（电工理论与新技术专业论文）高效节能抽油机用新型永磁电动机及其控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t a si sk n o w n ，o i lp u m p i n gu n i ti so n eo ft h em a i nt r a d i t i o n a lf o r m so fm a c h i n e r y i nc h i n a , a n di t so p e r a t i o ne f f i c i e n c yi sv e r yl o w t h e r e f o r e ，t h ee n e r g y - s a v i n ga n d t r a n s f o r m a t i o no ft h eo i lp u m p i n gu n i ti ss i g n i f i c a n t ，w h i c hi so n ew a yt or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h eo i le x t r a c t i o ns y s t e m t h i sp a p e rc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t ”e f f i c i e n t e n e r g y - s a v i n gp e r m a n e n t m a g n e tm o t o rr & d ”( i m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c ti nz h e j i a n gp r o v i n c e ) ，a n dt h e p r o j e c t 竹c o m p o s i t ep e r m a n e n tm a g n e tm o t o rv u m p i n g ”( r e s e a r c h e db yz j u & b e i j i n gs p a c e f l i g h tl i n q u a no i le q u i p m e n tc o ，l t d ) b a s e do nt h ec u r r e n to i l p u m p i n gu n i tr u n n i n gs t a t ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft h em o t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e m ， t h i sp a p e ra n a l y z ea ne n t i r e p u m p i n gs y s t e mt or e d u c et h ev o l u m eo fp u m p i n g s y s t e m sa n de l e c t r i c i t yu s ea n di m p r o v ep e r f o r m a n c e ，b yi n t r o d u c i n gal o w - s p e e da n d 1 1 i g h - t o r q u ep m s m t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： r e s e a r c ho nt h ee n e r g y - s a v i n gp r o g r a mo ft h ep u m p i n gs y s t e m ，a n dc o m p a r e w i t ht h ed e s i g n ，t h ea d v a n t a g e s & t h ed i s a d v a n t a g e so ft h et y p e so fn e wp u m p i n g u n i t s ，a n da n a l y z et h es p e c i f i cs t r u c t u r eo fd i s cp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r & c o m p o s i t e p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r a c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i o nc a u s e db yt h es l o te f f e c to ft h en o v e lp m s m ，s k e w e d s l o ta n ds u b s e c t i o n p e r m a n e n tm a g n e t i s d e s i g n e dc o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a l p r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dt h em a g n e ts t e e ld i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ei sa l s od e s i g n e db y u s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n a l y z et h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o la n dd r i v es y s t e m ， p a r t i c u l a r l yt h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，a n dd ot h es y s t e ms i m u l m i o nb ym a t l a b s o f t w r r e t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 812f r o mt ic o m p a n y , w h i c hc o n t r o l l e dt h eo i l p u m p i n gs y s t e m ，a n da d j u s t sw o r k i n gc o n d i t i o n s i n a c c o r d a n c ew i t ht h ep u m p i n gs y s t e m ss t a r t i n ga n dr u n n i n gs i t u a t i o nt oa c h i e v e e n e r g y - s a v i n ge f f e c t t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e dm a i nc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，a n dd s pc o r ec i r c u i t k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t ；n e we n e r g y - s a v i n gp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ；a l v e o l a re f f e c t ；f e m ；d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鋈盘堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：号b 菱 签字日期：q c 刃莎年彭月7 日 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 油田抽油机节能方案综述 近一个多世纪来，石油取代煤炭成为世界主要能源，是应用最为广泛的化石 能源，对经济社会发展的影响越来越大，被称为“黑金”、“工业的血液”和经济增长 的“发动机”。石油产业是国民经济的重要支柱，它不仅仅是能源之母，还是纺织、 电子、化工、材料等现代工业产品的基础原材料。 我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低 产油田，随着油田的不断开发，地层压力逐渐降低，为了保证原油的稳产、高产， 开采方式由自喷采油转入机械采油是必然的规律。大部分油田要靠注水入井，再 用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现状，因 而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视 节约电能。随着节能工作的深入，目前已有近3 0 的油井使用了节能设备，如各 种节能型抽油机、节能型电机以及节能配电箱。这样，在保证生产的前提下，既 合理使用了能源，又最大限度地节约了能源，取得了很好的经济效益。目前，我 国抽油机的保有量在1 0 万台以上，电动机装机总容量在3 5 0 0 m w , 每年耗电量 逾百亿千瓦时。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为2 5 9 6 ，而国外平 均水平为3 0 0 5 ，年节能潜力可达几十亿千瓦时。可见，石油行业也是推广“电 机系统节能”的重点行业1 。 ( 1 ) 抽油机技术的发展进程 在油田开发生产过程中，不论国内还是国外油田，运用机械采油进行生产占 有十分重要的地位。机械采油就是以机械作为主要或辅助手段，把原油从井中采 出地面，抽油机是有杆抽油的地面动力设备，是构成“三抽”系统的主要组成部分， 抽油机是将动力机械运动变成往复直线运动的机械，根据其转换所用的机械结 构、机电运动副的不同，抽油机分为若干种。一般将其归纳为游梁式抽油机和无 游梁抽油机2 类。应用最早，普及最广的当属常规性游梁式抽油机，至今在世界 上各产油国中仍占绝对优势。以特别能适应野外恶劣工作环境等明显优势，区别 于其它众多类型的抽油机，其简要结构如图1 1 所示。 浙江大学硕士论文 1 ，悬绳器；2 ，支架；3 ，减速器皮带轮；4 ，动力输入轴；5 ，电动机输出轴； 6 ，偏心齿轮减速器；7 ，动力输出轴；8 ，曲柄；9 ，曲柄偏心块；l o ，连杆； 1 l ，游梁；1 2 ，驴头。 图1 - 1 游梁式抽油机结构图 然而，由于结构不尽合理常规游梁抽油机无法克服“大马拉小车”能耗高的 缺点。其复杂的机械结构使整体的可靠性和可维修性降低。 因此，国内外各生产厂家先后研制出前置式抽油机、异相曲柄抽油机、空气 平衡抽油机等，克服了常规游梁抽油机的一些缺点，但仍脱离不了利用四连杆机 构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方式，因而没有解决根本问题。特别是 我国油田开发采用早期注水方式，油井含水后液量不断提高要求抽油机的冲程 和承载越来越大，造成抽油机总重量直线上升，直接影响开发重型抽油机。3 2 1 2 0 世纪7 0 年代以来，各种形式的无游梁式抽油机应运而生，美国是最早研 制无游梁抽油机的国家，最大功率达1 7 1 k w ，最大悬点负荷2 2 7 k n ，最大冲程达 2 4 4 m 。无游梁抽油机最大优点是不用四连杆机构将旋转运动变为往复直线运动， 其运动规律除上下死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性 载荷大幅度下降，抽油机性能得到较大改善。无游梁抽油机容易实现长冲程，相 对冲程损失小，有效冲程长。而长冲程抽油机冲次较低，大大降低了运动系统的 加速度，惯性载荷小，如链条抽油机、皮带抽油机等。但还存在一些较大的问题， 如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大多数采用软连接，摆动轮直径不能过 大，使钢丝绳( 链条) 使用寿命短。 2 0 世纪8 0 年代以后，又回到四连杆机构，创造出可变四连杆机构，可改变 连杆和后臂长度，调整力臂使净扭矩平稳，降低了启动扭矩，“大马拉小车”现象 得到进一步改善，如这一时期开发出异型抽油机( 双驴头) 、弯游梁抽油机、调径 2 浙江火学硕士论文 变矩抽油机( 两级平衡) 、杠铃游梁抽油机等。但这些抽油机仍未脱离电能转变为 旋转运动，再用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，只是启动扭矩有一 定程度的降低，装机容量低了一个档次而已。1 2 1 ( 2 ) 目前改进抽油机系统的方法和特剧2 1 1 4 1 1 5 1 1 2 3 1 1 2 4 】【2 6 1 目前传统的针对抽油机节能的技术可以分为两大类： 在不改变原有抽油机的结构情况下，根据油田抽油的负载特性开发不同 类型的节能抽油机用电机。如高转差率电机、液压抽油机、高起动转矩双定子结 构电机和电磁调速电机( 变极调速电机) 等。 超高转差率电机的应用对象必须是振动载荷大的井，且要求电机的转差率要 适度，不可过高，而现在的各大油田中采用的电机转差率最大值不能超过6 一 8 ，并且采油工艺向大冲程、低冲次发展，这种工艺本身就能最大限度的减少 惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小。 液压抽油机从结构原理方面打破了游梁式抽油机将电能转换为旋转运动，再 利用机械方法将旋转运动转变为往复直线运动的作法，利用液压换向实现直线往 复运动，传动效率高。从机理方面分析，液压抽油机作为长冲程抽油机的机型是 非常合适的，因为只要相应地加长工作液缸的长度。就可获得相当长的冲程，此 时整机的复杂程度、重量、成本都增加得不多，其重量只相当于同类游梁式抽油 机的1 0 2 0 ，而且可方便地无级调整冲程、冲数，为自动控制满足采油工艺 要求创造了良好的条件。 双定子电机是一种新型的异步电机，定子采用两个可以并联运行的绕组。起 动时使用两个绕组的合力矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除一个绕组，只 使用一个绕组运行，使电机在低负荷时输出低功率来达到节电的目的。电磁调速 电机在抽油机既定的负荷条件下，通过改变其绕组结构来完成6 8 极，8 1 2 极的 单绕组非倍数极改变，其负荷率从2 0 一8 0 变化，电机都运行在高效区域。 这两种电机的制造难度和成本都大大地增加了，使其应用范围也很窄，并且如果 不能解决系统得配合问题，也起不到节能的效果。 在现有系统中使用抽油机节能器。如利用电容器投切进行功率补偿、增 加调压节能装置、采用y 双向切换等1 2 3 1 。 浙江人学硕士论文 无功补偿的基本原理是把大容量电容器并联在线路中，感性负荷所需的无功 功率可由容性负荷提供，功率因数也提高了，还可以提高设备的有功功率、降低功 率损耗和电能损失。同样在启动高压电动机时，将电容器投入，经过适当的时间，迅 速退出电容器组。整个过程可理解为无功功率的就地补偿，只是时间很短。电容 补偿起动的优点在于起动时，电动机的端电压不降低同样可以减少起动电流，并且 不减少起动转矩，缩小起动时间。 增加调压节能装备是利用现代电力电子技术的成果，根据电动机的负荷率的 变化不断调节电机的输入端电压，即当负载小时电机的输入电压下降，负载大时 电机的输入电压升高。虽然实现了定子电压随负载变化的连续调节，减小了电动 机的损耗，提高了运行效率，但是电源电流波形发生畸变，电网谐波污染严重， 另外在油田的恶劣环境下，其可靠性等都受到制约。同时结构复杂，成本较高。 采用y 双向切换其原理和调压节能是一致的，只不过电机输入端电压不 是连续变化的，仅有2 2 0 v 和3 8 0 v 两种形式。当电机负载小时，电机采用y 型 接法，输入电压2 2 0 v ，当电机负载大时，电机采用接法，输入电压3 8 0 v ，这 样也可以起到节能的效果。 以上介绍的抽油机的节能方式，基本上都是在负载较低时通过调节电机的输 出功率来降低电机的自身损耗达到节能的效果。这些节能的方法效果也是有限 的，只有在负载比较小时效果才比较理想。随着现在各种技术的发展，对抽油机 的系统进行改造也势在必行。 现在电力电子技术、微处理器以及控制理论的发展使变频控制的成本高、控 制复杂和可靠性等问题都迎刃而解，而这种控制系统也可以非常容易的实现对油 田抽油的负载进行实时监测，调整驱动电机的功率输出，这种系统业无疑代表着 油田抽油机控制系统的发展方向。 本课题在实验室的科研基础上与油田企业进行合作关系，着眼于抽油机新型 永磁电动机的设计与开发，并对新型永磁电动机设计和研制了变频控制系统，取 得了良好的效果。 1 2 国内外永磁同步电机的发展水平及趋势 永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。世界上第一台电机就是由永磁 体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石( f e 3 0 4 ) ， 4 浙江火学硕上论文 磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大。上世纪6 0 年代开发出的稀土钴永磁 和钕铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 使永磁电机的性能得到很大的提高，它们的 高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造 电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。特别是价格相对较低的钕 铁硼永磁出现后，永磁电机的应用范围迅速向工业和民用电机转移。稀土永磁的 优异磁性能，加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励 磁电机纷纷用稀土永磁电机来替代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到 的高性能【2 0 1 。 以前由于受到永磁材料的温升与磁能积等方面的制约，大容量永磁电机的研 究与产业化比较缓慢，特别是自起动永磁电机的性能无法达到同容量普通电机的 水平。2 0 0 0 年以后，随着这几年永磁材料的磁性能大大提高，特别是s h 、u h 、 e h 级钕铁硼( n d f e b ) 的出现，为现在研究大容量自起动永磁电机打下了基础。 永磁电机是国内外电机发展的重要方向。永磁电机的大量生产和应用是国内 外的必然发展趋势。尤其是现在随着铜与硅钢片材料的大幅涨价，而永磁材料的 价格相对稳定，使永磁电机制造成本与普通电机的成本日趋接近。我国的稀土资 源非常丰富，其远景储量占世界的近8 0 ，且品种全、质量高，我国钕铁硼永磁 产量目前在世界上占绝对优势，浙江省是中小型电机的生产制造大省之一，也是 永磁材料生产制造大省之一，高效节能永磁电机的发展对于我省、我国的国民经 济的增长具有重要的作用。 高效节能永磁电机与异步电机( 感应电动机) 相比，可显著提高功率因数， 减少定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，从而使它 的效率比同容量感应电动机提高2 - - - 8 百分点，功率密度比同容量异步电动机提 高1 5 左右。更重要的是，永磁同步电机在2 5 - - - 1 2 0 额定负载范围内均可以 保持较高的效率与功率因数，使轻载运行时节能效果显著，这是永磁同步电动机 一个极为可贵的优点。图1 2 显示了某一规格永磁同步电机与同容量异步电机在 不同功率时的效率曲线和功率因数曲线。 5 浙江大学硕七论文 p t f p n ) p o p - b ) l - 永磁电机2 感应电机 图1 2 永磁同步电机与感应电机在不同负载时的效率与功率因数曲线对比 永磁电机与传统的电励磁同步电机相比，省去了电励磁绕组，实现了无刷化， 具有结构简单、运行可靠；体积小、重量轻；损耗少、效率高；电机的形状与尺 寸可以灵活多样等显著优点，尤其是对l o o k w 1 0 0 0 k w 的电动机，还可以省去 励磁柜，虽然增加了永磁材料，总成本增加不多。由于其众多的优点，应用范围 很广泛，是电机节能的重要方向之一。3 1 永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , p m s m ) 的运行原理 与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁， 使电动机结构较为简单，省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行 的可靠性，又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密 度。 永磁同步电动机按转子形状可以分为两类：凸极式永磁同步电机和隐极式永 磁同步电机。它们的区别在于转子磁极所在的位置，凸极式永磁同步电机转子磁 极是突起在轴上的，其直轴和交轴电感参数不相等。而隐极式永磁同步电机的转 子磁极是内置在轴内的，直轴和交轴电感参数相等凸极式转子具有明显的磁极， 定子和转子之间的气隙是不均匀的，因此其磁路与转子的位置有关。 按定子上产生的反电动势波形可以分为两种：正弦波永磁同步电机( p m s m ) ； 梯形波( 方波) 永磁同步电机，又称为直流无刷电机( b l d c m ) 。这样就造成两种同 步电动机在原理、模型以及控制方法上有所不同。5 7 1 9 1 美国ge 公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机，德国 西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永磁 6 l 仉 仉 仉 c ； 仉 仉 8 浙江大学硕士论文 同步电动机，七十年代后期就生产出了3 0 千瓦的电机。日本明电舍公司在六十 年代后期就已有永磁同步电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就研制出 高速的永磁同步电动机。我国自七十年代后期也陆续研制出多种结构的永磁同步 电动机。目前，永磁电机的输出功率可以做到大至1 0 0 0 k w 以上，小至毫瓦级， 不仅覆盖了微、小及中型电机的功率范围，且延伸到了大功率领域。八十年代以 来，永磁同步电机以其高转矩惯量比、高能量密度和高效率等优异性能，在中小 容量范围内获得了广泛应用。永磁同步电机具有以下优点：体积小，结构简单， 重量轻；损耗低，效率高，节约能源；温升低，可靠性高，使用寿命长；适应性 强，特别是与电力电子控制系统的匹配性好。4 8 1 近年来，从c n k i 学术搜索中可以看到永磁同步电机的学术关注度呈现逐年 上升的趋势，见图1 3 。 永磁同步电机 图1 3 永磁同步电机学术关注度图 1 3 电机电磁场数值计算的发展 电机的主要理论基础是电路及电磁场理论，电机运行时，内部有电磁能量的 转换，存在着电磁场，虽然麦克斯韦在1 8 7 3 年已总结了表征电磁场特征的方程 组，但由于电机中存在不同介质( 一般有铜、铁和空气等) ，边界面及交界面形 状比较复杂，材料特性又有非线性等等，在数值方法引入电磁场领域，仅仅有限 的几个问题能够直接能够用麦克斯韦方程求解。最早运用解析法的一批文章中， 有卡特( e w c a r t e r ) 在1 9 0 0 年用保角变换的方法分析的气隙及槽部磁场的文献， 文中提出了著名的气隙系数。1 9 0 5 年菲尔德( a b f i e l d ) 求解了槽内导体涡流 分布，得出附加铜损计算公式。以后有人用作图法求解磁场分布，例如，德赖弗 7 浙江人学硕士论文 斯( d r e f u s ) 、斯蒂文森( a r s t e v e n s o n ) 及威斯曼( r w w i e s e m a n ) 等先后用图解 法分析定子及转子漏磁场，提出了计算凸极机气隙磁场分布的几个系数，这些系 数在电机设计中得到应用。3 1 由于解析计算的困难，数学模拟和物理模拟方法得到了发展，解决了许多实 际问题，大量文章和专著陆续发表，其中比较系统的有古金马赫的“电模型”及卡 普勒斯的“场问题的相似模拟解法”。模拟方法一直沿用至今，但对结构复杂的电 机电磁场问题，这种方法的应用收到限制。 从2 0 世纪6 0 年代中期开始，随着计算机性能的提高和新的计算方法的不断 涌现，数值方法引入电机电磁场领域，使许多问题有很大进展。它的出现为大容 量、高性能、特殊结构和特殊材料电机的设计、电磁参数的计算、运行性能的分 析开辟了新的途径。这主要因为以下两个原因：第一，电机电磁场的数值计算可 以从定量的角度解决经典电磁学等无法解决的复杂计算问题，在对实际问题的计 算上可以得到相当高的精度，适应了实际工程应用的需要；第二，随着计算机技 术的迅猛发展、应用与普及，数值计算方法的成本大大降低，效率却大大提高， 便于推广应用。电机内电磁场的数值分析的种类很多，包括差分法、积分方程法 和有限单元法。 差分法的引入比较早，例如埃尔达莱用差分法计算二维磁场，考虑了铁磁材 料的非线性。奥田宏史分析了电机端部恒定磁场。恰利及西尔维斯特对有限元法 引入电磁场领域作了大量工作，发表了求解二维涡流场、考虑材料非线性的恒定 磁场等一系列文章。其中，有限元法占有绝对主要的地位，应用范围最为广泛， 而且有限元法的这种优势也越来越显著。近年来有限元法已广泛用于计算电机二 维涡流场及饱和场，并丌始用于计算电机端部三维场，变压器三维漏磁场及涡流 场，电机三维温度场，以及电机瞬变场等。1 3 川4 1 1 4现代交流电机驱动控制系统研究现状 近1 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展， 电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制 技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改 善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段刚2 7 1 【2 8 1 。 8 浙江大学硕士论文 现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和监测器等 四大部分组成。如图1 3 所示。电力电子功率变换器与控制器集中于一体e 1 4 l ， 成为变频器( 变频调速装置) ，如图l - 4 内框虚线所框部分。 图l - 4 现代交流调速系统组成不惫图 由同步电动机转速公式，可知 力：6 0 f( 1 1 )力= ll - lj p 。 式中见电动机极对数； 厂定子电源频率( h z ) 同步电动机唯一依靠变频调速。根据频率控制方式不同，同步电动机调速系 统可分为两类，即他控式同步电动机调速系统和自控式同步电动机调速系统。 ( 1 ) 他控式同步电动机调速系统 用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源叫做他控式同步电动机调速 系统。他控式恒压频比的同步电动机调速体统目前多用于小容量场合，例如永磁 同步电动机、磁阻同步电动机。 ( 2 ) 自控式同步电动机调速系统 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统， 是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，是同步电动机工作 在自同步状态。【7 】【1 5 l 现代变频器使用的控制算法有很多，主流的算法主要有以下几种f 3 1 1 5 儿6 1 1 1 5 l ： ( 1 ) 正弦脉宽调制技术s p w m 。s p w m 的变形有很多种，例如梯形波与三 9 浙江大学硕士论文 角波相交的方法，马鞍波与三角波相交的方法( - - 次谐波注入法) 等。s p w m 在 通用变频器中处于衰退期，但在高压变频器领域内仍占主导地位。在高压变频器 中，硬件拓扑结构多采用二极管( 或电容) 钳位技术、级连技术、或二者的混合。 这些技术的特点是采用多电平技术，用低耐压功率器件来输出高压。 ( 2 ) 电压空间矢量脉宽调制技术( s v p w m ) 。s v p w m 具有电流谐波少、 转矩脉动小、噪音低等优点，而且相对于常规的s p w m 直流电压利用率能提高 约1 5 ( 三次谐波注入法也可以提高直流电压利用率约1 5 ) ，所以s v p w m 无 可争议的占据了通用变频器的主导地位。 ( 3 ) 随机p w m 。随机p w m 通过分散噪声频谱，能避免变频器在某一频率 点的高频噪声，但如果随机p w m 处理不好，就会在各个频率点的都产生噪音， 这也限制了随机p w m 的应用推广。 ( 4 ) 变压变频( v v v f ) 算法。v v v f 堪称经典，现在在绝大部分通用领 域内，仍占据着主导地位。 ( 5 ) 矢量控制( f o c ) 算法。1 9 7 1 年，德国s i e m e n s 公司的e bl a s c h k e 提 出了交流电动机的矢量控制原理。该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将 定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，得到 类似直流电机的数学模型。使交流电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电 动机的性能。这种控制技术后来成功的应用于p m s m 上。矢量控制算法在高性 能领域占据着主导地位。矢量控制的动态、低速运行等性能指标都达到了相当高 的水平。目前，变频器采用这种算法的非常多。 ( 6 ) 直接转矩控制( d t c ) 。2 0 世纪8 0 年代，德国学者d e p e n b r o c k 针对 异步交流电机提出了直接转矩控制方法其基本原理是根掘参考转矩与真实转 矩，参考定子磁链与真实定子磁链之间的差异，直接选择定子电压矢量，从而达 到直接转矩控制的目的直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的高 性能交流调速技术，它应用空间矢量的分析方法，采用定子磁场定向，借助离散 的两点式调节( b a n d b a n d 控制) ，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获 得转矩的高动态性能，它省掉了复杂的矢量变换，控制思路新颖，控制结构简单， 信号的物理概念明确，转矩响应迅速，动态性能好，对转子参数不敏感。 ( 7 ) 无传感器控制技术。永磁同步电机必须获取转子位置才能控制电机正 1 0 浙江大学硕士论文 常运行。转子位置获取有两种办法，其一是用传感器直接检测，另一种是采用参 数估计。直接检测必须采用传感器等外部器件或在电机设计中设计测量位置的感 应线圈，好处是位置测量准确，缺点是结构复杂。无位置传感器方法即将电机三 相电压、电流坐标变换，在p a r k 方程的基础上估算出电机转子的位置，或利用 测量反电动势法等估算出电机转子的位置。无传感器技术作为电机控制的一个新 领域在近年来广泛受到人们关注。 ( 8 ) 智能控制技术。为了实现对控制对象的参数变化和非线性不敏感，提 高控制系统的鲁棒性，实现复杂算法，加上近年来出现的新型数字信号处理器如 d s ea r m 等为实现复杂的智能算法提供了快速手段。很多人提出了人工智能、 专家系统神经网络、模糊控制等策略。 1 5 课题研究任务与特点 油田抽油机的节能改造是降低采油能耗，提高采油机效率的重要方向。论文 研究课题结合浙江省重大专项“高效节能永磁电机研发”项目和浙江大学与北京 航天林泉石油装备有限公司共同合作的“复式永磁电机抽油机”项目，根据目前抽 油机的运行状况、电机本体和电机控制系统的发展，对整个抽油机系统进行规划 和设计，采用低速大转矩永磁电机，使抽油机系统体积减小，性能提高，而且大 l 大减小了用电量。对样机试验过程中电机齿槽效应引起的振动，结合生产工艺实 际，采用斜槽及分段磁钢设计，通过电磁场有限元分析，设计合适的磁钢分布结 构，实现平稳运行。对盘式电机定子夕钢片结构、电磁性能和生产工艺进行研究 探讨。同时也设计以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的控制系统，其主要包括主 回路、检测电路、信号处理电路、d s p 核心电路，并对控制算法进行仿真和实现， 对抽油机进行控制，并根据抽油机的启动和运行的实际情况来调整工作状态，达 到节能的效果。 论文研究具体工作内容包括：参与抽油机系统结构的设计，包括抽油机样机 和最终方案的确定；对电机齿槽效应进行电磁分析，确定电机齿槽结构及减小齿 槽效应的方法：根据抽油机控制的要求和特点设计驱动控制方案，进行实验室硬 件电路的搭建和软件算法的编写，进行系统调试等。 浙江大学硕士论文 1 6本章小结 本章主要针对油田抽油机节能现状进行了综述，介绍了永磁同步电机的发展 状况，并且介绍了电机电磁场数值计算的发展，也对永磁电动机控制系统的国内 外现状进行了介绍，对几种控制算法做了简单的归纳和介绍。最后介绍了本文的 主要任务和特点。 1 2 浙江火学硕士论文 第二章新型抽油机驱动永磁电机结构及三维有限元分析 2 1 新型直驱式抽油机方案研究 传统的抽油机不仅机械结构复杂，且存在着较大的能源浪费。根据国内外新 技术现状和永磁电动机、变频控制技术在抽油机上的应用情况，在课题研究中结 合科研项目和抽油机制造合作单位的生产实际，主要研究了下面几种新型永磁电 动机驱动的抽油机技术方案： ( 1 ) 采用永磁盘面电机代替减速器结构 采用了低速大力矩的新型永磁盘面电动机，由于电机半径大，在电机圆周上 可得到较大的出力。新型永磁电动机可直接驱动抽油机悬梁，舍弃了复杂的减速 机构，提高了系统工作效率。为了获得较大的出力，低速大力矩电机半径一般较 大，但与传统抽油机系统相比体积仍较小。 采用盘面电机替代减速器结构的方案如图2 1 所示。本方案包括驴头、游梁、 连杆、机架、电机和调速装置。电机采用了永磁盘面电机，是由两个平行设置的 扁平式定子和转子组成，盘面垂直主轴，构成驱动单元。此外，为提高驱动能力， 采用了在支架两端设置两个并行的盘面电机的结构，在此方案中电机是连续运行 的。定子中的电枢绕组和转子中的永磁磁极相对应，并且两个盘面电机的磁极也 是相对应的，定子和转子分别安装在电机的机座和主轴上，连杆直接连接在游梁 与电机转子的盘面所设的支轴之间，带动驴头上下运动。由于这种结构采用电机 连杆驱动，无齿轮减速机构，简化了抽油机的机械结构，从而提高了抽油机的机 械效率，且电机转子盘面面积大，有利于解决大力矩输出结构的设计问题。 浙江大学硕士论文 图2 - 1 永磁盘面电机代替减速器结构方案图 ( 2 ) 永磁盘面电机直接驱动方式 本方案采用了双边双电机的永磁盘面电机，电机以采用外转子的形式。用永 磁盘面电机直接驱动的方案包括电机、机座、配重块、泵杆和控制装置，驱动方 案如图2 2 所示。这种方案中采用的永磁盘面电机，其两端的电机分别是由两个 平行设置的扁平式定子和转子组成，在电机主轴上设有绞筒，由于采用电机主轴 直接驱动，去掉了游梁、驴头和复杂的齿轮减速箱等机械结构，简化了整个系统， 缩短了传动链，提高了整机的工作效率，适用于油田抽油机系统得更新。 用永磁盘面电机直接驱动的方案中永磁盘面电机是正反转运动的，盘面电机 可以正转一圈，也可以正转几圈，这要看盘面电机的半径而定，反转也是一样的。 电机的主轴绞筒上设有绞绳，绞绳的一端连接泵杆，另一端连接配重块，由电机 的主轴直接带动绞筒工作，配重块沿导轨上下滑动，其所走的路程等于抽油机的 冲程。 1 4 浙江大学硕士论文 图2 - 2 采用永磁盘面电机直接驱动的方案结构图 ( 3 ) 复合式永磁电动机直接驱动方式 由于复合永磁电动机直接驱动的方案与用永磁盘面电机直接驱动的方案类 似，所采取的机械结构基本上一样的，最大的区别就是采用的电机不同。因为这 种方案所采用的复合式永磁电动机比相同大小的永磁盘面电机出力更大，所以更 能减小抽油机系统的体积，提高系统效率。 直驱式抽油机械开发应用，使得石油开采业的传统进给机械结构发生变 革；通过先进的电气控制，不仅简化了抽油机的机械结构，更重要的是使抽 油机的性能指标得到很大提高。通过对抽油机传统结构系统的技术创新，开 发具有高效、节能的新一代复合式稀土永磁同步电机直接驱动的抽油机系 统，为石油开采工业中的节能增效开辟了一条新路径。 2 2 新型永磁电动机结构分析 2 2 1盘式永磁同步电机结构分析 2 2 1 1 盘式永磁同步电机的结构形式 盘式永磁电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，所以又称为轴向 磁场电机。1 8 2 1 年，法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场的盘式永 磁电机。限于当时材料和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步的发展。 浙 * i 论女 然而人们逐渐认识到普通凰柱式i t l * a 存在些本身结构而无法克服的缺 点，如冷却困难和转子利用率等。4 = 世纪4 0 年代起，轴向磁场盘式永磁电 机重新受到了电机界的重视。由丁盘式电机的定转子平行结构，克服了柱式 电机定予包容转予的结构缺点，因此散热效果好。且圉其轴向尺寸小结# a 简 单，广泛用于需要扁平结构的场所。p q 盘式永磁电机具有多种结构形式，按照定转子数量和相对位置可以分为 以下几种： ( 1 ) 单边结构：包括一个定子和一个转子，如图2 3 a ； ( 2 ) 双边结构：l 外转予，如图2 3 b ： i l 内转子，如圈2 3 c ： ( 3 ) 多盘结构：如图2 3 d 。 翥蠡硼 d 图2 0 永磁盘式电机结构 单边结构的盘式水磁电机包括一个定子和个转子，如图2 3 a ，是最简单的 盘式永磁电机结构。这种结构山于受到不平街的轴向力，因此需要比较复杂的轴 承和较厚的转子黼体。为了消除轴向磁托力，可采用双边定子夹单转子结构，也 称内转于，如图2 - 3 c 所示。它实际l 足两台“瞽定子单转子”单元电机的合成， 通常两边的定予完全柑同。双边转子夹荦定子结构，也称外转了，如图2 3 b 所 示，足一种环形定子的盘式永磁电机。转子为高性能永磁材料粘结在实心钢构成 的圜盘上，所以这种l 乜机的转动惯量要比中闻转了结构的大。 多盘式结构为由多定r 和多转r 交错排列组成多气隙，如图2 - 4 所目：。采用 多盘式结构可进步提高盘式水磁电机的转矩，气隙数日越多，电机输出转矩也 浙江大学硕士论文 越大，特别适合大力矩直接传动装置。 图2 - 4 多盘式结构 1 一转子2 一定子绕组3 一定子铁心 针对油田的特殊工作环境，结合盘式永磁同步电机的特点，我们选用双 盘面电机与外转子电机的结构设计，如图2 5 所示。因为这种结构转子的转 动惯量比较大，而且为大力矩直接驱动装置，除了可以提高电机的效率外， 还可以去掉中间的减速机构，结构制造比较方便，工程上容易实现。其实物 图如2 _ 6 、2 7 所示。 、 写：p j 口j c 士 ， l黥l 蛹， p k 萨于毡 t 一制 】 ， j = 生：自 、 虎 i f 。j p 一- l 1 。一匹1一 ， 一凸 一e 玉 图2 - 5 永磁盘式抽油机 1 7 * t 碰l 论文 图2 抽油机用盘式水磁电机文物阁a 图2 7 抽油机用精式承磁电机实物图b 2 2 1 2 永磁盘式抽油机的丰要结构部件 如图2 - 5 所1 i ，水磁擞，抽汕机也括j _ r 、定了投其绕 i 、水磁磷钏、土轴 安装扫。f 轴l 的转_ r 千定r 均为叫啦形状，髓m 】 仃，两者对应改霄之脚蹬十 浙江大学硕士论文 气隙，其一固定于机座，其一安装于主轴作转动体，定子绕组线圈嵌于定子盘面 周向分布的定子电枢的齿槽内，与转子盘面周向分布的永磁磁钢相对应，齿槽位 于盘面与主轴相垂直。 ( 1 ) 电机定子结构 盘式永磁抽油机的定子是由硅钢带材卷绕切割而成的环形结构，上面切割有 均匀分布的槽，内嵌三相对称绕组，如图2 8 所示。对于盘式永磁抽油机来说， 定子铁心的槽型采用半开口的平行圆底槽，槽宽恒定，其定子槽型如图2 - 9 所示。 圆盘电机的外直径为1 5 0 0 毫米，其内直径为1 0 0 0 毫米，电机极数为2 p = 6 4 个， 每极每相槽数q = 1 ，所以根据上面的数据，可以计算得到电机定子的总槽数为 z = 2 p x m q = 1 9 2 个。 一 虱门八 = c c p 目 煺岁 = 貂 _ 匝 图2 - 8 电机定子结构 a - - a 图2 - 9 定子槽型图 - 坦一 b - 书 1 9 浙江大学硕上论文 ( 2 ) 电机转子结构 盘式永磁抽油机的转子磁极上采用高性能永磁材料钕铁硼永磁体，它具有高 剩磁密度，高矫顽力高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能。永磁体的充磁方向 与磁钢表面垂直，从而在气隙中产生多极的轴向磁场，转子的磁钢沿圆周均匀分 布，呈n s 交替呈辐射状排列，其尺寸如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0 永磁转子结构图 工作时，由圆盘形状的定子和转子组成为本电机的独立驱动单元，在变频 调速器设定的频率下控制运行。当永磁盘面电机的定子线圈通以一定频率的交流 电时，在电机气隙部位就会产生一个旋转磁场，使永磁转子在气隙磁场的作用下 旋转工作。再通过输出机构，便可带动( 驱动) 负载运行。抽油机用永磁盘式电 机具有较高的工作效率，样机试验证实电机出力和效率比普通电机高。永磁盘式 电机驱动力与电机驱动功率的关系与一般驱动电机功率选配不同，由于采用智能 驱动器，电机运行时可根据抽油机的力能曲线控制电机输出功率，使电机根据系 统需要控制输出，达到系统节能的目的。 浙江大学硕士论文 2 2 2大力矩复合式永磁同步电机结构分析 复合永磁电动机是把双盘面电机和外转子电机复合在一个整体结构上，形成 一种新的电机结构，更有效的利用三维空间，电机结构方案如图2 1 1 所示。其 两侧的定子与外转子盘式永磁同步电机的结构一致，只是在两内侧定子中间，加 入外转子结构。复合式电机的外转子结构，特别是盘式电机的圆环形定子结构， 在加工制造时要求高，利用软磁复合材料( s m c ) 加工制造可简化工艺，降低加 工费用。 转子定子1 磁钢1 外转子 主 图2 1 l 复合永磁电机总装图 新型复合式三维永磁电机符合电机机电能量变换的要求，充分利用了电机的 空间，与现在的低速大力矩盘式电机相比，在同样体面积下，可提高力矩输出。 该电机改变了现有传统电机的结构，采用了一种新的加工方法和控制方式。其实 物如图2 1 2 和图2 1 3 。 2 l * h 钡i z 图2 一1 2 复合式电机样机实物阿 溢 专 图2 - 1 3 复合式电机实物图 2 3 电自l 有限兀数值分析计算 2 3 1 有限元数值分析软件介绍【2 i f u 机设计的速度以及质量在尊机b 速发腱的今灭已绎成为个关系到企 、能行往激烈的场竞争一”讧丁不败z 地的个天键要采。w i n d o w s 平台的不断 浙江大学硕士论文 推广、广泛使用，可视化程序设计语言的出现及其不断升级，使得人机交流更为 简单、方便、灵活，提高了工作效率。利用计算机辅助设计( c a d ) 技术设计出 的各种专门的电机设计软件能为工程技术人员提供极大的方便，节约大量时间， 缩短电机设计周期有限元法是求解复杂工程问题的一种近似数值解法，现已广泛 应用到力学、热学、电