專利名稱：游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及游梁式抽油機用電機控制系統(tǒng)，特別是涉及游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，屬于電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、負(fù)載做不規(guī)則變動的宏觀穩(wěn)速控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
游梁式抽油機占機械采油設(shè)備的70%以上。在啟動游梁式抽油機時，電動機需輸出大啟動轉(zhuǎn)矩，以便使包括平衡配重在內(nèi)的抽油機系統(tǒng)加速。游梁式抽油機每個沖次的負(fù)載都可能不同， 而且，在一個沖次當(dāng)中負(fù)載轉(zhuǎn)矩時刻都在變化。長期以來，絕大多數(shù)游梁式抽油機采用通用型3相籠形異步電動機(例如Y系列異步電動機)作為動力。這就帶來了一系列動力源與負(fù)載特性不匹配的問題。3相籠形異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩大約是其額定轉(zhuǎn)矩的2倍左右，所以，抽油機選擇電動機容量時，不是以等效輸出功率為準(zhǔn)則，而是以滿足啟動轉(zhuǎn)矩為前提，這就造成了“大馬拉小車”現(xiàn)象。因此， 電動機啟動電流很大，電動機工作在低負(fù)載率下，造成電動機工作在效率和功率因數(shù)都低的工作狀態(tài)。3相籠形通用異步電動機的轉(zhuǎn)差率大約在5%以內(nèi)，其機械特性很硬，這就造成了動力源與負(fù)載的不匹配，降低了系統(tǒng)效率。為了降低單位產(chǎn)液量的能耗和增加產(chǎn)油量，國內(nèi)外研究和試驗過多種類型的電動機，例如高轉(zhuǎn)差和超高轉(zhuǎn)差3相籠形異步電動機、變頻調(diào)速3相籠形異步電動機、3相籠形異步電動機加電磁離合器、3相線繞轉(zhuǎn)子異步電動機、稀土永磁同步電動機、開關(guān)磁阻電動機等等，實驗效果都還不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在保證游梁式抽油機每分鐘沖次數(shù)前提下，使其拖動電動機的工作點隨負(fù)載大小在下垂的機械特性曲線上滑動，以達(dá)到電動機、抽油桿和油泵活塞運動的良好匹配，因而減小了沖程損失。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，由永磁無刷直流電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和控制器構(gòu)成，其所述控制系統(tǒng)是以抽油機每個沖次的時間t*=60/N，s，為指令時間和采樣周期控制的，其中，N是抽油機每分鐘的沖次數(shù)；通過強制改變電壓型逆變器輸出的PWM占空比D，使電動機在一個沖次當(dāng)中工作在某一機械特性曲線上；在一個采樣周期t*內(nèi)，電動機每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)n=iN被定為控制目標(biāo)，其中i是抽油機減速比；在t*時間內(nèi)，電動機的工作點隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，在由PWM占空比D確定的下垂機械特性曲線上滑動，使得抽油機在保證每分鐘沖次數(shù)前提下得到電動機、抽油桿和活塞運動的配合，電動機在恒功率和高效區(qū)運行。所述的游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其所述每個沖次的指令t*是來自對地面示功圖數(shù)據(jù)處理的上位機輸出，或來自根據(jù)經(jīng)驗的人為設(shè)定。所述的游梁 式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其所述的指令時間t*，s，用每個沖次的脈沖數(shù)60f/N來表達(dá)，其中，f=3piN/60，Hz, ρ為電動機的極對數(shù)； 電動機在一個沖次時間t*內(nèi)的平均每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n，用轉(zhuǎn)子位置傳感器U、V、W上跳沿脈沖數(shù) 3pn/N來計數(shù)，并以」n=60f-3pn為強制改變電壓型逆變器輸出的PWM占空比D的依據(jù)。所述的游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其永磁無刷直流電動機系統(tǒng)組成，包括有3相交流電源電壓；3相全橋整流器；濾波電容器；直流母線上電流傳感器；電壓型3相逆變器；控制器；ρ對極永磁無刷直流電動機定子；ρ對極永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子位置傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點與效果是
本發(fā)明在保證游梁式抽油機每分鐘沖次數(shù)前提下，使其拖動電動機的工作點隨負(fù)載大小在下垂的機械特性曲線上滑動，以達(dá)到電動機、抽油桿和油泵活塞運動的良好匹配，因而減小了沖程損失。電動機的工作點在下垂機械特性曲線上滑動，使電動機近于恒功率運行， 這就提供了電動機始終工作在高效區(qū)的條件。這種控制系統(tǒng)與3相籠型異步電動機相比， 游梁式抽油機生產(chǎn)每噸米液體的能耗可以減少30%左右。


圖1為游梁式抽油機的傳動鏈圖2為電動機轉(zhuǎn)速恒定時，懸點的位置、速度、加速度和曲柄負(fù)載圖； 圖3為下垂的電動機機械特性圖； 圖4為電動機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5為驅(qū)動游梁式抽油機的永磁無刷直流電動機實施框圖。
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。游梁式抽油機的運動規(guī)律可以近似看作曲柄連桿把電動機的旋轉(zhuǎn)運動變成抽油桿的簡諧運動。因此，抽油機懸點的直線位置Sa、運動速度Va、加速度^都是曲柄軸轉(zhuǎn)角θ 的函數(shù)。SA=a/b · r( l_cos θ )
VA=a/b · r · Ω · sin θ
aA= a/b · r · Ω2 · cos θ 式中，a、b、r、9見圖1 ;Ω為曲柄角速度，rad/s
當(dāng)θ = 0時，SA=0，相當(dāng)于懸點A位于最低點，也就是抽油泵的活塞處于最低點，是下沖程的結(jié)束點和上沖程的開始點，當(dāng)θ =180°時，SA=2a*r/b相當(dāng)于懸點A位于最高點，是上沖程的結(jié)束點和下沖程的開始點。完成一個上沖程和一個下沖程稱作一個沖次。根據(jù)井下液體狀況來決定每分鐘沖次數(shù)。圖2是當(dāng)Ω為常數(shù)時，懸點A的位置Sa=/(9)，懸點的線速度νΑ=/(θ)，懸點的加速度aA=/( θ )；表現(xiàn)在曲柄軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 γ=/( θ )，平衡轉(zhuǎn)矩ΤΒ=/( θ )和曲柄軸凈輸出轉(zhuǎn)矩Τ0=/(θ)的示意圖。IY正比于懸點A的受力Fa。
上沖程懸點A受力Fau近似值減化為重力與慣性力之和
Fau = ( Wr + W1 ) · ( Q2Cos θ/g + 1 )
下沖程懸點A受力Fad近似值可以減化為重力、浮力之差與慣性力的和 Fad = ( Wr - Wrl ) + ffr/g · Ω2 · cos θ
式中，Wr是抽油桿、活塞的重量I1是活塞以上液體的重量是液體對抽油桿的浮力；g是重力加速度。從上述分析可知當(dāng) Ω不變時，在θ =(Γπ/2區(qū)間，aA彡0，且θ =0，aA達(dá)最大值并與Ω2成正比，此時正值上沖程開始。懸點A受最大張力FAU(max)= ( Wr + W1 )( Q2/g + 1)。抽油桿相對油管來說發(fā)生彈性變形」L，就是說懸點A向上運動」L期間，活塞并未上升，直到圖2中曲線I；的K點時，油桿才帶動活塞向上運動將油排出井口，Z L就是沖程損失。當(dāng)θ在π/2附近時，懸點A向上運動速度Va最大，單位時間排油量也最大。隨著懸點A繼續(xù)上升，活塞以上油柱變短，抽油桿與油管間相對彈性變形Z L的逐漸縮小，在圖 2 I；曲線到達(dá)M點時，懸點負(fù)載迅速下降，在θ < π時(懸點A未到最高點)，IY過零，且在 θ = π附近IY < 0，負(fù)載為負(fù)功率，這將對變速齒輪副產(chǎn)生沖擊。圖3是永磁無刷直流電動機的一組機械特性曲線。rv、Tstn是電動機在外加電壓為Dn時的理想空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)矩；曲線上任何一點對應(yīng)著不同輸出轉(zhuǎn)矩T時電動機的轉(zhuǎn)速 η。如果D1代表允許加在電樞繞組上的最高電壓，那么，D1曲線上的Iitll與Tstl和0點所圍繞的面積上任何一點都可以成為在一定外加電壓下電動機的工作點。這樣，當(dāng)D確定后 Υ 增加時，η自動下降，IY減小時，η自動升高，那么，當(dāng)θ ^ 0°時，IY大、η小，、也小，這就減小了抽油桿相對油管的彈性變形^ L，減小了沖程損失，提高了產(chǎn)油量。當(dāng)θ在π/2 附近時，Tl大，Va不像η為常數(shù)那樣達(dá)到最大，反而因η下降使Va下降，使 γ減小、M點右移，使負(fù)功率減到近于零。用同樣方法分析下沖程的懸點A受力過程可知只要在I；增加時，η減小，IY減小時，η增大，就會使抽油桿與油管間相對彈性變形Z L變小，沖程損失變小，IY過零點接近。為了使永磁無刷直流電動機適應(yīng)游梁式抽油機的工作特點，永磁無刷直流電動機的控制策略既不應(yīng)是穩(wěn)速系統(tǒng)，也不是轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。它的控制策略應(yīng)該是 在保證每分鐘沖次前提下的宏觀自適應(yīng)系統(tǒng)。圖4是這個系統(tǒng)的原理框圖。其中t*=60/N，s，是抽油機每個沖次所需時間，也是系統(tǒng)的采樣周期，N是抽油機每分鐘的沖次數(shù)。t*來自對地面示功圖數(shù)據(jù)處理的上位機輸出，也可以是根據(jù)經(jīng)驗的人為設(shè)定。η是電動機在t*時間內(nèi)，平均每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。K是考慮到抽油機減速比等因素的常數(shù)，tf是電動機在完成一個沖次當(dāng)中實際消耗的時間，S。比較t* 與、，如果t*>tf，說明電動機在t*時間內(nèi)的平均每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)大于期望值，這時PI調(diào)節(jié)器按(t*-tf )/V比例減小PWM的當(dāng)前占空比，使抽油機在下一個沖次中，電動機工作在輸入電壓較低的機械特性曲線上，并按負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，工作點在該機械特性曲線上滑動，使得在下一個沖次中，t*= tf ；如果t*< tf，說明電動機在t*時間內(nèi)的平均每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)小于期望值，這時PI調(diào)節(jié)器按(t*-tf)/V比例增大PWM的當(dāng)前占空比，使抽油機在下一個沖次中， 電動機工作在輸入電壓較高的機械特性曲線上，并按負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，工作點在該機械特性曲線上滑動，使得在下一個沖次中，t*= tf ；如果t*= tf，說明當(dāng)前PWM占空比不需要改變，下一個沖次依然按當(dāng)前PWM占空比工作，并在原機械特性曲線上按負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，工作點在機械特性曲線上滑動。這種系統(tǒng)是以保證抽油機每分鐘沖次數(shù)(宏觀)為前提的，工作點在下垂機械特性曲線上按負(fù)載大小自然滑動的控制策略。這就使電動機、抽油桿和抽油泵活塞的運動得到良好配合，減小了沖程損失，提高了泵的效率；同時，減小或消除了負(fù)的負(fù)載功率，提高了齒輪的壽命。這種控制策略充分利用了永磁無刷直流電動機的下垂機械特性特點，在一個沖次中電動機的輸出功率變化不大，使電動機始終工作在高效區(qū)以內(nèi)。 這種控制系統(tǒng)與3相籠型異步電動機相比，游梁式抽油機生產(chǎn)每噸米液體的能耗可以減少 30%左右。
永磁無刷直流電動機系統(tǒng)組成見圖5。圖中，Us為3相交流電源電壓；R為3相全橋整流器；C為濾波電容器；ID為直流母線上電流傳感器的輸出電流；IV為電壓型3相逆變器；CT為控制器；M為ρ對極永磁無刷直流電動機定子；N/S為ρ對極永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子；U、V、W為轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出。當(dāng)確定了電動機轉(zhuǎn)向(CW或CCW)和抽油機每分鐘沖次N后，按下電動機啟動按鈕(0N)，電動機將按照設(shè)定轉(zhuǎn)向啟動?？刂破鹘邮盏経、V、W信號，除用來輸出GA+、GA_、GB+、GB_、GC+、GC_信息供逆變器切換通、斷狀態(tài)外，還會利用U、V、W 上升沿產(chǎn)生的每秒3ρ ·η/60個脈沖信號，其中η是電動機每分鐘實際平均轉(zhuǎn)數(shù)。如果抽油機每分鐘最大沖次數(shù)Nmax對應(yīng)指令電平3. 3V，那么每分鐘N個沖次的指令電平u=N/Nmax χ 3. 3，V。指令電平u對應(yīng)的指令脈沖頻率是f=3piN/60，Hz，其中i是抽油機減速比。就是說，每分鐘沖次數(shù)N轉(zhuǎn)化為電平u設(shè)定；u轉(zhuǎn)化為脈沖頻率f ；每個沖次的指令脈沖數(shù)是 60f/N。以60/N秒作為采樣周期，得到」n=60f-3pn,當(dāng)」η >0，說明每個沖次時間內(nèi)電動機每分鐘平均轉(zhuǎn)速η偏低，應(yīng)該根據(jù)」η相對值按比例增加PWM占空比D ；當(dāng)」η <0，說明在一個沖次當(dāng)中，電動機每分鐘平均轉(zhuǎn)速偏高，應(yīng)該根據(jù)^ η相對值按比例減小PWM占空比 D。這就是在一個沖次當(dāng)中，電動機的瞬時轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小沿指定的機械特性曲線滑動，不去人為干涉；但每個沖次的時間，卻通過改變占空比來保證。
權(quán)利要求
1.游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，由永磁無刷直流電動機、 轉(zhuǎn)子位置傳感器和控制器構(gòu)成，其特征在于，所述控制系統(tǒng)是以抽油機每個沖次的時間 t*=60/N, s，為指令時間和采樣周期控制的，其中，N是抽油機每分鐘的沖次數(shù)；通過強制改變電壓型逆變器輸出的PWM占空比D，使電動機在一個沖次當(dāng)中工作在某一機械特性曲線上；在一個采樣周期t*內(nèi)，電動機每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)n=iN被定為控制目標(biāo)，其中i是抽油機減速比；在t*時間內(nèi)，電動機的工作點隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，在由PWM占空比D確定的下垂機械特性曲線上滑動，使得抽油機在保證每分鐘沖次數(shù)前提下得到電動機、抽油桿和活塞運動的配合，電動機在恒功率和高效區(qū)運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述每個沖次的指令t*是來自對地面示功圖數(shù)據(jù)處理的上位機輸出，或來自根據(jù)經(jīng)驗的人為設(shè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的指令時間t*，s，用每個沖次的脈沖數(shù)60f/N來表達(dá)，其中， f=3piN/60, Hz, ρ為電動機的極對數(shù)；電動機在一個沖次時間t*內(nèi)的平均每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n，用轉(zhuǎn)子位置傳感器U、V、W上跳沿脈沖數(shù)3pn/N來計數(shù)，并以」n=60f-3pn為強制改變電壓型逆變器輸出的PWM占空比D的依據(jù)。
全文摘要
游梁式抽油機用永磁無刷直流電機宏觀自適應(yīng)控制系統(tǒng)，涉及游梁式抽油機用電機控制系統(tǒng)，由永磁無刷直流電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和控制器構(gòu)成，控制系統(tǒng)是以抽油機每個沖次的時間t*=60/N，s，為指令時間和采樣周期控制的；在一個采樣周期t*內(nèi)，電動機每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)n=iN被定為控制目標(biāo)；在t*時間內(nèi)，電動機的工作點隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，在由PWM占空比D確定的下垂機械特性曲線上滑動。因而為減小沖程損失和使電動機始終工作在高效區(qū)創(chuàng)造了條件。這種控制系統(tǒng)與3相籠型異步電動機相比，游梁式抽油機生產(chǎn)每噸米液體的能耗可以減少30%左右。
文檔編號H02P6/08GK102255590SQ20111020365
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者劉晨, 鮑志民 申請人:沈陽永磁電機制造有限公司