制装置包括计算机控制器19、驱动单元18、数据采集单元16、 空载励磁电容器11和第一开关组件30。其中，第一开关组件30串接在交流 电源2和异步电机5的回路中，负责异步电机5与交流电源2的接通和断开； 空载励磁电容器11与异步电机5连接，当异步电机5与交流电源2断开后 作为发电机运行时，空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压； 驱动单元18分别连接计算机控制器19和第一开关组件30，接收计算机控制 器19发出的控制信号，控制第一开关组件30进行接通和断开动作；数据采 集单元16则负责采集异步电机5的电压和电流瞬时值，并将数据发送给计算 机控制器19。本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置的工作过程为：异 步电机5运行在电动状态下，数据采集单元16实时采集异步电机5运行时的 电压和电流瞬时值，并将数据传送给计算机控制器19；计算机控制器19判 断异步电机5进入发电状态时，向驱动单元18输出控制信号；驱动单元18 控制第一开关组件30断开，切断异步电机5与交流电源2的连接；异步电机 5与空载励磁电容器11形成孤岛发电系统，空载励磁电容器11起到励磁作 用而产生空载电压；数据采集单元16实时采集孤岛发电系统中异步电机5 的电压和电流瞬时值，并将数据传输给计算机控制器19；计算机控制器19判 断异步电机5进入电动状态时，向驱动单元18输出控制信号；驱动单元18 控制第一开关组件30闭合，恢复异步电机5与交流电源2的连接，异步电机 5重新运行在电动状态；如此周而复始，即为本发明完整的工作循环。\n上述技术方案的核心体现在异步电机5的发电状态阶段，虽然此时异步 电机5已与交流电源2断开，处于失电状态，但本发明设置了与异步电机5 连接的空载励磁电容器11，使异步电机5和空载励磁电容器11形成孤岛发 电系统，空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压，这样就可以测 量异步电机5的空载电压频率，使计算机控制器19通过数据采集单元16获 得异步电机5的运行参数，因此可以实现对异步电机5进入电动状态时刻的 判断。本发明空载励磁电容器11可以为三角形接法的励磁电容器，也可以采 用星形接法的励磁电容器。由此可以看出，本发明上述技术方案既实现了在 异步电机5发电状态的断电，使异步电机5所产生的电能不会对电网产生干 扰和污染，又通过与空载励磁电容器11形成合理设计的孤岛发电系统，将异 步电机5所产生的电能充分利用于数据采集，变“倒发电”的不利因素为有 利能量，同时还具备电能储存功能，因此最大程度地实现了节能。\n本发明计算机控制器19包括串接的控制单元191和软仪表单元192，其 中软仪表单元192与数据采集单元16连接，用于根据接收到的电压和电流数 据计算异步电机5的转速和有功功率值，控制单元191与驱动单元18连接， 用于根据软仪表单元192输出的计算结果判断异步电机5进入发电状态或电 动状态的时刻，并向驱动单元18发出断开或接通控制信号。具体地，在异步 电机5处于电动状态阶段，软仪表单元192计算其有功功率值，控制单元191 通过有功功率值过零点来判断倒发电发生时刻。在异步电机5处于发电状态 阶段，软仪表单元192计算其转速，控制单元191通过转速接近异步电机同 步转速来判断倒发电结束时刻。由于本发明引入孤岛发电技术，一个数据采 集单元16即可完成二个状态阶段异步电机5的电压和电流数据采集，并通过 设置软仪表单元192来实现异步电机5电动、发电状态的判断，较之现有技 术采用机械的转速测量装置，本发明具有控制精度高、动态响应快、结构简 单、系统运行可靠和易于实现等特点。\n图8为本发明优选方案的结构示意图，图中粗线表示强电电路，细线表 示弱电电路。在图8所示的优选技术方案中，异步电机5与串联的伪负载21 和稳频稳压电路17连接。在图7技术方案基础上，稳频稳压电路17的工作 过程为：当异步电机5进入发电状态后，异步电机5与空载励磁电容器11形 成孤岛发电系统，空载励磁电容器11起到励磁作用而产生空载电压，稳频 稳压电路17自动监测异步电机的空载电压，当异步电机的空载电压高于预 设安全临界电压时，稳频稳压电路17的可控硅导通，伪负载消耗超临界能量， 直到异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内。\n在上述优选技术方案中，异步电机的空载电压高于预设安全临界电压意 味着异步电机5的转速超过安全临界转速，需要通过稳频稳压电路17自动 释放异步电机所储存的能量，将其转速降低到预设安全临界转速范围以内。所 以本发明通过接入稳频稳压电路17和伪负载21有效地解决了异步电机5 转速失控问题，提高了本发明的可实施性和可靠性。此外，伪负载21由电 容器和电阻器串联组成，针对并联电容时自励异步发电机存在电压变化率 过高的技术问题，本发明采用串联电容提供附加的容性无功，使异步电机 的电压变化率得以改善。\n在图8所示的优选技术方案中，交流电源2还可通过一第二开关组件40 与一无功补偿电容器26并联，以实现在电动状态对异步电机5进行无功补 偿，进一步提高本发明的节能效果。具体地，第二开关组件40和无功补偿 电容器26串接，第二开关组件40与驱动单元18连接，用于接通或断开无功 补偿电容器26。在图7技术方案基础上，无功补偿电容器26投入、断开的 工作过程为：当异步电机5进入电动状态后，计算机控制器19输出控制信号 给驱动单元18，驱动单元18先控制第一开关组件30闭合，将异步电机5接 入交流电源2，然后再控制第二开关组件40闭合，投入无功补偿电容器26。 当异步电机5进入发电状态后，驱动单元18控制第二开关组件40断开，首 先去除无功补偿电容器26，然后再断开第一开关组件30。本发明通过设置无 功补偿电容器26提高了异步电机5的功率因数，使异步电机5在电动状态也 具有优良的节能性能。当异步电机处于发电状态时，无功补偿电容器被自 动切除，消除了现有技术无功补偿电容器使异步电机发电效应增强、带来 新的电能浪费的技术缺陷。\n在本发明上述技术方案中，第一开关组件30为并联的电子调压开关和机 械开关，第二开关组件40为并联的电子开关和机械开关，分别与驱动单元 18连接。其中，电子调压开关负责异步电机5的电流过零时的切除和电压从 零逐步升压到额定值以防止投入时的过负载电流冲击，而电子开关除不具有 调压功能外其余功能与电子调压开关功能相同。其工作程序是先闭合电子开 关或电子调压开关，再闭合或断开机械开关，当机械开关动作完成后，最后 将电子开关或电子调压开关断开。计算机控制器19通过数据采集单元16检 测电子开关和机械开关的动作结果，当前面动作完成正确后再进行下一步动 作，保证了系统控制的可靠性。本发明的电子开关优选为可控器件如可控硅 或IGBT等，机械开关优选为交流接触器。该方案既可消除单独使用电子开关 运行造成的新的热能耗，又解决单独使用机械开关由于带负载动作频繁而寿 命有限问题，同时又具有节能效果。\n图9为本发明稳频稳压电路图。图9中只画出A相，B相和C相的电路 与A相完全相同，分N挡进行调节。如图9所示，TA为双向可控硅，G1为TA的 控制极，CA和RA为A相的电容和电阻，D1……DN为触发管，C11、C21……C1N、 C2N为电容器，R1……RN为电阻器，W1……WN为电位器，N为中性线。Ua是 异步电机的A相电压，U1……UN分别为A相电压经过移相与分压后施与触发 管D1……DN的电压值，Ud1……UdN是触发管D1……DN的击穿电压值， Um1……UmN分别为U1……UN的幅值，α1……αN分别为U1……UN滞后Ua的电 压相位角，电路设计具有α1＜……＜αN的关系，所以Um1＞……＞UmN成立。图9 中的虚框对应图8中的伪负载21，由电阻RA和电容CA组成。\n当异步电机5转速升高时，电压Ua随之升高，Um1……UmN也随之增大。 当Um1＝Ud1时，触发管D1在(90-α1)处发出脉冲，双向可控硅TA在(90-α1)被触 发导通，A相的电阻RA上流过电流，消耗超临界能量，如图10所示。若转速 继续升高，电压Ua进一步升高，因而会使Umi＝Udi，触发管Di在(90-αi)处发 出脉冲，双向可控硅TA在(90-αi)被触发导通，如图11所示。……若转速继 续升高，电压Ua升高，使UmN＝UdN，触发管DN在(90-αN)处发出脉冲，双向 可控硅TA在(90-αN)被触发导通，如图12所示。也就是说，当异步电机转速 从安全临界转速开始增加时，双向可控硅TA上的触发脉冲可以从无到有，从 (90-α1)处前移到(90-αN)处，受双向可控硅TA控制的负载从无到有、从小到 大变化，使超过临界能量被新增的伪负载消耗掉，起到稳频的作用。\n并联电容自励异步发电机存在的突出问题是电压变化率过高，当转速升 高时，异步电机端电压随之升高，相当于负载增加，为使电压维持不变，采用 加大电容的做法很不方便。本发明使用串联电容CA提供附加的容性无功，使 异步电机的电压变化率得以改善，当空载励磁电容器11和串联电容CA配合 适当时，可使输出电压基本不变，起到稳压的作用。\n图13为本发明游梁式抽油机异步电机节能控制装置工作原理图，图中粗 线表示强电电路，细线表示弱电电路。图14为本发明游梁式抽油机异步电机 节能控制装置电路图，其中图14中只重点示意了强电部分。下面通过本发明 安装、调试及运行过程进一步详细说明本发明的技术方案。\nA、系统安装：\n1、如果抽油机8原系统异步电机本身没有无功补偿，则将交流电源开关1 断开，将本发明接入原系统，完成图14所示开关3、开关6和开关7的接法 即可；\n2、如果抽油机原系统异步电机本身有无功补偿，则将之取消；\n3、将交流电源开关1恢复闭合，原系统正常工作。\nB、投入运行：\n1、通电前状态\n开关6断开，开关7断开，开关3、交流电源开关1和原控制系统开关4 闭合，抽油机原控制系统照常工作，本发明准备投入运行。\n2、本发明通电\n手动闭合开关6，电源系统正常后闭合直流电源开关22，直流电源及保 护电路23投入运行，计算机控制器19开始工作，进入自检状态。自检失败 则退出运行。\n3、本发明测试\n计算机控制器19自检无误后，将计算机控制器19设定为有载测试运行方 式。计算机控制器19自动进行如下操作：闭合励磁开关29，空载励磁电容 器11投入运行；闭合伪负载开关20，稳频稳压电路17和伪负载21投入运 行；本发明进入有载测试状态，测试内容主要包括电子调压开关9和机械开关 14的控制及电流互感器10、13和15测量信号的正确性。测试成功后，使电 子调压开关9和机械开关14处于断开位置，使励磁开关29、伪负载开关20 处于闭合状态，转入下一步。有故障则退出运行。\n4、本发明投入运行\n将计算机控制器19设定为自动运行方式，计算机控制器19依次控制开 关7、开关9闭合，断开开关3，本发明投入运行并与抽油机原控制系统协调 工作。投运失败后，断开开关6和开关7，闭合开关3，本发明退出运行。\nC、学习阶段：\n数据采集单元16实时采集异步电机5运行电压和电流的瞬时数据；计算 机控制器19根据所采集抽油机的工作循环周期数据后开始自动学习，确定抽 油机异步电机一个工作循环周期内的关键参数值：异步电机处于电动状态的 时间及起点、异步电机处于发电状态的时间及起点。实时检测抽油机状况，准 备进入异步电机发电状态阶段。\nD、异步电机发电状态阶段：\n当计算机控制器19判断异步电机5进入发电状态时，工作步骤为：\n1、切除无功补偿电容器26\n(I)计算机控制器19通过驱动单元18闭合电子开关24，数据采集单元16 将电流互感器25的电流信号反馈给计算机控制器19，当检测到有电流存在 时说明合闸成功，否则说明电子开关24故障；\n(II)计算机控制器19通过驱动单元18断开机械开关27，数据采集单元16 将电流互感器28的电流信号反馈给计算机控制器19，当检测到无电流存在 时说明断开成功，否则说明机械开关27故障；\n(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子开关24，数据采集单元16 将电流互感器25的电流信号反馈给计算机控制器19，当检测到无电流存在 时说明断开成功，否则说明电子开关24故障。\n上述仅为切除一组无功补偿电容器过程，多组时则重复执行上述步骤。\n2、切除异步电机5\n(I)计算机控制器19通过驱动单元18合上电子调压开关9，数据采集单元 16将电流互感器10的电流信号反馈给计算机控制器19，当检测到有电流存 在时说明合闸成功，否则说明电子调压开关9故障；\n(II)计算机控制器19通过驱动单元18断开机械开关14，数据采集单元16 将电流互感器15的电流信号反馈给计算机控制器19，当检测到无电流存在 时说明断开成功，否则说明机械开关14故障；\n(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子调压开关9，数据采集单元 16将电流互感器10的电流信号反馈给计算机控制器19，当检测到无电流存 在时说明开关9断开成功，否则说明电子调压开关9故障。\n3、计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时刻\n异步电机5从电网退出后，异步电机5进入空载发电状态，并将其部分势 能变成旋转的动能，空载励磁电容器11提供空载励磁，由抽油机机械系统8、 异步电机5、原控制系统开关4、开关7、励磁开关29和空载励磁电容器组 11形成孤岛发电系统，同时由电流互感器13、电压互感器12、数据采集单 元16和计算机控制器19构成数据采集系统，采集异步电机5的电压和电流 瞬时值，根据电压和电流的周期或频率在线计算异步电机5满足通电条件的 参数，即异步电机5处于电动状态的时间及起点。\n4、异步电机5安全临界转速和安全临界电压控制\n异步电机5的空载电压建立起来以后，稳频稳压电路17自动监测异步电 机5的空载电压，当高于安全临界电压时，稳频稳压电路17的可控硅导通， 伪负载21消耗超临界能量，释放异步电机5所储存的能量，使异步电机5的 电压降低到安全临界电压范围以内，即：使异步电机5的转速降低到安全临界 转速范围以内。当异步电机的空载电压降低到预设安全临界电压范围以内时， 稳频稳压电路的可控硅关断。\n5、当计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时，本发明将转入异步 电机电动状态阶段运行，有故障时本发明退出运行。\nE、异步电机电动状态阶段：\n当计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时，本发明工作步骤为：\n1、投入异步电机5\n(I)计算机控制器19通过驱动单元18闭合电子调压开关9，电子调压开关 9通过改变触发角逐步增大电压直到额定值，电流互感器10的电流信号经数 据采集单元16反馈给计算机控制器19，检测到有电流存在时说明合闸成功， 否则说明电子调压开关9故障；\n(II)计算机控制器19通过驱动单元18闭合机械开关14，电流互感器15的 电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19，检测到有电流存在时 说明合闸成功，否则说明机械开关14故障；\n(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子调压开关9，电流互感器10 的电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19，检测到无电流存在 时说明开关断开成功，否则说明电子调压开关9故障。\n2、投入无功补偿电容器26\n(I)计算机控制器19通过驱动单元18闭合电子开关24，电流互感器25的 电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19，检测到有电流存在时 说明合闸成功，否则说明电子开关24故障；\n(II)计算机控制器19通过驱动单元18闭合机械开关27，电流互感器28的 电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19，检测到有电流存在时 说明合闸成功，否则说明机械开关27故障；\n(III)计算机控制器19通过驱动单元18断开电子开关24，电流互感器25的 电流信号经数据采集单元16反馈给计算机控制器19，检测到无电流存在时 说明断开成功，否则说明电子开关24故障。\n上述仅为投入一组无功补偿电容器过程，多组时则重复执行上述步骤。\n3、计算机控制器19判断异步电机5进入电动状态时刻\n异步电机5进入电动运行阶段，数据采集单元16实时采集异步电机5的 电压和电流瞬时值，计算机控制器19在线计算异步电机5满足断电条件的参 数，即异步电机5处于发电状态的时间及起点。当计算机控制器19判断异步 电机5进入发电状态时，本发明将转入异步电机发电状态阶段运行，有故障 时本发明退出运行。\nF、本发明退出运行\n断开开关6和开关7，闭合开关3，本发明退出运行，抽油机原控制系统 单独工作。\n在本发明运行中，开关故障可以设置成故障报警，也可以设置成本发明 退出运行，或报警后本发明退出运行，但无论设置成何种动作，原系统均能 正常运行。\n最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技 术方案的精神和范围。