电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器

摘要

本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器涉及到石油开采领域，是由积分学习控制器、内环速度控制器、转矩控制器、转矩区域限制模块、电机驱动器、电机和电机速度检测器构成，积分学习控制器、内环速度控制器、转矩控制器、转矩区域限制模块、电机驱动器和电机依次电路联接，电机速度检测器分别与积分学习控制器、内环速度控制器和电机电路联接，积分学习控制器与转矩区域限制模块电路联接。本发明系统结构简单、通过编制于驱动器中的控制器来提高系统的性能，实现电机运行效率、功率因素、采收率自学习优化控制；没有增加多余硬件，能够在不同油井工况时自适应负载变化，减少调配重和维护时间，实现具有对负载变化具有强鲁棒性的采油。

权利要求

1.电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法，其特征在于具体工作步骤如下：（1）在令平均功率和平均转速一定的条件下，设定电机给定转速和电机给定转矩，送至积分学习控制器；

（2）积分学习控制器根据预设条件利用电机给定转速和电机给定转矩计算得到转矩限定区域，送至转矩区域限制模块；

（3）积分学习控制器分别输出内环速度指令和电机给定转矩至内环速度控制器和转矩控制器，内环速度指令包括电机给定转速；

（4）电机运行时，电机速度检测器读取电机瞬时速度，将该电机瞬时速度与内环速度指令中电机给定转速对比得到偏差值Ⅰ并送至内环速度控制器，然后得到内环速度控制器整定后的内环输出速度；

（5）同时，电机驱动器读取电机瞬时转矩，将该电机瞬时转矩与电机给定转矩对比得到偏差值Ⅱ并送至转矩控制器，然后得到转矩控制器整定后的内环输出转矩；

（6）步骤（4）得到的内环输出速度与步骤（5）得到的内环输出转矩通过转矩区域限制模块中的转矩限定区域限制后送至电机驱动器驱动电机；

（7）当电机运行一周及一周以上时，电机速度检测器检测并计算电机每一周期平均速度，并将该平均速度与电机给定转速对比得到偏差值Ⅲ送至积分学习控制器得到新的电机给定转速，同时利用公式计算出平均转矩送至积分学习控制器得到新的电机给定转矩；

（8）积分学习控制器根据预设条件和每一周期的平均功率来调整转矩限定区域；

（9）重复步骤（3）至停机。

2.根据权利要求1所述的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法，其特征在于电机始终工作于电动状态。

3.根据权利要求1所述的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法，其特征在于预设条件为电机的瞬时功率限制在最大瞬时功率的35% 100%。

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4.根据权利要求1所述的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法，其特征在于电机驱动器通过读取其内部电流得到电机瞬时转矩。

说明书

电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器

技术领域

[0001] 本发明涉及到石油开采领域，尤其涉及到一种电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器。

背景技术

[0002] 现阶段，游梁式抽油机采用间抽控制器、星/三角转换控制器、可控硅调压节能控制器、无功补偿节能控制器等油田常用的节能控制器，间抽控制器一般适合运行于能够自由停车和启动的环境，当油井供液不足或者泵充满度不足时，停抽一段时间，再次启动，抽油机的电动机处于间歇工作状态，具有一定节能效果；星/三角转换控制器、可控硅调压节能控制器、无功补偿节能控制器也有一定的节能效果，上述传统技术虽然比较简单，容易实现，但是存在系统运行效率较低、人员维护成本较高等缺点，出现逐渐被新技术替代的趋势。

[0003] 而且由于在工程领域速度控制是常用的模式，为广大工程技术人员熟悉和采用。抽油机控制通常也采用速度控制，既速度作为被控制量，采用常规PID控制，系统以恒定速度运行。工程师通常追求速度控制精度，由于游梁式抽油在电机一个周期内机负载变化较大，这将导致电机在一个旋转周期内，多数时间是电动状态，少数时间段电流很小，甚至是发电运行状态，这样电机的功率因素较低，导致供电线路损耗增大，系统运行效率降低。同时由于系统效率低，电机一部分能量变为有害无益的热能，这将导致选择较大容量的电机，造成大马拉小车现象，进一步降低系统的运行效率，增加系统硬件成本。这个情况在采用异步电机驱动或者采用同步电机驱动配普通变频器开环控制时更加明显，而且由于异步电机驱动、开环控制制约，难以进一步提高系统性能。

发明内容

[0004] 本发明目的就是为了克服上述问题，提供一种电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器。

[0005] 本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器，是由积分学习控制器、内环速度控制器、转矩控制器、转矩区域限制模块、电机驱动器、电机和电机速度检测器构成，积分学习控制器、内环速度控制器、转矩控制器、转矩区域限制模块、电机驱动器和电机依次电路联接，电机速度检测器分别与积分学习控制器、内环速度控制器和电机电路联接，积分学习控制器与转矩区域限制模块电路联接。

[0006] 作为本发明的进一步改进，积分学习控制器为PID控制器。

[0007] 作为本发明的进一步改进，内环速度控制器为P控制器。

[0008] 本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法，具体工作步骤如下：

[0009] (1)在令平均功率和平均转速一定的条件下，设定电机给定转速和电机给定转矩，送至积分学习控制器；

[0010] (2)积分学习控制器根据预设条件利用电机给定转速和电机给定转矩计算得到转矩限定区域，送至转矩区域限制模块；

[0011] (3)积分学习控制器分别输出内环速度指令和电机给定转矩至内环速度控制器和转矩控制器，内环速度指令包括电机给定转速；

[0012] (4)电机运行时，电机速度检测器读取电机瞬时速度，将该电机瞬时速度与内环速度指令中电机给定转速对比得到偏差值Ⅰ并送至内环速度控制器，然后得到内环速度控制器整定后的内环输出速度；

[0013] (5)同时，电机驱动器读取电机瞬时转矩，将该电机瞬时转矩与电机给定转矩对比得到偏差值Ⅱ并送至转矩控制器，然后得到转矩控制器整定后的内环输出转矩；

[0014] (6)步骤（4）得到的内环输出速度与步骤（5）得到的内环输出转矩通过转矩区域限制模块中的转矩限定区域限制后送至电机驱动器驱动电机；

[0015] (7)当电机运行一周及一周以上时，电机速度检测器检测并计算电机每一周期平均速度，并将该平均速度与电机给定转速对比得到偏差值Ⅲ送至积分学习控制器得到新的电机给定转速，同时利用公式计算出平均转矩送至积分学习控制器得到新的电机给定转矩；

[0016] (8)积分学习控制器根据预设条件和每一周期的平均功率来调整转矩限定区域；

[0017] (9)重复步骤（3）至停机。

[0018] 作为本发明的进一步改进，电机始终工作于电动状态。

[0019] 作为本发明的进一步改进，电机的瞬时功率限制在最大瞬时功率的35% 100%。~

[0020] 作为本发明的进一步改进，电机驱动器通过读取其内部电流得到电机瞬时转矩。

[0021] 本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器，系统结构简单、通过编制于驱动器中的控制器软件极大地提高系统的性能，实现电机运行效率、功率因素、采收率这几个变量自学习优化控制；没有增加多余硬件，易于实现；能够在不同油井工况时自适应负载变化，减少调配重和维护时间，实现具有对负载变化具有较强鲁棒性的优化采油。

附图说明

[0022] 附图1为本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器的结构框图；

[0023] 附图2为本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法的流程图；

[0024] 附图3为本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法中的转矩限定区域。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器，作进一步说明：

[0026] 如图1所示，本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器，是由积分学习控制器、内环速度控制器、转矩控制器、转矩区域限制模块、电机驱动器、电机和电机速度检测器构成，积分学习控制器、内环速度控制器、转矩控制器、转矩区域限制模块、电机驱动器和电机依次电路联接，电机速度检测器分别与积分学习控制器、内环速度控制器和电机电路联接，积分学习控制器与转矩区域限制模块电路联接。

[0027] 上述的，积分学习控制器为PID（比例-积分-微分）控制器；内环速度控制器为P（比例）控制器。

[0028] 如图2所示，利用该电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制方法，具体工作步骤如下：

[0029] (1)在令平均功率和平均转速一定的条件下，根据公式T=9549*P/n，设定电机给定转速和电机给定转矩，送至积分学习控制器，由于电机的瞬时功率、瞬时转矩、瞬时转速都不是恒定的，但是平均功率、平均转速可以是恒定的，这样才能保证电机工作在要求的区域；

[0030] (2)积分学习控制器根据预设条件，利用电机给定转速和电机给定转矩计算得到转矩限定区域，送至转矩区域限制模块；

[0031] (3)积分学习控制器分别输出内环速度指令和电机给定转矩至内环速度控制器和转矩控制器，内环速度指令包括电机给定转速；

[0032] (4)电机运行时，电机速度检测器读取电机瞬时速度，将该电机瞬时速度与内环速度指令中电机给定转速对比得到偏差值Ⅰ并送至内环速度控制器，然后得到内环速度控制器整定后的内环输出速度，由于内环只是在限定区域内且内环只采用比例P控制策略，所以电机瞬时速度随负载变化也有一定波动；

[0033] (5)同时，电机驱动器通过读取其内部电流得到电机瞬时转矩，将该电机瞬时转矩与电机给定转矩对比得到偏差值Ⅱ并送至转矩控制器，然后得到转矩控制器整定后的内环输出转矩；

[0034] (6)步骤（4）得到的内环输出速度与步骤（5）得到的内环输出转矩通过转矩区域限制模块中的转矩限定区域限制后送至电机驱动器驱动电机；

[0035] (7)当电机运行一周及一周以上时，电机速度检测器检测并计算电机每一周期平均速度，并将该平均速度与电机给定转速对比得到偏差值Ⅲ送至积分学习控制器得到新的电机给定转速，同时利用公式计算出平均转矩送至积分学习控制器得到新的电机给定转矩；

[0036] (8)积分学习控制器根据预设条件和每一周期的平均功率来调整转矩限定区域和内环速度给定值，以便保证平均速度满足设定值要求；

[0037] (9)重复步骤（3）至停机。

[0038] 上述的电机始终工作于电动状态，并令电机的瞬时功率限制在最大瞬时功率的35%  100%，这种方案可以充分发挥电机的能力，而电机的发热是平均功率，只要平均功率~
是低于额定功率就不存在过载发热限制，当然较大的瞬时功率要求电机轴承、轴、驱动器有足够的裕量，也正是因为该控制可以将电机的瞬时功率用到100%，这样电机可以适当选小，该方案才能体现较大的成本优势。

[0039] 该本发明的电机直驱游梁式抽油机积分自学习采油控制器是直接内置于变频器中，即将该控制器直接在变频器中通过修改代码实现的。

[0040] 本装置的主要特点是，内环设定为转矩模式，通过内环进行转矩控制和电机运行区域的限定，且该电机运行区域根据积分学习控制器优化的区域定时修改，使由于外界因素变化后抽油机系统仍然运行于优化指标限定的范围内。

[0041] 该装置的特点是积分学习控制器输出设置转矩限定区域，该转矩限定区域变量限定电机始终工作于电动运行状态，同时该装置送出电机给定转速至内速度环控制器，而由于转矩限定区域导致普通的速度比例积分控制器品质降低很多，特别是出现转矩限定区域附近出现过多的动态，所以内速度控制器采用的是比例控制器，防止因为转矩的限制导致内速度控制器出现过多的动态。这样的话电机运行在一个旋转周期内会有因触犯转矩限定区域而导致电机瞬时速度波动，但是在一个旋转周期内功率和电机瞬时转矩这两个变量的标准差将大幅度减小，在负载轻时电机加速存储动能，在负载较重时将该动能释放出来，并保证电机运行于电动状态，这样电机输出有功功率标准差也将大幅度减小。

[0042] 内速度环控制器的输入和输出将出现较大误差，但是该误差不影响整体采油运行节能指标和效率，还能通过调节该运行区间，使系统对负载变化具有更大的自适应能力，减小系统维护次数。通过具有积分学习控制器，将采集得到的转矩信号、速度和速度指令输入信号通过学习调整输出速度控制指令，并调节转矩区域限制变量，由于采用闭环控制，转矩信号实际可以用驱动器中提供的电流获得。因为这种控制方式可以通过电流来计算电机输出转矩。本装置可以保证电机工作于如图3机械特性的优化区域内，通过调节内速度环指令，保证系统在一个旋转周期内电机瞬时速度波动和瞬时电流波动（电机瞬时转矩）这两个变量波动在优化条件的限制以内，对于较长时间实现运行稳态平均速度误差为零的高平均速度精度要求。

[0043] 但是可以肯定的是，假如电机设计最大瞬时功率为100%，电机平均功率50%，将电机限制为电动状态瞬时功率在35% 100%之间波动，（假设该平均功率达到额定功率的85%，~这个时候影响该系统可靠性的是电机机械轴、轴承、电机驱动器的裕量），运行出现故障停车的可能性降低很多，满足启动等瞬时运动足够裕量的要求。这样就要比现在方案减小电机设计功率，提高运行效率和减少运行成本。设备投资减小的主要途径是电机设计功率减小，解决原来大马拉小车的问题。

[0044] 上述电机速度检测器采样电机瞬时速度、电机瞬时转矩的频率均采用较高频率，一般在100Hz以上；平均速度采用定位置测时间的方法，在每转固定位置读取时间，获取每转需要的时间，从而对速度误差进行积分、计算和学习控制，逐渐寻优，所以平均速度更新频率为0.2Hz以内。

[0045] 在积分学习控制器中，积分功能是通过多旋转周期完成，每个周期的平均速度进行积分实现速度稳态误差为零的高精度运行，而自学习功能是通过计算每周期平均功率在电动运行状态范围内调整转矩限制区域，实现节能和自适应智能采油。