摘要：本文從節(jié)能和提高能源利用率出發(fā)，分析了現(xiàn)行抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行效率低問題的具體環(huán)節(jié)，經(jīng)過分析抽油機(jī)運(yùn)行過程的狀態(tài)結(jié)合開關(guān)磁阻電機(jī)的特性，以ARMS3C2410為核心控制部件，設(shè)計(jì)出了基于開關(guān)磁阻電機(jī)的抽油機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)。解決了抽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩檢測跟隨控制和沖次調(diào)節(jié)問題，設(shè)計(jì)出了高效率、穩(wěn)定的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)有效的提高了抽油機(jī)系統(tǒng)電能綜合利用率，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵字： 節(jié)能、開關(guān)磁阻電機(jī)、抽油機(jī)、ARMS3C2410 [align=center]Energy-saving Control System of Oil-pumping Unit Based on Switched Reluctance Motor 田景文1,2，吳浩1，高美娟2 1北京化工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100029 ttjjww999@163.com 2北京聯(lián)合大學(xué) 北京市朝陽區(qū)北四環(huán)東路97號(hào) 北京 100101 ttgg500@163.com [/align] Abstract: The low efficiency of the motor of the current oil-pumping unit is analyzed from the point of energy-saving and increasing utilizes efficiency of energy source. An energy-saving control system for oil-pumping unit is designed which use switched reluctance motor based on ARMS3C2410 central processor via the characteristic of switched reluctance motor and oil-pumping unit. It solves the following problem: monitor the torque of oil-pumping unit and control the motor and adjust the stroke of oil-pumping unit. It is a stable control system for switched reluctance motor and has a high efficiency. The system can enhance the utilize efficiency of power in effect and have a good future for popularization. KeyWord: Energy-saving, Switched reluctance motor, Oil-pumping unit, ARMS3C2410 1 引言 目前國內(nèi)廣泛使用的抽油機(jī)有游梁式和無游梁式兩類，以游梁式抽油機(jī)為主，其所配電動(dòng)機(jī)大多數(shù)為Y系列電動(dòng)機(jī)。游梁式抽油機(jī)采用帶載直接起動(dòng)式，所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，電機(jī)起動(dòng)電流為6-8倍額定電流。為滿足起動(dòng)要求所配電機(jī)的功率較大，而該機(jī)在運(yùn)行時(shí)所需轉(zhuǎn)矩較小，90%以上的電機(jī)負(fù)載率在50%以下。長期以來抽油機(jī)所配電機(jī)大都處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)載率極低，功率損耗大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。抽油機(jī)電耗在油田生產(chǎn)用電中占有很大比例，電費(fèi)支出約占油田開發(fā)總成本的三分之一。 2 抽油機(jī)節(jié)能系統(tǒng) 目前各大油田為降低生產(chǎn)成本，都將節(jié)能增效作為首要目標(biāo)，對抽油機(jī)要盡量降低電機(jī)的耗電量。根據(jù)抽油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，電機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：電機(jī)損耗小，在較寬的負(fù)載變化范圍內(nèi)能夠保持較高的功率因數(shù)和效率；速度能夠平滑無級調(diào)節(jié)且調(diào)速范圍較寬，以適應(yīng)不同井況的要求及其供排關(guān)系；能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，減少啟動(dòng)時(shí)對抽油機(jī)的沖擊，降低選用電機(jī)及變壓器的容量。滿足上述要求的電機(jī)，一方面自身的功率因數(shù)和效率要較高，另一方面可以使抽油機(jī)的機(jī)、桿、泵整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到較好配合，提高系統(tǒng)效率。因此研制具有上述特點(diǎn)的電機(jī)已成為必然趨勢，開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)就是具有這些特點(diǎn)的一種新型電機(jī)。它結(jié)構(gòu)簡單可靠、系統(tǒng)效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可控參數(shù)多、控制方式簡單，綜合性能十分突出，是當(dāng)前抽油機(jī)最為理想的動(dòng)力系統(tǒng)，它的研制和生產(chǎn)對油田的節(jié)能生產(chǎn)具有里程碑的意義。 解決抽油機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能問題，除了需要電機(jī)的功率因素和效率高，速度平滑大范圍調(diào)節(jié)，軟啟動(dòng)以及系統(tǒng)保護(hù)功能外，還需要考慮抽油機(jī)電機(jī)功率尋優(yōu)，解決“大馬拉小車”問題，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。進(jìn)入中后期開采的油井，往往存在抽油泵充滿系數(shù)低，抽油機(jī)沖次很難確定也是一個(gè)比較難解決的問題[1]。 開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)。它是繼交流變頻調(diào)速電機(jī)之后，國際上又一種逐漸成熟的無極調(diào)速系統(tǒng)。它的出現(xiàn)，大大的提升了抽油機(jī)的效率。本文在基于ARMS3C2410嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出基于開關(guān)磁阻電機(jī)的抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)。主要從電機(jī)和抽油機(jī)兩者出發(fā)解決節(jié)能問題[2]。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文基于ARMS3C2410嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)出整個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示： [align=center] 圖1 系統(tǒng)原理圖[/align] 3.1 抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩測量 抽油機(jī)（如圖2所示）靠驢頭的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抽油桿，將原油吸到地面的管網(wǎng)中。抽油機(jī)的上沖程提起油柱時(shí)需要的功率大，而下沖程時(shí)無需動(dòng)力就可自由下落。為了使負(fù)荷均勻，通常配有某種平衡機(jī)構(gòu)，如平衡塊，電機(jī)軸上形成的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為油井負(fù)荷扭矩與平衡扭矩之和，圖3為一般的抽油機(jī)的負(fù)荷曲線。 由圖3可以看出抽油機(jī)的負(fù)荷是呈周期性波動(dòng)的，要使抽油機(jī)電機(jī)在負(fù)荷曲線的每一點(diǎn)都工作最優(yōu)，同時(shí)使抽油機(jī)的功率輸出在每個(gè)周期里跟隨負(fù)荷的變化，可以將抽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線存入系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)就可以通過曲柄轉(zhuǎn)角的檢測計(jì)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩，從而改變對電機(jī)控制，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使輸出轉(zhuǎn)矩與實(shí)際相符，避免“大馬拉小車”問題的問題，大大的節(jié)省電能。同時(shí)抽油機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，可大大降低機(jī)械磨損，降低故障率，提高產(chǎn)量。理論上證明此種電機(jī)控制方式，較普通電機(jī)，能耗可降到60%，節(jié)能明顯。 3.2 沖次的無級可調(diào) 沖次是指抽油機(jī)驢頭每分鐘上下往復(fù)運(yùn)行的次數(shù)，它表明抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際檢測時(shí)抽油機(jī)桿上下運(yùn)動(dòng)個(gè)一個(gè)沖程為一個(gè)沖次，用每分鐘完成上下沖程（沖程是指抽油機(jī)驢頭上死點(diǎn)與下死點(diǎn)之間的垂直距離）的次數(shù)來表示沖次。沖次的變化影響著抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷變化的幅度和頻率，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷變化的幅度和頻率決定著抽油機(jī)桿柱、電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)、抽油泵等設(shè)備的使用壽命和單井能耗、機(jī)采系統(tǒng)效率，從而決定了單井檢泵、大修周期及噸油生產(chǎn)成本。并且多次的試驗(yàn)證明，調(diào)節(jié)沖次對高產(chǎn)井的產(chǎn)液量影響較大，對供液不足的井產(chǎn)量影響不大。 從上面的分析可以知道，研究抽油機(jī)沖次的變化規(guī)律，對降低能耗、特別是降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。進(jìn)入中后期開采的油井，往往就存在這樣的問題，抽油泵充滿系數(shù)低，抽油機(jī)沖次很難確定，且隨著動(dòng)液面的不斷變化充滿度也在不斷變化，把抽油泵的充滿系數(shù)與沖次緊密結(jié)合起來形成閉環(huán)控制，一直是個(gè)難題。本文設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)可以跟蹤油井出液量的變化，判斷出充滿系數(shù)的大小，給出增加沖次或減少?zèng)_次的信號(hào)，調(diào)整抽油機(jī)的沖次，可以大大的節(jié)省電能。該開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)可以保證沖次在0.8-8沖/min 之間無級可調(diào)，保證合理的抽油泵充滿度，減少抽油泵干磨。與此同時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的安全監(jiān)控，當(dāng)有井卡、桿斷或其它的故障，系統(tǒng)停抽報(bào)警。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使抽油機(jī)工作在最佳的工作狀態(tài)，延長了檢泵周期，降低了抽油機(jī)的能耗[3][4][5]。 3.3 電機(jī)控制策略 開關(guān)磁阻電機(jī)是20世紀(jì)70年代開始迅猛發(fā)展的一種較為新型的電機(jī)。與傳統(tǒng)的交流電動(dòng)機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)）不同，開關(guān)磁阻電機(jī)（SR電機(jī)）采用定、轉(zhuǎn)子雙凸極鐵心結(jié)構(gòu)，并且只在定子上安裝各相勵(lì)磁繞組.其工作原理就是使轉(zhuǎn)子位置趨于磁阻最小位置，而使電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)抽油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行特性，針對電機(jī)的調(diào)速控制及電機(jī)的嚴(yán)重的非線性特性，本文設(shè)計(jì)出模糊控制策略。針對具體的調(diào)速方法，由于電機(jī)自身的特性，本文設(shè)計(jì)出低速定角度電流斬波控制——-高速變角度電壓斬波控制。當(dāng)電機(jī)處于低速運(yùn)行時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較小，電流峰值較大，采用定角度電流占波控制可有效保護(hù)功率開關(guān)器件，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。當(dāng)電機(jī)處于高速運(yùn)行時(shí)，因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較大，電流較小，通過PWM波電壓調(diào)節(jié)，改變相相電壓平均值，有效的調(diào)整電流的波形和峰值，可使電動(dòng)機(jī)出力最大，運(yùn)行穩(wěn)定，噪聲較小。由于SR電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，工作時(shí)希望盡量將繞組電流波形置于電感的上升段。由于電流的建立過程和續(xù)流消失過程是需要一定時(shí)間的，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)通電區(qū)對應(yīng)的時(shí)間越短，電流波形滯后的就越多，可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通角的方法加以糾正。在這種工作方式下轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)范圍大，高速和低速均有較好的電動(dòng)機(jī)性能。幾種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，配合應(yīng)用有利于揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在較寬調(diào)速范圍內(nèi)使電機(jī)具有良好的性能指標(biāo)[6][7]。 4 電機(jī)控制系統(tǒng) 4.1 功率變換器 功率變換器是SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，起到控制繞組開通和關(guān)斷的作用，也是影響系統(tǒng)性能價(jià)格比的主要因素。理想的SRD功率變換器應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)要求：采用盡可能少的主開關(guān)元件，以降低系統(tǒng)的成本，且能將能量回饋給電源，避免系統(tǒng)損耗。系統(tǒng)可通過主開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制，有效地控制相繞組電流的大小。功率電路要具備迅速增加相繞組電流的能力，延遲盡可能小。系統(tǒng)盡可能的減少損耗，使電源電壓盡可能的提供給電動(dòng)機(jī)相繞組。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是SR電動(dòng)機(jī)功率變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。圍繞處理放電繞組磁能量問題，現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)多種不同的主電路結(jié)構(gòu)形式。本文在不對稱橋式電路的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一種新型小功率開關(guān)器件的功率變換電路。功率變換器原理圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 功率變換電路[/align] 該功率變換器保留了橋式電路的全部優(yōu)點(diǎn)，滿足上述理想功率變換器應(yīng)具備的條件。采用雙相運(yùn)行時(shí)，在控制方式上Ａ相和Ｃ相繞組不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，Ｂ相和Ｄ相繞組也不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，故他們的電流不會(huì)重疊，所以可保證任一時(shí)刻流過個(gè)主開關(guān)器件的電流僅是一相繞組電流。因此，在傳統(tǒng)不對稱半橋結(jié)構(gòu)中，Ａ相和Ｃ相、Ｂ相和Ｄ相分別可共用一只主開關(guān)，從而使整個(gè)電路減少了２個(gè)開關(guān)器件，大大節(jié)約了成本，同時(shí)控制策略明顯降低?？偟恼f來，這種簡化的電路方案既保留了不對稱半橋型的優(yōu)點(diǎn)，又使開關(guān)器件降到最少，提高了行價(jià)比。 4.2 D/A轉(zhuǎn)換及低速斬波電路 當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)角速度ω值很小，繞組電流增長率很大。為了保護(hù)功率開關(guān)元件和電機(jī)，且同時(shí)具有效率高、出力大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等優(yōu)良運(yùn)行性能，低速運(yùn)行時(shí)需以調(diào)幅方式進(jìn)行斬波。 斬波限流值由ARM發(fā)出。由于ARM控制器自身沒有D/A單元，需用占空比可調(diào)的PWM信號(hào)經(jīng)過外部轉(zhuǎn)換電路來轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。本系統(tǒng)采用ARM的通用定時(shí)器1產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，經(jīng)過緩沖、濾波、放大等環(huán)節(jié)后得到平穩(wěn)的0～5 V模擬電壓信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。得到的電壓轉(zhuǎn)換成電流。斬波限流輸入到斬波電路的一端，另一端輸入實(shí)測的繞組電流，如圖6所示。 [align=center] 圖6 斬波電路[/align] 4.3 PWM電壓控制 在θ[sub]on[/sub]-θ[sub]off[/sub]導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，使功率開關(guān)按PWM方式工作，其脈沖周期T固定，占空比T[sub]1[/sub]/T可調(diào)。在T[sub]1[/sub]內(nèi)，繞組加正電壓，T[sub]2[/sub]內(nèi)加零電壓，改變占空比，則繞組電壓平均值U將會(huì)變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。本文通過定時(shí)器輸出相應(yīng)要求的PWM脈寬調(diào)制波。 4.4 位置檢測及角度控制 位置傳感器相關(guān)電路有兩部分，分別為位置傳感器輸入電路、位置信號(hào)處理及角度細(xì)分電路。主要完成位置信號(hào)處理，定轉(zhuǎn)子相對位置角度細(xì)分的功能。本文采用光電式，研究對象為 極SRM。 [align=center] 圖7 光電傳感器相對位置 圖8 傳感器的測量信號(hào)[/align] 4.4 模糊控制策略 由于開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的顯著非線性，簡單的PID控制算法在調(diào)節(jié)范圍很寬時(shí)，不能在大范圍內(nèi)完全適應(yīng)，致使系統(tǒng)得不到良好的動(dòng)態(tài)特性。為此在開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中引入模糊控制。模糊控制的強(qiáng)魯棒性可以有效地解決開關(guān)磁阻電機(jī)的非線性。根據(jù)模糊控制基本理論，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)模糊控制的分析如下： 5 結(jié)論 作為一種具有廣泛市場潛力的新型電機(jī)，開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)成功地應(yīng)用在抽油機(jī)上，可以作為油田抽油機(jī)節(jié)能的一種選擇，為油田節(jié)約成本、增加產(chǎn)量提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過多次結(jié)合現(xiàn)場工況的改進(jìn)，可以適應(yīng)油田工況的實(shí)際要求，其優(yōu)良的綜合性能日益受到廣泛關(guān)注。 本文在基于ARMS3C2410的基礎(chǔ)上，從節(jié)能角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出基于開關(guān)磁阻電機(jī)的抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，著重解決抽油機(jī)的扭矩檢測跟隨和沖次調(diào)節(jié)等問題。針對電機(jī)的運(yùn)行特性，提出模糊控制策略和低速定角度電流斬波控制——-高速變角度電壓斬波控制方法。同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過程中若發(fā)生缺相、過流、欠壓等故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)方案切實(shí)可行，能有效的提高抽油機(jī)的效率，提高安全系數(shù)，節(jié)能明顯，有著非常長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。充分利用和挖掘其潛在特性，進(jìn)一步完善系統(tǒng)，將能為油田節(jié)能增效做出更大的貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn) 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