游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统

摘要

游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，涉及游梁式抽油机用电机控制系统，由永磁无刷直流电动机、转子位置传感器和控制器构成，控制系统是以抽油机每个冲次的时间t*=60/N，s，为指令时间和采样周期控制的；在一个采样周期t*内，电动机每分钟平均转数n=iN被定为控制目标；在t*时间内，电动机的工作点随负载转矩的变化，在由PWM占空比D确定的下垂机械特性曲线上滑动。因而为减小冲程损失和使电动机始终工作在高效区创造了条件。这种控制系统与3相笼型异步电动机相比，游梁式抽油机生产每吨米液体的能耗可以减少30%左右。

权利要求

1.游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，由永磁无刷直流电动机、转子位置传感器和控制器构成，其特征在于，所述控制系统是以抽油机每个冲次的时间*t=60/N，s，为指令时间和采样周期控制的，其中，N是抽油机每分钟的冲次数；通过强制改变电压型逆变器输出的PWM占空比D，使电动机在一个冲次当中工作在某一机械特性曲线*上；在一个采样周期t 内，电动机每分钟平均转数n=iN被定为控制目标，其中i是抽油机*减速比；在t 时间内，电动机的工作点随负载转矩的变化，在由PWM占空比D确定的下垂机械特性曲线上滑动，使得抽油机在保证每分钟冲次数前提下得到电动机、抽油杆和活塞运动的配合，电动机在恒功率和高效区运行；

*

所述每个冲次的指令t 是来自对地面示功图数据处理的上位机输出，或来自根据经验的人为设定；

*

所述的指令时间t，s，用每个冲次的脉冲数60f/N来表达，其中，f=3piN/60，Hz，p为电*动机的极对数；电动机在一个冲次时间t 内的平均每分钟转数n，用转子位置传感器U、V、W上跳沿脉冲数3pn/N来计数，并以⊿n=60f-3pn为强制改变电压型逆变器输出的PWM占空比D的依据。

说明书

游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及游梁式抽油机用电机控制系统，特别是涉及游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，属于电机转速闭环控制、负载做不规则变动的宏观稳速控制技术。

背景技术

[0002] 游梁式抽油机占机械采油设备的70%以上。在启动游梁式抽油机时，电动机需输出大启动转矩，以便使包括平衡配重在内的抽油机系统加速。游梁式抽油机每个冲次的负载都可能不同，而且，在一个冲次当中负载转矩时刻都在变化。

[0003] 长期以来，绝大多数游梁式抽油机采用通用型3相笼形异步电动机（例如Y系列异步电动机）作为动力。这就带来了一系列动力源与负载特性不匹配的问题。3相笼形异步电动机的启动转矩大约是其额定转矩的2倍左右，所以，抽油机选择电动机容量时，不是以等效输出功率为准则，而是以满足启动转矩为前提，这就造成了“大马拉小车”现象。因此，电动机启动电流很大，电动机工作在低负载率下，造成电动机工作在效率和功率因数都低的工作状态。3相笼形通用异步电动机的转差率大约在5%以内，其机械特性很硬，这就造成了动力源与负载的不匹配，降低了系统效率。

[0004] 为了降低单位产液量的能耗和增加产油量，国内外研究和试验过多种类型的电动机，例如：高转差和超高转差3相笼形异步电动机、变频调速3相笼形异步电动机、3相笼形异步电动机加电磁离合器、3相线绕转子异步电动机、稀土永磁同步电动机、开关磁阻电动机等等，实验效果都还不够理想。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，该系统在保证游梁式抽油机每分钟冲次数前提下，使其拖动电动机的工作点随负载大小在下垂的机械特性曲线上滑动，以达到电动机、抽油杆和油泵活塞运动的良好匹配，因而减小了冲程损失。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0007] 游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，由永磁无刷直流电动*机、转子位置传感器和控制器构成，其所述控制系统是以抽油机每个冲次的时间t=60/N，s，为指令时间和采样周期控制的，其中，N是抽油机每分钟的冲次数；通过强制改变电压型逆变器输出的PWM占空比D，使电动机在一个冲次当中工作在某一机械特性曲线上；在一个*
采样周期t 内，电动机每分钟平均转数n=iN被定为控制目标，其中i是抽油机减速比；在*
t 时间内，电动机的工作点随负载转矩的变化，在由PWM占空比D确定的下垂机械特性曲线上滑动，使得抽油机在保证每分钟冲次数前提下得到电动机、抽油杆和活塞运动的配合，电动机在恒功率和高效区运行。

[0008] 所述的游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，其所述每个冲次*的指令t 是来自对地面示功图数据处理的上位机输出，或来自根据经验的人为设定。

[0009] 所述的游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，其所述的指令时*间t，s，用每个冲次的脉冲数60f/N来表达，其中，f=3piN/60，Hz，p为电动机的极对数；
*
电动机在一个冲次时间t 内的平均每分钟转数n，用转子位置传感器U、V、W上跳沿脉冲数
3pn/N来计数，并以⊿n=60f-3pn为强制改变电压型逆变器输出的PWM占空比D的依据。

[0010] 所述的游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，其永磁无刷直流电动机系统组成，包括有3相交流电源电压； 3相全桥整流器；滤波电容器；直流母线上电流传感器；电压型3相逆变器；控制器； p对极永磁无刷直流电动机定子；p对极永磁无刷直流电动机转子；转子位置传感器。

[0011] 本发明的优点与效果是：

[0012] 本发明在保证游梁式抽油机每分钟冲次数前提下，使其拖动电动机的工作点随负载大小在下垂的机械特性曲线上滑动，以达到电动机、抽油杆和油泵活塞运动的良好匹配，因而减小了冲程损失。电动机的工作点在下垂机械特性曲线上滑动，使电动机近于恒功率运行，这就提供了电动机始终工作在高效区的条件。这种控制系统与3相笼型异步电动机相比，游梁式抽油机生产每吨米液体的能耗可以减少30%左右。

附图说明

[0013] 图1为游梁式抽油机的传动链图；

[0014] 图2为电动机转速恒定时，悬点的位置、速度、加速度和曲柄负载图；

[0015] 图3为下垂的电动机机械特性图；

[0016] 图4为电动机驱动系统结构框图；

[0017] 图5为驱动游梁式抽油机的永磁无刷直流电动机实施框图。

具体实施方式

[0018] 下面参照附图对本发明进行详细说明。

[0019] 游梁式抽油机的运动规律可以近似看作曲柄连杆把电动机的旋转运动变成抽油杆的简谐运动。因此，抽油机悬点的直线位置SA、运动速度VA、加速度aA都是曲柄轴转角θ的函数。

[0020] SA=a/b·r( 1-cosθ )

[0021] VA=a/b·r·Ω·sinθ

[0022] aA= a/b·r·Ω2·cosθ

[0023] 式中，a、b、r、θ见图1；Ω为曲柄角速度，rad/s

[0024] 当θ = 0时，SA=0，相当于悬点A位于最低点，也就是抽油泵的活塞处于最低点，是下冲程的结束点和上冲程的开始点，当θ=180°时，SA=2a·r/b相当于悬点A位于最高点，是上冲程的结束点和下冲程的开始点。完成一个上冲程和一个下冲程称作一个冲次。根据井下液体状况来决定每分钟冲次数。

[0025] 图2是当Ω为常数时，悬点A的位置SA=ƒ(θ)，悬点的线速度VA=ƒ(θ)，悬点的加速度aA=ƒ(θ)；表现在曲柄轴上的负载转矩TL=ƒ(θ)，平衡转矩TB=ƒ(θ)和曲柄轴净输出转矩Tθ=ƒ(θ)的示意图。TL正比于悬点A的受力FA。

[0026] 上冲程悬点A受力FAU近似值减化为重力与惯性力之和：

[0027] FAU = ( Wr + Wl )·( Ω2cosθ/g + 1 )

[0028] 下冲程悬点A受力FAD近似值可以减化为重力、浮力之差与惯性力的和：

[0029] FAD = ( Wr - Wrl ) + Wr/g·Ω2·cosθ

[0030] 式中，Wr是抽油杆、活塞的重量；Wl是活塞以上液体的重量；Wrl是液体对抽油杆的浮力；g是重力加速度。

[0031] 从上述分析可知：当Ω不变时，在θ =0~π/2区间，aA ≥0，且θ =0，aA达最大2 2
值并与Ω 成正比，此时正值上冲程开始。悬点A受最大张力FAU(max)= ( Wr + Wl )( Ω/g + 1)。抽油杆相对油管来说发生弹性变形⊿L，就是说悬点A向上运动⊿L期间，活塞并未上升，直到图2中曲线TL的K点时，油杆才带动活塞向上运动将油排出井口，⊿L就是冲程损失。当θ在π/2附近时，悬点A向上运动速度VA最大，单位时间排油量也最大。随着悬点A继续上升，活塞以上油柱变短，抽油杆与油管间相对弹性变形⊿L的逐渐缩小，在图
2 TL曲线到达M点时，悬点负载迅速下降，在θ < π时（悬点A未到最高点），TL过零，且在θ = π 附近TL < 0，负载为负功率，这将对变速齿轮副产生冲击。

[0032] 图3是永磁无刷直流电动机的一组机械特性曲线。n0n、Tstn是电动机在外加电压为Dn时的理想空载转速和堵转矩；曲线上任何一点对应着不同输出转矩T时电动机的转速n。如果D1代表允许加在电枢绕组上的最高电压，那么，D1曲线上的n01与Tst1和0点所围绕的面积上任何一点都可以成为在一定外加电压下电动机的工作点。这样，当D确定后：TL增加时，n自动下降，TL减小时，n自动升高，那么，当θ ≈ 0°时，TL大、n小，aA也小，这就减小了抽油杆相对油管的弹性变形⊿L，减小了冲程损失，提高了产油量。当θ在π/2附近时，TL大，VA不像n为常数那样达到最大，反而因n下降使VA下降，使TL减小、M点右移，使负功率减到近于零。用同样方法分析下冲程的悬点A受力过程可知：只要在TL增加时，n减小，TL减小时，n增大，就会使抽油杆与油管间相对弹性变形⊿L变小，冲程损失变小，TL过零点接近2π。为了使永磁无刷直流电动机适应游梁式抽油机的工作特点，永磁无刷直流电动机的控制策略既不应是稳速系统，也不是转矩控制系统。它的控制策略应该是：在保证每分钟冲次前提下的宏观自适应系统。

[0033] 图4是这个系统的原理框图。其中t*=60/N，s，是抽油机每个冲次所需时间，也是*系统的采样周期，N是抽油机每分钟的冲次数。t 来自对地面示功图数据处理的上位机输*
出，也可以是根据经验的人为设定。n是电动机在t 时间内，平均每分钟转数。K是考虑到*
抽油机减速比等因素的常数，tf是电动机在完成一个冲次当中实际消耗的时间，s。比较t* *
与tf ，如果：t>tf ，说明电动机在t 时间内的平均每分钟转数大于期望值，这时PI调节器* *
按( t-tf )/t 比例减小PWM的当前占空比，使抽油机在下一个冲次中，电动机工作在输入电压较低的机械特性曲线上，并按负载转矩的大小，工作点在该机械特性曲线上滑动，使得* * *
在下一个冲次中，t= tf ；如果t< tf ，说明电动机在t 时间内的平均每分钟转数小于期望* *
值，这时PI调节器按( t-tf )/t 比例增大PWM的当前占空比，使抽油机在下一个冲次中，电动机工作在输入电压较高的机械特性曲线上，并按负载转矩的大小，工作点在该机械特* *
性曲线上滑动，使得在下一个冲次中，t= tf ；如果t= tf ，说明当前PWM占空比不需要改变，下一个冲次依然按当前PWM占空比工作，并在原机械特性曲线上按负载转矩的大小，工作点在机械特性曲线上滑动。这种系统是以保证抽油机每分钟冲次数（宏观）为前提的，工作点在下垂机械特性曲线上按负载大小自然滑动的控制策略。这就使电动机、抽油杆和抽油泵活塞的运动得到良好配合，减小了冲程损失，提高了泵的效率；同时，减小或消除了负的负载功率，提高了齿轮的寿命。这种控制策略充分利用了永磁无刷直流电动机的下垂机械特性特点，在一个冲次中电动机的输出功率变化不大，使电动机始终工作在高效区以内。
这种控制系统与3相笼型异步电动机相比，游梁式抽油机生产每吨米液体的能耗可以减少
30%左右。

[0034] 永磁无刷直流电动机系统组成见图5。图中，Us为3相交流电源电压；R为3相全桥整流器；C为滤波电容器；ID为直流母线上电流传感器的输出电流；IV为电压型3相逆变器；CT为控制器；M为p对极永磁无刷直流电动机定子；N/S为p对极永磁无刷直流电动机转子；U、V、W为转子位置传感器输出。当确定了电动机转向（CW或CCW）和抽油机每分钟冲次N后，按下电动机启动按钮（ON），电动机将按照设定转向启动。控制器接收到U、V、W信+ - + - + -号，除用来输出GA、GA、GB、GB、GC、GC 信息供逆变器切换通、断状态外，还会利用U、V、W上升沿产生的每秒3p·n/60个脉冲信号，其中n是电动机每分钟实际平均转数。如果抽油机每分钟最大冲次数Nmax对应指令电平3.3V，那么每分钟N个冲次的指令电平u=N/Nmax x 3.3，V。指令电平u对应的指令脉冲频率是：f=3piN/60，Hz，其中i是抽油机减速比。就是说，每分钟冲次数N转化为电平u设定；u转化为脉冲频率f；每个冲次的指令脉冲数是
60f/N。以60/N秒作为采样周期，得到⊿n=60f-3pn，当⊿n >0，说明每个冲次时间内电动机每分钟平均转速n偏低，应该根据⊿n相对值按比例增加PWM占空比D；当⊿n <0，说明在一个冲次当中，电动机每分钟平均转速偏高，应该根据⊿n相对值按比例减小PWM占空比D。这就是：在一个冲次当中，电动机的瞬时转速随负载转矩大小沿指定的机械特性曲线滑动，不去人为干涉；但每个冲次的时间，却通过改变占空比来保证。