專利名稱：基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，屬于熱力學(xué)建模和 電機(jī)控制相結(jié)合的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
潛油電機(jī)一般在地下1. 0 3. 5km深處工作，通過鎧裝電纜與地面電源連接，井下 環(huán)境溫度高達(dá)120°C，電機(jī)在井下工作時(shí)，勢必會(huì)產(chǎn)生一定的熱量引起電機(jī)發(fā)熱，而井液由 離心泵排出時(shí)，又會(huì)帶走熱量使電機(jī)散熱，不致使電機(jī)溫升超過一定的限度，否則就會(huì)因溫 升過高而燒毀電機(jī)。為了保證其安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，必須實(shí)施監(jiān)測潛油電機(jī)井下溫度 變化，以避免事故發(fā)生。為獲取潛油電機(jī)的溫度信息，最直接的方法是在電機(jī)上安裝溫度傳感器，但由于 油井獨(dú)特的高溫高壓特點(diǎn)，溫度傳感器的安裝、信號(hào)傳遞等問題均制約著其在油井中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決采用溫度傳感器獲取潛油電機(jī)的溫度信息受井下環(huán)境 的制約的問題，提供一種基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法。本發(fā)明包括以下步驟步驟一采集所述潛油電機(jī)的三相定子電壓和三相定子電流；步驟二 通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)三相定子電壓和三相定子電流分別進(jìn)行處理，并將 處理后的信號(hào)作為定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)；步驟三采用工控機(jī)根據(jù)定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)計(jì)算潛 油電機(jī)的總發(fā)熱量U;步驟四在所述工控機(jī)內(nèi)將所述潛油電機(jī)的總發(fā)熱量U按照所述潛油電機(jī)中各部 件的幾何尺寸及耗能比例分配到潛油電機(jī)的各部件中；同時(shí)將潛油電機(jī)的各部件等效電路 按照空間位置關(guān)系組合成整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路，根據(jù)整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路建立集 中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型；步驟五求解集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型，獲得潛油電機(jī)各部件的溫度值。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明具有低成本、高可靠性的特點(diǎn)，它對(duì)電機(jī)參數(shù)信號(hào)的獲取 是通過對(duì)電機(jī)定子電壓、定子電流信號(hào)的檢測以及相應(yīng)計(jì)算來實(shí)現(xiàn)的。目前國內(nèi)外關(guān)于無 傳感器電機(jī)參數(shù)檢測方法只限于地面工作電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)，本發(fā)明通過對(duì)電機(jī)定子電壓、 電流信號(hào)的檢測及集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立及分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作于地下1. 0 3. 5km 油井中潛油電機(jī)的溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型將經(jīng)典熱力學(xué)、非平衡熱力學(xué)及 動(dòng)力學(xué)理論通過電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，用于解決潛油電機(jī)溫度辯識(shí)中的復(fù)雜非線性問題。集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型將網(wǎng)絡(luò)熱力學(xué)建模理論應(yīng)用于潛油電機(jī)的熱力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn) 了網(wǎng)絡(luò)熱力學(xué)理論與電力電子拓?fù)浞治龅乃惴ń徊?。集中參?shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型作為一種涵蓋了潛油電機(jī)的所有主要部件和熱傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)的精確熱模型，能夠較準(zhǔn)確描述電動(dòng)機(jī)的實(shí)際狀 態(tài)，物理意義明確，計(jì)算量相對(duì)較小，直接逼近電機(jī)的熱性能，可以快速評(píng)估潛油電機(jī)運(yùn)行 過程的熱性能，用于潛油電機(jī)溫度的工程計(jì)算。本發(fā)明通過實(shí)測的電機(jī)定子電流值計(jì)算潛 油電機(jī)各部件的溫度，實(shí)現(xiàn)了潛油電機(jī)溫度的軟測量。


圖1為本發(fā)明的在線監(jiān)測示意圖2為機(jī)座的等效電路圖3為定子軛的等效電路圖4為定子齒的等效電路圖5為定子繞組的等效電路圖6為氣隙的等效電路圖7為端繞組的等效電路圖8為端部氣隙的等效電路圖9為轉(zhuǎn)子繞組的等效電路圖10為轉(zhuǎn)子軛的等效電路圖11為軸的等效電路圖12為整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路圖13為圖12的簡化等效電路圖14為對(duì)潛油電機(jī)進(jìn)行采樣獲得的電壓及電流波形圖
圖15為采用本發(fā)明方法獲得的定子溫度曲線圖16為潛油電機(jī)表面實(shí)測溫度曲線圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1至圖13說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括以下步 驟步驟一采集所述潛油電機(jī)的三相定子電壓和三相定子電流；步驟二 通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)三相定子電壓和三相定子電流分別進(jìn)行處理，并將 處理后的信號(hào)作為定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)；步驟三采用工控機(jī)根據(jù)定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)計(jì)算潛 油電機(jī)的總發(fā)熱量U;步驟四在所述工控機(jī)內(nèi)將所述潛油電機(jī)的總發(fā)熱量U按照所述潛油電機(jī)中各部 件的幾何尺寸及耗能比例分配到潛油電機(jī)的各部件中；同時(shí)將潛油電機(jī)的各部件等效電路 按照空間位置關(guān)系組合成整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路，根據(jù)整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路建立集 中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型；步驟五求解集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型，獲得潛油電機(jī)各部件的溫度值。本實(shí)施方式中對(duì)三相定子電壓和三相定子電流進(jìn)行采樣，可通過電流傳感器和電 壓傳感器來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)調(diào)理電路處理后的定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào) 可通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞給工控機(jī)，然后通過溫度巡檢儀檢測獲得潛油電機(jī)的定子溫度，并
11在工控機(jī)中與本發(fā)明方法最終獲得的定子溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò) 模型進(jìn)行調(diào)整，驗(yàn)證模型的正確性。來驗(yàn)證本發(fā)明方法的準(zhǔn)確度。可利用MATLAB編寫程序?qū)?shù)據(jù)采集卡中采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。所述電流傳感器和電壓傳感器為霍爾傳感器，信號(hào)調(diào)理電路基于芯片AD623，工控 機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，本發(fā)明只需要利用潛油電機(jī)的幾何尺寸以及采樣來的電壓電流 數(shù)據(jù)，通過對(duì)模型的建立以及分析最終得到所需要的溫度。本實(shí)施方式中，由電壓傳感器和電流傳感器對(duì)潛油電機(jī)定子電壓及電流采樣后 均獲得毫伏級(jí)的正弦波電流信號(hào)，采用信號(hào)調(diào)理電路分別將其轉(zhuǎn)變成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)， 并進(jìn)一步放大為0-1. 5V的交流電壓信號(hào)，再由信號(hào)調(diào)理電路中1.8V直流電壓源舉升為 0-3. 3V的交流電壓信號(hào)，送到數(shù)據(jù)采集卡輸入端口，作為原始輸入信號(hào)。對(duì)原始輸入信號(hào)所進(jìn)行的一系列算法過程，都在工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)，及至最后實(shí)現(xiàn)對(duì) 轉(zhuǎn)子的溫度估算。電壓傳感器可以使用LEM公司的LM8-P型號(hào)的電壓傳感器，它具有出色的精度， 良好的線性，低溫漂，很強(qiáng)的抗外界干擾能力，共模抑制比很強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間很快和頻帶寬的 特點(diǎn)。電流傳感器可以使用KEHAI公司的KT75A/P型號(hào)的電流傳感器，它的測量范圍寬，頻 率特性好，反應(yīng)速度快，過載能力強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖12和圖13說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方 式一的進(jìn)一步說明，步驟三中采用工控機(jī)根據(jù)定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入 信號(hào)計(jì)算潛油電機(jī)的總發(fā)熱量u的方法為所述潛油電機(jī)的總發(fā)熱量u為鐵損W”定子銅損 Ws和轉(zhuǎn)子銅損I的和，其表達(dá)式為u = ffi+ff^ff,,
權(quán)利要求
1.一種基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于它包括以下步驟步驟一采集所述潛油電機(jī)的三相定子電壓和三相定子電流；步驟二 通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)三相定子電壓和三相定子電流分別進(jìn)行處理，并將處理 后的信號(hào)作為定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)；步驟三采用工控機(jī)根據(jù)定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)計(jì)算潛油電 機(jī)的總發(fā)熱量U;步驟四在所述工控機(jī)內(nèi)將所述潛油電機(jī)的總發(fā)熱量u按照所述潛油電機(jī)中各部件的 幾何尺寸及耗能比例分配到潛油電機(jī)的各部件中；同時(shí)將潛油電機(jī)的各部件等效電路按照 空間位置關(guān)系組合成整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路，根據(jù)整個(gè)潛油電機(jī)的等效電路建立集中參 數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型；步驟五求解集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型，獲得潛油電機(jī)各部件的溫度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于 步驟三中采用工控機(jī)根據(jù)定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)計(jì)算潛油電機(jī) 的總發(fā)熱量u的方法為所述潛油電機(jī)的總發(fā)熱量u為鐵損W”定子銅損Ws和轉(zhuǎn)子銅損I 的和，其表達(dá)式為u = ffi+ff^ff,,1 cXm η τ2Ws=RiI2p,W =--^-V2 + ￡ χΛ I2，r 義(義+2、)p Xm + 2xsc p式中&為潛油電機(jī)的定子電阻、Rz為潛油電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻、xs。為潛油電機(jī)的整體漏抗、 Xffl為潛油電機(jī)的激磁電抗、Rffl為潛油電機(jī)的激磁電阻、Vp為潛油電機(jī)定子的每相原始電壓 輸入信號(hào)值、Ip為潛油電機(jī)定子的每相原始電流輸入信號(hào)值、c為常量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于 步驟四中所述潛油電機(jī)的各部件等效電路為對(duì)其各部件的熱對(duì)流和熱接觸電阻進(jìn)行模擬 和歸算，四一)將機(jī)座的熱接觸電阻歸算為電阻隊(duì)和&組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，其中電阻隊(duì)和&串 聯(lián)在節(jié)點(diǎn)Jtl和J2之間，R1和&的連接點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)J1, R1為直接測量獲得，R2nhcLrx式中h。為機(jī)座與鐵芯的接觸系數(shù)，L為定子長度，Γι為定子外徑；將機(jī)座的熱對(duì)流模擬為C1 cI =MeCe+\MfCf，式中Me為端蓋質(zhì)量，Mf為機(jī)座質(zhì)量，ce為端蓋比熱，cf為機(jī)座比熱；熱對(duì)流C1從節(jié)點(diǎn)J1 流入該電阻網(wǎng)絡(luò)；四二)將定子軛的熱接觸電阻歸算為電阻民、禮、1 5和1 6組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，其中電阻& 和R6串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)J1和J4'之間，電阻R5和R6的連接點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)J2'，電阻R4串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)J2'W= —---^- V2-‘cRm cXm(Xm+2xsc)“和J2之間，電阻R3串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)J2和J7之間，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于 所述步驟四中將潛油電機(jī)的各部件等效電路按照空間位置關(guān)系組合成整個(gè)潛油電機(jī)的等 效電路，并將位于一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的多個(gè)電阻進(jìn)行等效替換，等效替換的電阻有節(jié)點(diǎn)J1與節(jié)點(diǎn)Jltl之間的等效電阻R' no' R' HC1 = R38 ；節(jié)點(diǎn)J1O與節(jié)點(diǎn)J9,之間的等 效電阻 R9, 1Q，R9, 10 = R36//R37 ；節(jié)點(diǎn) J9,與節(jié)點(diǎn) J8,之間的等效電阻 R8, 9' 'R8' 9' = R32//R35 ； 節(jié)點(diǎn)J8'與節(jié)點(diǎn)J5之間的等效電阻R58,，R58- = R18//R31 ；節(jié)點(diǎn)J5與節(jié)點(diǎn)J3'之間的等效電 阻民，5,R3- 5 = R11A7R16 ；節(jié)點(diǎn)J3,與節(jié)點(diǎn)J4,之間的等效電阻R3, 4' 'R3' 4' = R1。，節(jié)點(diǎn)J4,與 節(jié)點(diǎn)J2,之間的等效電阻R2, 4' ^R2' 4' = R6，節(jié)點(diǎn)J2,與節(jié)點(diǎn)J1之間的等效電阻R12,，R12,=r2//R5 ；節(jié)點(diǎn)J1與節(jié)點(diǎn)J7之間的等效電阻R' 71，R' 71 = I^22，節(jié)點(diǎn)J7與節(jié)點(diǎn)J2之間的等效電 阻R' 27，R' 27 = R3//%3，節(jié)點(diǎn)J2與節(jié)點(diǎn)J2,之間的等效電阻Ii22,，R22- = R4,節(jié)點(diǎn)J7與節(jié)點(diǎn)J3之間的等效電阻R' 37，R' 37 = R7//%4，節(jié)點(diǎn)J3與節(jié)點(diǎn)J3,之間的等 效電阻 R33,，R33' = R9 ；節(jié)點(diǎn)J7與節(jié)點(diǎn)J6之間的等效電阻R' 67，R' 67 = I 21//R2Q//%5，節(jié)點(diǎn)J6與節(jié)點(diǎn)J4之 間的等效電阻R' 46' R' 46 =隊(duì)3//%9，節(jié)點(diǎn)J4與節(jié)點(diǎn)J4,之間的等效電阻R44,，R44' = R14, 節(jié)點(diǎn)J4與節(jié)點(diǎn)J3之間的等效電阻R' 34' R' 34 = IVVR12，節(jié)點(diǎn)J4節(jié)點(diǎn)J5之間的等效電阻 R' 45'R' 45 = IWVR17，節(jié)點(diǎn)J7與節(jié)點(diǎn)J8之間的等效電阻R' 78，R' 78 = R26//%9，節(jié)點(diǎn)J8 與節(jié)點(diǎn)J8,之間的等效電阻R88,，R88- = R3tl,節(jié)點(diǎn)J7與節(jié)點(diǎn)J9之間的等效電阻R' 79，R' 79 =R27//R28//R33，節(jié)點(diǎn)J9與節(jié)點(diǎn)J9,之間的等效電阻R99-，R99, = R34 ；上述等效電路結(jié)構(gòu)中定子繞組的發(fā)熱量為U4、端繞組的發(fā)熱量為U6、定子齒的發(fā)熱量 為U3、轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱量為u8，所述四個(gè)發(fā)熱量與潛油電機(jī)的總發(fā)熱量u之間的關(guān)系式為U = U3+U4+U6+U8o
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于 步驟四中所述的集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于 所述步驟五求解集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的方法為采用四階經(jīng)典龍格-庫塔法求解集中參數(shù) 熱網(wǎng)絡(luò)模型，所述四階經(jīng)典龍格-庫塔法的基本迭代過程公式為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，其特征在于 所述步驟五中獲得潛油電機(jī)各部件的溫度值的表達(dá)式為
全文摘要
基于集中參數(shù)模型的潛油電機(jī)溫度辯識(shí)方法，屬于熱力學(xué)建模和電機(jī)控制相結(jié)合的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域。它解決了采用溫度傳感器獲取潛油電機(jī)的溫度信息受井下環(huán)境的制約的問題。它首先采集所述潛油電機(jī)的三相定子電壓和三相定子電流；通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)三相定子電壓和三相定子電流分別進(jìn)行處理，并將處理后的信號(hào)作為定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)；采用工控機(jī)根據(jù)定子原始電流輸入信號(hào)和定子原始電壓輸入信號(hào)計(jì)算潛油電機(jī)的總發(fā)熱量u；將總發(fā)熱量u分配到潛油電機(jī)的各部件中，并組合潛油電機(jī)的等效電路，再建立集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型，求解集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型，獲得潛油電機(jī)各部件的溫度值。本發(fā)明用于對(duì)潛油電機(jī)進(jìn)行溫度辯識(shí)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102081685SQ201010580809
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者任翔, 呂琳琳, 夏禹, 張鳳娜, 徐殿國, 李臨春, 王立國, 董明軒, 郝宏海 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)