專利名稱：螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提供一種螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，屬于油田采油設(shè)備控制系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
螺桿泵采油井下舉升效率較深井泵高的多，一般螺桿泵泵效為60% 70%，這是由螺桿泵的工作特點(diǎn)決定的。螺桿泵井由于其工作時(shí)穩(wěn)定均勻地進(jìn)液和向外排液，不存在深井泵的吸入及排出兩個(gè)過程帶來的偶爾遲關(guān)、遲開和偶爾漏失現(xiàn)象，也不存在深井泵的單行程供液等系列問題，這些因素是影響泵效的主要原因，因此螺桿泵舉升就理論來講泵效要比深井泵高，這十分有利于井下舉升系統(tǒng)效率的提高。螺桿泵轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單，一般為兩級(jí)減速轉(zhuǎn)動(dòng)，懂事運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量較抽油機(jī)低，總的傳動(dòng)效率較高；抽油機(jī)舉升傳動(dòng)節(jié)點(diǎn)多，不但有減速箱的二級(jí)減速，還有四連桿傳動(dòng)和驢頭運(yùn)動(dòng)。抽油機(jī)地面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的效率最大為70% 75%，而螺桿泵工作時(shí)僅是單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)向一致，減速箱結(jié)構(gòu)簡單，僅一級(jí)皮帶傳動(dòng)和一級(jí)齒輪傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)效率高，地面效率一般在88% 92%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抽油機(jī)。目前常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由異步電機(jī)、皮帶和減速器組成，電機(jī)的動(dòng)力輸出軸將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過皮帶和減速器經(jīng)房卡帶動(dòng)抽油桿，從而帶動(dòng)螺桿泵的轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)原油的舉升；這樣的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在調(diào)速困難、在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下會(huì)發(fā)生震動(dòng)，并且皮帶傳動(dòng)速度高容易導(dǎo)致發(fā)熱量大和磨損加劇，加上減速箱需要經(jīng)常維護(hù)，防反轉(zhuǎn)裝置容易損壞自身及設(shè)備，整個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)工序繁瑣、效率較低的缺點(diǎn)。采用交流永磁同步電機(jī)地面直驅(qū)螺桿泵采油裝置，由于電機(jī)自身特點(diǎn)并減掉了減速裝置，有效解決了上述調(diào)速困難、維護(hù)減速箱的問題，但在存在油田惡劣條件下容易發(fā)生退磁現(xiàn)象的問題。

實(shí)用新型內(nèi)容根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實(shí)用新型要解決的問題是提供一種過載能力強(qiáng)，節(jié)電效果顯著，調(diào)速簡單并且范圍寬廣的螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括殼體內(nèi)設(shè)置的控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)和傳感器，其特征在于所述的控制器的輸出端連接功率變換器的控制端，控制器的輸入端連接外部給定；所述的功率變換器的輸出端連接電動(dòng)機(jī)，其輸入端連接電源；所述的電動(dòng)機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出軸連接螺桿泵；所述的傳感器包括電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器，位置檢測(cè)器設(shè)置在開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部，電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器的輸出端分別連接控制器的輸入端。外部給定主要包括控制按鈕和調(diào)速旋鈕的輸出信號(hào)，經(jīng)過控制器信號(hào)處理，輸入到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制功率變換器的功率輸出量，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)SRM轉(zhuǎn)速和扭矩，再通過機(jī)械傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)螺桿泵。其中優(yōu)選方案是[0009]所述的殼體上設(shè)置直線排列的電壓表、轉(zhuǎn)速表和電流表，電壓表、轉(zhuǎn)速表和電流表連接控制器，殼體上控制按鈕，控制按鈕包括連接控制器的控制輸入端的急停按鈕、停止按鈕、起動(dòng)按鈕和調(diào)速旋鈕。顯示開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動(dòng)、停止、急停和調(diào)速功能。所述的調(diào)速旋鈕包括釋放調(diào)速旋鈕和工作調(diào)速旋鈕，釋放調(diào)速旋鈕和工作調(diào)速旋鈕分別連接控制器的輸入端。工作調(diào)速旋鈕是螺桿泵電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電位器。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)工作速度加快；反之，電機(jī)工作速度變慢；釋放調(diào)速旋鈕是螺桿泵電機(jī)剎車速度調(diào)節(jié)電位器。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)剎車速度加快；反之，電機(jī)剎車速度變慢。本實(shí)用新型的螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所具有的有益效果是通過分析油田用螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的要求，有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有SRD進(jìn)行了整體性一致性改進(jìn)，瞬時(shí)功率大，過載能力強(qiáng)，加速性能好，調(diào)速范圍寬廣。具體上I、改善了電機(jī)在低速轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)問題，功率密度有了較大提高，電機(jī)的噪聲有所降低；2、通過對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的軟件和控制電路的優(yōu)化改進(jìn)，避免了通用開關(guān)磁阻電機(jī)在換相時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，噪聲大的缺點(diǎn)；3、低速大力矩，啟動(dòng)電流小的特點(diǎn)；在較寬的調(diào)速范圍和輸出功率范圍內(nèi)，都具有高的整體效率，符合螺桿泵的要求。

圖I為本實(shí)用新型的電氣原理方框圖；圖2為本實(shí)用新型的殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型的控制器原理方框圖；其中1、殼體 2、急停按鈕 3、工作調(diào)速旋鈕 4、釋放調(diào)速旋鈕 5、起動(dòng)按鈕6、停止按鈕7、電壓表8、轉(zhuǎn)速表9、電流表。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例做進(jìn)一步描述實(shí)施例I :如圖I所示，本系統(tǒng)包括控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)和傳感器。包括殼體I內(nèi)設(shè)置的控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)和傳感器，其特征在于所述的控制器的輸出端連接功率變換器的控制端，控制器的輸入端連接外部給定；所述的功率變換器的輸出端連接電動(dòng)機(jī)，其輸入端連接電源；所述的電動(dòng)機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出軸連接螺桿泵；所述的傳感器包括電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器，位置檢測(cè)器設(shè)置在開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部，電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器的輸出端分別連接控制器的輸入端。外部給定主要包括控制按鈕和調(diào)速旋鈕的輸出信號(hào)，經(jīng)過控制器信號(hào)處理，輸入到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制功率變換器的功率輸出量，實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)SRM轉(zhuǎn)速和扭矩，再通過機(jī)械傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)螺桿泵。如圖2所不,殼體I上設(shè)置直線排列的電壓表7、轉(zhuǎn)速表8和電流表9,電壓表7、轉(zhuǎn)速表8和電流表9連接控制器，殼體I上控制按鈕，控制按鈕包括連接控制器的控制輸入端的急停按鈕2、停止按鈕6、起動(dòng)按鈕5和調(diào)速旋鈕。顯示開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動(dòng)、停止、急停和調(diào)速功能。調(diào)速旋鈕包括釋放調(diào)速旋鈕4和工作調(diào)速旋鈕3，釋放調(diào)速旋鈕4和工作調(diào)速旋鈕3分別連接控制器的輸入端。工作調(diào)速旋鈕3是螺桿泵電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電位器。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)工作速度加快；反之，電機(jī)工作速度變慢。釋放調(diào)速旋鈕4是螺桿泵電機(jī)剎車速度調(diào)節(jié)電位器。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)剎車速度加快；反之，電機(jī)剎車速度變慢。如圖3所示，控制器通過單片機(jī)、數(shù)字/模擬電路以及外圍電路設(shè)置信號(hào)連接的起動(dòng)及給定電路、給定積分器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制電路、電流限幅電路和通電邏輯電路；電流信號(hào)經(jīng)過電流檢測(cè)器檢測(cè)以后，輸入電流限幅電路進(jìn)行平穩(wěn)性處理，再通過通電邏輯電路驅(qū)動(dòng)功率變換器輸出；轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置信號(hào)經(jīng)過位置檢測(cè)器檢測(cè)以后，通過測(cè)速輸入速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行處理，同時(shí)轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置信號(hào)輸入通電邏輯電路驅(qū)動(dòng)功率變換器輸出；外部給定信號(hào)經(jīng)過起動(dòng)及給定電路輸入，經(jīng)過給定積分器、速度調(diào)節(jié)器處理后，輸入電流調(diào)節(jié)器控制輸出電流，控制脈寬調(diào)制電路輸出，同時(shí)速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)輸入通電邏輯電路，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)功率變換器輸出。·其調(diào)速系統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，通過脈沖寬度調(diào)制電路調(diào)節(jié)加于SRM繞組上的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)速和穩(wěn)速的目的。通過邏輯電路改變通電相序改變SRM的轉(zhuǎn)向，并通過改變換相角改變SRM的電動(dòng)、制動(dòng)工作狀態(tài)。電流限幅改善了 SRM的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)控制和SRM的安全工作?？刂破鲀?nèi)還可以設(shè)置多種保護(hù)和自我診斷功能。由于單片機(jī)程序可修改性，可以方便的滿足用戶在SRM性能等方面的多種需求。通過單片機(jī)內(nèi)部軟件和外圍控制電路，進(jìn)行模擬實(shí)試驗(yàn)，經(jīng)過雙閉環(huán)系統(tǒng)控制，電機(jī)扭矩波動(dòng)大幅度減小，噪聲大幅度降低，解決了通用開關(guān)磁阻電機(jī)的軟件和控制電路一般對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，導(dǎo)致開關(guān)磁阻電機(jī)在換相時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的波動(dòng)，同時(shí)也導(dǎo)致較大的噪聲的問題?？刂破髟O(shè)置由電壓表7、轉(zhuǎn)速表8和電流表9構(gòu)成的操作顯示電路，操作顯示電路的輸入端連接控制器的數(shù)據(jù)輸出端。分別顯示三相輸入端相電壓；相電流和轉(zhuǎn)速。工作原理控制器根據(jù)位置檢測(cè)器檢測(cè)到的定轉(zhuǎn)子間相對(duì)位置信息，結(jié)合給定的運(yùn)行命令(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))，導(dǎo)通相應(yīng)的定子相繞組的主開關(guān)元件。對(duì)應(yīng)相繞組中有電流流過，產(chǎn)生磁場(chǎng)；磁場(chǎng)總是趨于“磁阻最小”而產(chǎn)生的磁阻性電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向“極對(duì)極”位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到被吸引的轉(zhuǎn)子磁極與定子激磁相相重合(平衡位置)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩消失。此時(shí)控制器根據(jù)新的位置信息，在定轉(zhuǎn)子即將達(dá)到平衡位置時(shí)，向功率變換器發(fā)出命令，關(guān)斷當(dāng)前相的主開關(guān)元件，而導(dǎo)通下一相，則轉(zhuǎn)子又會(huì)向下一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)動(dòng)；這樣，控制器根據(jù)相應(yīng)的位置信息按一定的控制邏輯連續(xù)地導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的相繞組的主開關(guān)，就可產(chǎn)生連續(xù)的同轉(zhuǎn)向的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子在一定的轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行；再根據(jù)一定的控制策略控制各相繞組的通斷時(shí)刻以及繞組電流的大小，就可使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。從上面的分析可見，電流的方向?qū)D(zhuǎn)矩沒有任何影響，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組的通電順序。若通電順序改變，則電機(jī)的轉(zhuǎn)向也發(fā)生改變。為保證電機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，位置檢測(cè)器要能及時(shí)給出定轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置，使控制器能及時(shí)和準(zhǔn)確地控制定子各相繞組的通斷，使SRM能產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)計(jì)的性能要求。對(duì)于螺桿泵的反向制動(dòng)控制，為了確保安全，控制柜內(nèi)具備3種停機(jī)控制方式。[0033]I、正常停機(jī)控制在這種方式下，由用戶按下停機(jī)按鈕?？刂破鳈z測(cè)到停機(jī)信號(hào)后，立即控制電機(jī)定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向由正向旋轉(zhuǎn)切換到反向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)力矩方向從正向轉(zhuǎn)為反向，從而螺桿的旋轉(zhuǎn)方向也從正向降速到零，并開始反向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度是由控制器給定的，給定范圍一般為50-200RPM。螺桿由于自身變形產(chǎn)生的反向扭力，導(dǎo)致速度迅速上升，并有超過給定速度的趨勢(shì)。當(dāng)螺桿速度大于控制器給定速度時(shí)，控制器控制定子線圈的導(dǎo)通時(shí)刻，使扭力方向?yàn)檎?，即與螺桿變形產(chǎn)生的扭力相反，從而抑制了螺桿速度的上升?？刂破麟S時(shí)檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，速度，扭力方向，使螺桿在任意給定的可控速度下，能量慢慢釋放，直至釋放完畢。釋放完畢后，控制器處于停機(jī)狀態(tài)，等待再次啟動(dòng)。2、控制器出現(xiàn)故障的停機(jī)控制控制柜內(nèi)部有一三相可控全波整流電路，其直流輸出接到電機(jī)的A相線圈。其輸出電壓可以通過一電位器調(diào)整。當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，該直流接到電機(jī)A相，防止電機(jī)出現(xiàn)失速。3、外部電源斷電控制當(dāng)外部電源斷電后，由于控制器內(nèi)部電容的存在，控制系統(tǒng)在短時(shí)間保持正常工作。當(dāng)外部電源斷電后，控制系統(tǒng)立即動(dòng)作，使電機(jī)迅速由正向旋轉(zhuǎn)切 換為反向旋轉(zhuǎn)。在空載情況下，該轉(zhuǎn)換過程為3-5秒。在帶載情況下，因?yàn)槁輻U的反向扭力，帶載過程轉(zhuǎn)換時(shí)間要小于空載轉(zhuǎn)換時(shí)間。進(jìn)入該狀態(tài)后，控制器控制定子線圈的導(dǎo)通時(shí)刻，使電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，發(fā)電量多少與反向速度有關(guān)。速度越高，發(fā)電量越大，反之越小。而該速度是由用戶給定，任意可調(diào)的，通過調(diào)節(jié)該速度，可以任意控制發(fā)電量的多少。電機(jī)發(fā)出的電能通過控制器內(nèi)部的續(xù)流管流入控制器內(nèi)部電容。而該電容所儲(chǔ)存的電能又提供給該控制系統(tǒng)，以保證其正常工作。當(dāng)發(fā)電量過大時(shí)，控制器打開IGBT制動(dòng)管，接通外部電容，將能量消耗在外部電阻上。其工作過程與正常停機(jī)是相同的。實(shí)際上，正常停機(jī)時(shí)，外部三相輸入電源電流為0，是停止工作的。發(fā)電產(chǎn)生的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)正常工作所需的能量，并需通過外部大功率電阻釋放掉。以上實(shí)施例是本專利較佳實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本專利的思想指引下聯(lián)想到的其他變形實(shí)施方式，也在本保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括殼體(I)內(nèi)設(shè)置的控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)和傳感器，其特征在于 所述的控制器的輸出端連接功率變換器的控制端，控制器的輸入端連接外部給定； 所述的功率變換器的輸出端連接電動(dòng)機(jī)，其輸入端連接電源； 所述的電動(dòng)機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出軸連接螺桿泵； 所述的傳感器包括電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器，位置檢測(cè)器設(shè)置在開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部，電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器的輸出端分別連接控制器的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于所述的殼體(I)上設(shè)置直線排列的電壓表(7)、轉(zhuǎn)速表(8)和電流表(9)，電壓表(7)、轉(zhuǎn)速表(8)和電流表(9)連接控制器，殼體(I)上控制按鈕，控制按鈕包括連接控制器的控制輸入端的急停按鈕(2 )、停止按鈕(6 )、起動(dòng)按鈕(5 )和調(diào)速旋鈕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于所述的調(diào)速旋鈕包括釋放調(diào)速旋鈕(4)和工作調(diào)速旋鈕(3)，釋放調(diào)速旋鈕(4)和工作調(diào)速旋鈕(3)分別連接控制器的輸入端。
專利摘要螺桿泵專用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，屬于油田采油設(shè)備控制系統(tǒng)領(lǐng)域。包括殼體內(nèi)設(shè)置的控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)和傳感器，其特征在于控制器的輸出端連接功率變換器的控制端，控制器的輸入端連接外部給定；功率變換器的輸出端連接電動(dòng)機(jī)，其輸入端連接電源；電動(dòng)機(jī)為開關(guān)磁阻電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出軸連接螺桿泵；位置檢測(cè)器設(shè)置在開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部，電流檢測(cè)器和位置檢測(cè)器的輸出端分別連接控制器的輸入端。通過分析油田用螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的要求，有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有SRD進(jìn)行了整體性一致性改進(jìn)，瞬時(shí)功率大，過載能力強(qiáng)，加速性能好，調(diào)速范圍寬廣。
文檔編號(hào)H02P6/10GK202737797SQ20122041324
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)明者郭源生, 李明賢, 董義鵬, 楊建偉, 李彥 申請(qǐng)人:郭源生, 李明賢, 董義鵬, 楊建偉, 李彥