潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)，涉及潛油螺桿泵伺服驅(qū)動領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中由于驅(qū)動器輸出電壓變化率高，導(dǎo)致電機(jī)的絕緣和軸承損壞，同時(shí)存在電力電纜各相電感不對稱而導(dǎo)致電機(jī)不能正確控制的問題。伺服驅(qū)動器的輸出端與輸出濾波器的輸入端連接，輸出濾波器的輸出端通過電機(jī)動力電纜與伺服永磁同步電機(jī)的輸入端連接，所述輸出濾波器包括共模電感、三相電感和補(bǔ)償電感，所述共模電感包括第一電感、第二電感和第三電感，三相電感包括第四電感、第五電感和第六電感，所述第一電感與第四電感串聯(lián)在第一相導(dǎo)線中，第二電感、第五電感和補(bǔ)償電感串聯(lián)在第二相導(dǎo)線中，第三電感與第六電感串聯(lián)在第三相導(dǎo)線中。本實(shí)用新型適用于潛油螺桿泵伺服驅(qū)動。
【專利說明】潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及潛油螺桿泵伺服驅(qū)動領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]交流電機(jī)的速度和為該電機(jī)供電的電壓的頻率成正比，而電機(jī)的反電勢，即電機(jī)的電壓和速度成正比。要達(dá)到電機(jī)速度連續(xù)可調(diào)，需要一個頻率和幅值都連續(xù)可變的交流電壓。對常規(guī)的交流電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2，其電機(jī)動力電纜一般不會超過30m，輸出電壓dv/dt不是問題，而本驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)動力電纜可達(dá)2000m，是常規(guī)系統(tǒng)的60多倍。當(dāng)動力電纜的長度超過一定的值，以及通過電纜傳輸?shù)碾妷汉碗娏骺焖僮兓瘯r(shí)，電纜的電氣參數(shù)，如電阻、電容、電感等，不能如常規(guī)按集中參數(shù)處理，而是分布參數(shù)，電纜傳輸?shù)碾娏?，電壓和電流也必須按傳輸線理論來處理，電壓和電流不僅僅是時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)也是位置的函數(shù)，它們沿電纜長度的方向是一種傳輸波。因此，需要對采用脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生的電壓通過長動力電纜而可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。
[0003]電壓變化率dv/dt很高時(shí)，電壓波沿電纜長度的方向傳輸，當(dāng)電壓波到達(dá)分布參數(shù)變化的位置，如電機(jī)的接線盒，會產(chǎn)生折射和反射，這種反射會在電機(jī)繞組產(chǎn)生高達(dá)驅(qū)動器輸出電壓三倍的電壓，使電壓變化率dv/dt更高，從而在各相繞組之間以及相繞組和機(jī)殼之間的寄生電容流過高頻電流，這種高電壓和高頻電流會弓I起電機(jī)的絕緣和軸承損壞。
[0004]由于潛油螺桿泵系統(tǒng)的特殊應(yīng)用環(huán)境，決定了動力電纜采用扁平狀設(shè)計(jì)。由于扁平動力電纜的幾何不對稱其三相電感也是不對稱的，即動力電纜中間相的電感值和其它兩相的不一樣大，且長度越長，電感的差別越大。伺服驅(qū)動器通過電力電纜傳輸交流電壓給伺服永磁同步電機(jī)。當(dāng)其長度超過一定的值時(shí)，這種動力電纜電感的不對稱會嚴(yán)重影響電機(jī)的控制，尤其對確定電機(jī)N極角度的精度的影響更為嚴(yán)重，而電機(jī)N極角度的正確與否直接關(guān)系到電機(jī)的平穩(wěn)和可靠起動。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中由于驅(qū)動器輸出電壓變化率高，導(dǎo)致電機(jī)的絕緣和軸承損壞，同時(shí)存在電力電纜各相電感不對稱而導(dǎo)致電機(jī)不能正確控制的問題，提出了潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
[0006]潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器、伺服永磁同步電機(jī)和輸出濾波器，所述伺服驅(qū)動器的輸出端與輸出濾波器的輸入端連接，輸出濾波器的輸出端通過電機(jī)動力電纜與伺服永磁同步電機(jī)的輸入端連接，所述輸出濾波器包括共模電感、三相電感和補(bǔ)償電感,所述共模電感包括第一電感、第二電感和第三電感,三相電感包括第四電感、第五電感和第六電感，所述第一電感與第四電感串聯(lián)在第一相導(dǎo)線中，第二電感、第五電感和補(bǔ)償電感串聯(lián)在第二相導(dǎo)線中，第三電感與第六電感串聯(lián)在第三相導(dǎo)線中。
[0007]所述伺服驅(qū)動器包括電源、一號功率開關(guān)、二號功率開關(guān)、三號功率開關(guān)、四號功率開關(guān)、五號功率開關(guān)和六號功率開關(guān),所述一號功率開關(guān)、二號功率開關(guān)、三號功率開關(guān)、四號功率開關(guān)、五號功率開關(guān)和六號功率開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)相同，一號功率開關(guān)包括二極管和三極管，二極管的陰極與三極管的集電極連接，二極管的陽極與三極管的發(fā)射極連接，電源的正極同時(shí)與二號功率開關(guān)的三極管的發(fā)射極、四號功率開關(guān)的三極管的發(fā)射極和六號功率開關(guān)的三極管的發(fā)射極連接，電源的負(fù)極同時(shí)與一號功率開關(guān)的三極管的集電極、三號功率開關(guān)的三極管的集電極和五號功率開關(guān)的三極管的集電極連接，一號功率開關(guān)的三極管的發(fā)射極同時(shí)與二號功率開關(guān)的三極管的集電極和輸出濾波器的第一信號輸入端連接，三號功率開關(guān)的三極管的發(fā)射極同時(shí)與四號功率開關(guān)的三極管的集電極和輸出濾波器的第二信號輸入端連接，五號功率開關(guān)的三極管的發(fā)射極同時(shí)與六號功率開關(guān)的三極管的集電極和輸出濾波器的第三信號輸入端連接。
[0008]所述伺服驅(qū)動器還包括信號處理器，所述信號處理器的第一脈寬調(diào)制信號輸出端與一號功率開關(guān)的三極管的基極連接，信號處理器的第二脈寬調(diào)制信號輸出端與二號功率開關(guān)的三極管的基極連接，信號處理器的第三脈寬調(diào)制信號輸出端與三號功率開關(guān)的三極管的基極連接，信號處理器的第四脈寬調(diào)制信號輸出端與四號功率開關(guān)的三極管的基極連接，信號處理器的第五脈寬調(diào)制信號輸出端與五號功率開關(guān)的三極管的基極連接，信號處理器的第六脈寬調(diào)制信號輸出端與六號功率開關(guān)的三極管的基極連接。
[0009]所述信號處理器還用于檢測電機(jī)電流。
[0010]有益效果:本實(shí)用新型所述的伺服驅(qū)動器放置在地面，伺服永磁同步電機(jī)放置在深度上百米甚至幾千米的井下，伺服驅(qū)動器通過電纜為伺服永磁同步電機(jī)提供動力。輸出濾波器能夠抑制對地電流，在一定范圍內(nèi)限制對地漏電流，以確保伺服驅(qū)動器的正常工作，避免電磁干擾和伺服永磁同步電機(jī)的軸承的損壞；同時(shí)能夠抑制電壓、電流在變頻器和電機(jī)間的反射，避免電機(jī)過電壓引起的電機(jī)絕緣損壞，進(jìn)而能夠有效地解決由于驅(qū)動器輸出電壓變化率高，導(dǎo)致電機(jī)的絕緣和軸承損壞的問題；補(bǔ)償由于動力電纜幾何不對稱而引起的系統(tǒng)中三相電感的不對稱，從而消除電感不對稱對電機(jī)控制的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為常規(guī)交流電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為【具體實(shí)施方式】一所述的輸出濾波器2的電氣原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1和圖3說明本【具體實(shí)施方式】，本【具體實(shí)施方式】所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器I和伺服永磁同步電機(jī)3，它還包括輸出濾波器2，所述伺服驅(qū)動器I的輸出端與輸出濾波器2的輸入端連接，輸出濾波器2的輸出端通過電機(jī)動力電纜與伺服永磁同步電機(jī)3的輸入端連接，所述輸出濾波器2包括共模電感2-1、三相電感2-2和補(bǔ)償電感L0，所述共模電感2-1包括第一電感LU、第二電感L12和第三電感L12，三相電感2-2包括第四電感L21、第五電感L22和第六電感L23，所述第一電感Lll與第四電感L21串聯(lián)在第一相導(dǎo)線中，第二電感L12、第五電感L22和補(bǔ)償電感LO串聯(lián)在第二相導(dǎo)線中，第三電感L12與第六電感L23串聯(lián)在第三相導(dǎo)線中。
[0015]本實(shí)施方式中，伺服驅(qū)動器I放置在地面，伺服永磁同步電機(jī)3放置在深度上百米甚至幾千米的井下，伺服驅(qū)動器I通過電纜為伺服永磁同步電機(jī)3提供動力。
[0016]本實(shí)施方式所述的輸出濾波器2能夠抑制對地電流，在一定范圍內(nèi)限制對地漏電流，以確保伺服驅(qū)動器的正常工作，避免電磁干擾和伺服永磁同步電機(jī)的軸承的損壞；同時(shí)能夠抑制電壓、電流在變頻器和電機(jī)間的反射，避免電機(jī)過電壓引起的電機(jī)絕緣損壞。
[0017]本實(shí)施方式中，共模電感2-1用于抑制高速信號線產(chǎn)生的電磁波輻射，通過調(diào)整三相電感2-2中的電感值大小可以抑制動力電感的電壓變化率，補(bǔ)償電感LO用于補(bǔ)償三相導(dǎo)線之間存在的電感差異，使得伺服驅(qū)動器I能夠更加正確和精確地控制電機(jī)工作。
[0018]【具體實(shí)施方式】二、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述輸出濾波器2的型號為ZK0CL-0050-EM14。
[0019]【具體實(shí)施方式】三、結(jié)合圖1說明本【具體實(shí)施方式】，本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述伺服驅(qū)動器I包括電源1-7、一號功率開關(guān)1-1、二號功率開關(guān)1-2、三號功率開關(guān)1-3、四號功率開關(guān)1-4、五號功率開關(guān)1-5和六號功率開關(guān)1-6，所述一號功率開關(guān)1-1、二號功率開關(guān)1-2、三號功率開關(guān)1-3、四號功率開關(guān)1-4、五號功率開關(guān)1-5和六號功率開關(guān)1-6的電路結(jié)構(gòu)相同,一號功率開關(guān)1-1包括二極管和三極管，二極管的陰極與三極管的集電極連接，二極管的陽極與三極管的發(fā)射極連接，電源1-7的正極同時(shí)與二號功率開關(guān)1-2的三極管的發(fā)射極、四號功率開關(guān)1-4的三極管的發(fā)射極和六號功率開關(guān)1-6的三極管的發(fā)射極連接，電源1-7的負(fù)極同時(shí)與一號功率開關(guān)1-1的三極管的集電極、三號功率開關(guān)1-3的三極管的集電極和五號功率開關(guān)1-5的三極管的集電極連接，一號功率開關(guān)1_1的三極管的發(fā)射極同時(shí)與二號功率開關(guān)1_2的三極管的集電極和輸出濾波器2的第一信號輸入端連接,三號功率開關(guān)1-3的三極管的發(fā)射極同時(shí)與四號功率開關(guān)1-4的三極管的集電極和輸出濾波器2的第二信號輸入端連接，五號功率開關(guān)1-5的三極管的發(fā)射極同時(shí)與六號功率開關(guān)1-6的三極管的集電極和輸出濾波器2的第三信號輸入端連接。
[0020]【具體實(shí)施方式】四、結(jié)合圖1說明本【具體實(shí)施方式】，本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】三所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述伺服驅(qū)動器還包括信號處理器，所述伺服驅(qū)動器I還包括信號處理器1-8，所述信號處理器1-8的第一脈寬調(diào)制信號輸出端與一號功率開關(guān)1-1的三極管的基極連接，信號處理器1-8的第二脈寬調(diào)制信號輸出端與二號功率開關(guān)1-2的三極管的基極連接，信號處理器1-8的第三脈寬調(diào)制信號輸出端與三號功率開關(guān)1-3的三極管的基極連接，信號處理器1-8的第四脈寬調(diào)制信號輸出端與四號功率開關(guān)1-4的三極管的基極連接，信號處理器1-8的第五脈寬調(diào)制信號輸出端與五號功率開關(guān)1-5的三極管的基極連接，信號處理器1-8的第六脈寬調(diào)制信號輸出端與六號功率開關(guān)1-6的三極管的基極連接。
[0021]【具體實(shí)施方式】五、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】四所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述信號處理器1-8還用于檢測電機(jī)電流。
[0022]交流電機(jī)的速度和為該電機(jī)供電的電壓的頻率成正比，而電機(jī)的反電勢，即電機(jī)的電壓和速度成正比。要達(dá)到電機(jī)速度連續(xù)可調(diào)，需要一個頻率和幅值都連續(xù)可變的交流電壓。本實(shí)用新型所述的伺服驅(qū)動器I可以產(chǎn)生這樣的電壓給伺服永磁同步電機(jī)3提供電源，使其運(yùn)行速度連續(xù)可調(diào)。
[0023]產(chǎn)生一個頻率和幅值連續(xù)可變的交流電壓通常采用脈寬調(diào)制技術(shù)。伺服驅(qū)動器I內(nèi)的信號處理器1-8產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號來適當(dāng)?shù)乜刂乞?qū)動器的六個功率開關(guān)的開通和關(guān)斷，通過重復(fù)不斷地開通和關(guān)斷可以達(dá)到從母線電壓的直流產(chǎn)生給伺服永磁同步電機(jī)3提供交流電壓。這樣產(chǎn)生的電壓是一系列的方波，一個開通和關(guān)斷周期的方波電壓的平均值和當(dāng)前伺服永磁同步電機(jī)3所需要的交流電壓的副值相等。
[0024]為了得到一個高質(zhì)量的交流電壓，功率開關(guān)的開通和關(guān)斷必須以較高的頻率重復(fù)，比如每秒鐘重復(fù)4000次，即4kHz，這個重復(fù)頻率稱之為開關(guān)頻率。功率開關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生開關(guān)損耗，為了降低開關(guān)損耗，希望開通和關(guān)斷的速度盡可能的快，這種快速的開通和關(guān)斷會使伺服驅(qū)動器I所產(chǎn)生的輸出方波電壓的上升和下降很快，亦即輸出電壓dv/dt非常的高。
[0025]對常規(guī)的交流電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其電機(jī)動力電纜一般不會超過30m，輸出電壓dv/dt不是問題，而本實(shí)用新型所述的驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)動力電纜可達(dá)2000m，是常規(guī)系統(tǒng)的60多倍。當(dāng)動力電纜的長度超過一定的值，以及通過電纜傳輸?shù)碾妷汉碗娏骺焖僮兓瘯r(shí)，電纜的電氣參數(shù)，不能如常規(guī)按集中參數(shù)處理，而是分布參數(shù)，電纜傳輸?shù)碾娏?，電壓和電流也必須按傳輸線理論來處理，電壓和電流不僅僅是時(shí)間的函數(shù)，同時(shí)也是位置的函數(shù)，它們沿電纜長度的方向是一種傳輸波。因此，需要對采用脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生的電壓通過長動力電纜而可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。
[0026]首先，電壓變化率dv/dt很高時(shí)，電壓波沿電纜長度的方向傳輸，當(dāng)電壓波到達(dá)分布參數(shù)變化的位置，如電機(jī)的接線盒，會產(chǎn)生折射和反射，這種反射會在電機(jī)繞組產(chǎn)生高達(dá)驅(qū)動器輸出電壓三倍的電壓，使電壓變化率dv/dt更高，從而在各相繞組之間以及相繞組和機(jī)殼之間的寄生電容流過高頻電流，這種高電壓和高頻電流會引起電機(jī)的絕緣和軸承損壞。
[0027]其次，為了保護(hù)井下動力電纜，電纜具備良好的金屬鎧裝保護(hù)，即電纜的屏蔽，使用中金屬鎧裝和大地連接，如此，會導(dǎo)致動力電纜各相線和大地間的電容很大，如不采取特殊措施，功率開關(guān)工作時(shí)，對地漏電流隨動力線的長度增加而變大，會引起嚴(yán)重的電磁干擾，及變頻器損壞等，無法啟動電機(jī)運(yùn)行。
【權(quán)利要求】
1.潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)，它包括伺服驅(qū)動器(I)和伺服永磁同步電機(jī)(3)，其特征在于，它還包括輸出濾波器(2)，所述伺服驅(qū)動器(I)的輸出端與輸出濾波器(2)的輸入端連接，輸出濾波器(2)的輸出端通過電機(jī)動力電纜與伺服永磁同步電機(jī)(3)的輸入端連接，所述輸出濾波器(2)包括共模電感(2-1)、三相電感(2-2)和補(bǔ)償電感(L0)，所述共模電感(2-1)包括第一電感(L11)、第二電感(L12)和第三電感(L12)，三相電感(2-2)包括第四電感(L21)、第五電感(L22)和第六電感(L23)，所述第一電感(Lll)與第四電感(L21)串聯(lián)在第一相導(dǎo)線中，第二電感(L12)、第五電感(L22)和補(bǔ)償電感(LO)串聯(lián)在第二相導(dǎo)線中，第三電感(L12)與第六電感(L23)串聯(lián)在第三相導(dǎo)線中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述輸出濾波器(2)的型號為 ZK0CL-0050-EM14。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服驅(qū)動器(I)包括電源(1-7)、一號功率開關(guān)(1-1)、二號功率開關(guān)(1-2)、三號功率開關(guān)(1-3)、四號功率開關(guān)(1-4)、五號功率開關(guān)(1-5)和六號功率開關(guān)(1-6),所述一號功率開關(guān)(1-1)、二號功率開關(guān)(1-2)、三號功率開關(guān)(1-3)、四號功率開關(guān)(1-4)、五號功率開關(guān)(1-5)和六號功率開關(guān)(1-6)的電路結(jié)構(gòu)相同，一號功率開關(guān)(1-1)包括二極管和三極管，二極管的陰極與三極管的集電極連接，二極管的陽極與三極管的發(fā)射極連接，電源(1-7)的正極同時(shí)與二號功率開關(guān)(1_2)的三極管的發(fā)射極、四號功率開關(guān)(1-4)的三極管的發(fā)射極和六號功率開關(guān)(1-6)的三極管的發(fā)射極連接，電源(1-7)的負(fù)極同時(shí)與一號功率開關(guān)(1-1)的三極管的集電極、三號功率開關(guān)(1-3)的三極管的集電極和五號功率開關(guān)(1-5)的三極管的集電極連接，一號功率開關(guān)(1_1)的三極管的發(fā)射極同時(shí)與二號功率開關(guān)(1_2)的三極管的集電極和輸出濾波器(2)的第一信號輸入端連接，三號功率開關(guān)(1-3)的三極管的發(fā)射極同時(shí)與四號功率開關(guān)(1-4)的三極管的集電極和輸出濾波器(2)的第二信號輸入端連接,五號功率開關(guān)(1_5)的三極管的發(fā)射極同時(shí)與六號功率開關(guān)(1-6)的三極管的集電極和輸出濾波器(2)的第三信號輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服驅(qū)動器(I)還包括信號處理器(1-8)，所述信號處理器(1-8)的第一脈寬調(diào)制信號輸出端與一號功率開關(guān)(1-1)的三極管的基極連接，信號處理器(1-8)的第二脈寬調(diào)制信號輸出端與二號功率開關(guān)(1-2)的三極管的基極連接，信號處理器(1-8)的第三脈寬調(diào)制信號輸出端與三號功率開關(guān)(1-3)的三極管的基極連接，信號處理器(1-8)的第四脈寬調(diào)制信號輸出端與四號功率開關(guān)(1-4)的三極管的基極連接，信號處理器(1-8)的第五脈寬調(diào)制信號輸出端與五號功率開關(guān)(1-5)的三極管的基極連接，信號處理器(1-8)的第六脈寬調(diào)制信號輸出端與六號功率開關(guān)(1-6)的三極管的基極連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的潛油螺桿泵伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理器(1-8)還用于檢測電機(jī)電流。
【文檔編號】H02P6/08GK203734575SQ201420137782
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】趙剛, 張傳緒, 蔣金生 申請人:哈爾濱中科盛普科技有限公司