（电力系统及其自动化专业论文）往复式抽油机控制系统的研究.pdf

， 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 t h es t u d yo nr e c i p r o c a t i n gp u m p i n gu n i tc o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t l i n e a rm o t o r - d r i v e nr e c i p r o c a t i n gp u m p i n gu n i ti sad i r e c tl i n e a rr e c i p r o c a t i n g m o t i o nf o r mp o w e rt r a n s f o r m a t i o n i ti m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fp u m p i n gu n i t ， r e a l i z e st h es m o o t hp u m p i n gp a r a m e t e r s ，a d j u s t st h es u s p e n s i o nc e n t e rm o v e m e n t v a r i a t i o nw i t hp u m p i n gs i t u a t i o n ，a n dg i v e sag o o df o u n d a t i o nf o ri n t e l l i g e n t p u m p i n gu n i t ag o o dc o n t r o ls t r a t e g yi sn e c e s s a r yf o rt h i sk i n do fp u m p i n gu n i t n e c o n t r o ls y s t e ms t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sr i g h ta b o u tc y l i n d r i c a lp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sl i n e a rm o t o r - d r i v e nr e c i p r o c a t i n gp u m p i n g u n i t f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fal i n e a rm o t o ra n dt h ec o n c r e t ec o n d i t i o n st ou s e l i n e a r m o t o rf o r p u m p i n gu n i t a r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es t r u c t u r e o f s u b m e r s i b l ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s l i n e a rm o t o r - d r i v e nr e c i p r o c a t i n g p u m p i n gu n i ti sa l s oi n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f l i n e a rm o t o ri sd e r i v e do u ta n di t sc o n t r o ls t r a t e g yi sa n a l y z e di nd e t a i l s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl i n e a rm o t o r , i t ss i m u l a t i o n m o d e l i se s t a b l i s h e di nm a t l a b 7 s i m u l i n k t h e nt h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mm o d e li s b u i l ti na c c o r d a n c ew i t ht h es e l e c t e dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h es v p w mt e c h n i c a l f i e l do r i e n t a t e dv e c t o rc o n t r o lf o rp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r i ti s p r o v e dt h a tt h es t r a t e g yi sf e a s i b l eb yt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n t h i r d l y 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 ew o r ka b o v e i t sm a i n f u n c t i o ni sr e c t i f y i n gt h et h r e e p h a s es i n u s o i d a la ct od co u ta n dc o n t r o l l i n g i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ei p mt o i n v e r s ei tt oat h r e e p h a s e a co fa d j u s t a b l e f r e q u e n c y n ec o n t r o ls y s t e mc o n t a i n st h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i t ，t h e c o n t r o la n dm e a s u r e m e n t t h em a i nc i r c u i ti sc o n t r o l l e db yt h r e e p h a s er e c t i f i e rb r i d g e ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i st h ec o r ep a r to ft h ec o n t r o lb o a r d i t sm a i nf u n c t i o ni st h es i g n a la c q u i s i t i o n ， o p e r a t i o na n dg i v i n ga no u t p u tn a m e dp w m m o t o rd r i v es i g n a lt od r i v ei p mt o a c h i e v ep o w e rc o n v e r s i o n ；t h em e a s u r e m e n tc o n t a i n st h ed e t e c t i o no fc u r r e n t ，s p e e d a n dp o s i t i o n t h ec u r r e n tt r a n s f o r m e ri su s e dt oa c q u i r et h ec u r r e n ts i g n a l s ；t h eh a l l i i - 哈尔滨理t 火学丁学硕j j 学位论文 p r o x i m i t ys w i t c ha n dt h eh a l ls e n s o ri su s e dt oa c q u i r ep o s i t i o na n dd e t e c ts p e e d s i g n a l s a f t e rc o n v e r t i n g ，a l la c q u i r e ds i g n a l sw i l lb ed e p o s i t e di n t ot h ed s pt o r e a l i z et h em o t i o nc o m m u t a t i o na n dv e l o c i t yc o n t r 0 1 k e y w o r d s l i n e a rm o t o r ，p u m p i n gu n i t ，v e c t o rc o n t r o l ，d s p ，s i m u l a t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文往复式抽油机控制系统的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 往复式抽油机控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密厂 ，在年解密后适用授权书。 不保密叨。 _ _ - _ j ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 导师签名： 日期：沙纷弓月湘 1 7 1 期：懈年3 月劬同 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 1 课题的目的和意义 第1 章绪论 随着现代社会经济的发展，技术不断革新，全球化市场的竞争形势日趋 激烈。这种形式下，对于能源的需求不断增长，节能已经成为当今热门的 题，然而目前的世界石油生产过程中存在所谓的“电能换石油的说法，能 耗在采油成本中占有很大的比重。抽油过程中能耗大的主要原因是传统的抽 油机采用负荷率低的感应电机，且需要把电机的旋转运动转化为抽油杆的直 线运动，这样必须经过减速器、四连杆机构等中间环节。因此，传统抽油机 有传动链长、系统柔性差、效率低以及冲程、冲次不便调节等缺点引。 另外，我国大多数油田已进入中后期开采，大多数的油井需要通过注水 来提高油层的高度，这使得“电能换石油”的问题更进一步加剧b 1 。所以机 械采油设备的开发与研究的重要性同益明显。而对传统的抽油机的优化，由 于中间机构的复杂，提升效率已经达到了一个瓶颈。直线电机驱动抽油机就 是在这种背景下提出的。 直线电机抽油机改变了过去各种抽油机都是先将电能转变为旋转运动， 然后再通过机械方式转变为直线往复运动的能量转换模式h 5 i 。它不但提高 了效率，而且能实现抽油机参数无级调整，进而能根据采油的需要调整运 动规律，为智能化控制创造条件哺1 。本文主要工作是对圆筒型永磁同步直线 电机抽油机控制系统，是对其运动规律、驱动控制系统以及动子速度检测进 行了研究。 1 2 油田用抽油机的技术发展现状及其趋势 1 2 1 抽油机技术发展的现状 目前，油田的采油方式分为自喷采油和机械采油两种。自喷采油是利用 深层石油的自身压力来举升原油，是最经济的方法；机械采油是对于不能自 喷的油井，采用机械设备将原油从井底举升到地面。机械采油又分气举法和 抽油法两种方法，气举法是利用压缩机的能量，把原油举升到地面1 7 1 ：而 哈尔滨理厂人学工学硕上学位论文 抽油法的特点是将各种结构的泵放到井下利用地面驱动装置进行抽油。 用抽油法丌采石油主要由三部分组成：一是抽油机作为驱动设备；二是 抽油杆作为传动设备；三是抽油泵作为举升设备。国内外应用最广泛的抽油 设备是游梁式抽油机，如图1 - 1 所示旧l 。而抽油机是有杆抽油的地面动力传动 设备，是构成采油系统中的主要组成部分。其基本原理是由电动机将电能转 化为旋转运动，再经过抽油机将旋转运动通过四连杆机构转化为往复运动， 利用抽油杆将往复运动传递给抽油泵。该类抽油机具有结构简单、易损件 少、耐用、可靠性高、操作简便、维修方便等特点，一直占据着油r 抽油机 的主导地位。但是，由于其结构上的问题，常规的游梁式抽油机无法克服 “大马拉小车”一能耗高的缺点。 图1 - 1 游梁式抽油机 f i g 1 1b e a mp u m p i n gu n i t 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1 7 1k w ，最大悬点负荷2 2 7k n ，最大冲 程2 4 4m ，其最大优点是去掉了四连杆机构，运动规律除上下死点有短时加减 速运动外，大部分时问是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，性能得到较大改 善。它容易实现长冲程，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。些较火的问题，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) 寿命短。2 0 世纪 8 0 年代以后，义回到四连杆机构，创造出可变的p q 连4 ：_ ：机构，_ i j i 改变近杆和后 臂长度，渊整力臂使净扭矩、t i 稳，降低了启动扭矩，“大马拉小午”现象得到 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 进一步改善，如这一时期开发出的异型抽油机( 双驴头) 、弯游梁抽油机、调径 变矩抽油机( 两级平衡) 、杠铃游梁抽油机等0 。但这些抽油机仍是将电能转变 为旋转运动，再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。 1 2 2 抽油机技术发展的趋势 抽油机发展趋势主要有以下几个方向： 1 向大型化方向发展由于油气资源的不断开发，以及开采油层深度逐年增 加，石油含水量也不断增加，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采 用大型抽油机。 2 向高效节能方向发展我国抽油机的运行效率比较低，比国外低5 个百分 点，平均效率只有2 5 9 6 。发展方向分为新型节能型抽油机的研究以及采用 抽油机节能电控装置对传统的抽油机进行节能改造。 3 向精确平衡方向发展近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果， 使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于 下冲程力矩；前置式气平衡抽油机，可以在动态下调节气平衡，平衡效果较 好；气囊平衡抽油机有9 0 以上载荷得到平衡；双井抽油机可利用两口油井抽 油杆柱合理设计得到更精确的平衡；自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬 间得到较精确的平衡效果n 。 4 向高适应性方向发展现在抽油机应具备较高的适应性，以便拓宽使用范 围。例如：适应各种成分石油抽取的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适 应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应深井抽油的需要；适应精确 平衡的需要；适应长冲程的需要；适应节能的需要。 5 向长冲程无游梁方向发展采用长冲程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿 命长，动载荷小，排量稳定，具有较好的采油经济效益，所以近年来国内外研 制与应用了多种类型的长冲程抽油机“引。如法国m a p e 公司抽油机，最大冲程 1 0 m ；美国w g c o 公司抽油机，最大冲程2 4 3 8 m ；n s c c 公司抽油机，最大 冲程2 7 4 8 m ；原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1 5 0 0 m 。长冲程抽油机 全部采用低冲次抽油方式，m a p e 公司抽油机最大冲次为每分钟5 次，g d c o 公司抽油机最大冲次为每分钟3 次。 6 向自动化和智能化方向发展近些年来，抽油机技术发展的显著标志是自 动化和智能化。b a k e r 提升系统公司、d e l t a x 公司、a p 公司等研制了自 3 哈尔滨理工人学下学硕i ：学位论文 动化抽油机，具有保护和报警功能，可实时测得油井运动参数，及时显示与记 录，并通过综合计算分析，推导出最优工况参数，进一步指导抽油机的最优控 制引。 1 3 直线电机应用和发展概况 1 3 1 直线电机概述 直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械 能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 直线电机的结构可以根据需要制造成扁平型、圆筒型或盘型等各种形式， 它可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。直线电机的 用途很广，在航空方面，它可以在几秒钟内把一架几千公斤重的直升飞机拉到 每小时几百公里的速度，它在真空中运行时，其时速可以达几千甚至上万公 里；在军事上，人们利用它制成各种电磁炮，并试图将它用于导弹、火箭的发 射；在交通运输业中，人们利用直线电机制成时速达5 0 0 k i n 以上的磁悬浮列 车；在工业领域，直线电机被用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的一 些机械设备中。直线电机除具有高速、大推j | 了的特点外，还具有低速、精细的 另一个特点，例如步进直线电动机，它的步距可达到1 9 m 的精度。因此，直 线电机又被应用到许多精密的仪器设备中，例如计算机的磁头驱动装置、照相 机快门、自动绘图仪、医疗仪器、航天航空仪器、各种自动化仪器设备等。除 此之外，直线电机还被用于各种民用装置中，如门、窗、桌、椅的移动，门 锁、电动窗帘的开闭等n 毛1 5 1 。 综上所述，直线电机可广泛应用于工业、民用、军事及其他各种直线运动 场合，采用直线电机驱动的装置和其它非直线电机驱动的装置相比，它具有以 下优点： 1 采用直线电机驱动的传动装置，它不需要任何转换装置而直接产生推 力，因此，它可以省去中间转换机构，简化整个装置或系统，保证了运行的可 靠性、传递效率提高、制造成本降低、易于维护。 2 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电 机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因 而它的直线速度可以不受到限制。 3 直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装置中，其运 4 哈尔滨理t 大学t 学硕j j 学位论文 动时可以无机械接触，使传动零部件不磨损，从而大大减少了机械磨损，例如 直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此。 4 旋转电机通过钢绳、纸条、传动带等转换机构转换成直线运动，这些转 换机构在运行中，其噪声是不可避免的，而直线电机是靠电磁推力驱动装置运 行的，故整个装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好。 5 由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密 封成整体，所以可以在一些特殊的场合中应用，例如可在潮湿的地方甚至水中 使用；可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用；亦可在几千度的高温下或 零下几百度的低温下使用。 6 由于直线电机结构简单，直线电机的散热效果比较好，特别是常用的扁 平型短初级直线电机，初级的铁心和绕组端部直接曝露在空气中，同时次级很 长，具有很大的散热面，热量很容易散发掉，所以这一类直线电机的热负荷可 以取得较高，并且不需要附加冷却装置。 然而直线电机也有也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面： 1 与同容量旋转电机相比，直线电机( 主要是感应式直线电机) 的效率和功 率因数较低，尤其在低速时这种现象比较明显。其原因主要是两个方面引起 的，一是直线电机的初次极气隙大，因此所需的磁化电流就较大，损耗增加； 二是由于直线电机初级铁心两端开断，产生了所谓的边端效应，从而引起波形 畸变等问题，其结果也导致损耗增加。但从整个装置或系统来看，由于采用直 线电机后可省去中间传动装置，因此系统的效率有时还是比采用旋转电机的 高。 2 直线电机特别是直线感应电机的启动推力受电源电压的影响比较大，故 需采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减少或消除这种影 响。 通过以上关于直线电机驱动直线运动装置所具有的优缺点的论述，我们可 以说，在所有直线运动的装置或系统中，是否采用直线电机驱动，这需要进行 综合考虑，在充分权衡了直线电机驱动与旋转电机驱动的利弊得失之后，才能 做出是否采用直线电机的决定。换句话说，直线电机在一些合适的直线运动装 置或系统中是很有前途的，也能发挥很大的作用“引。 1 3 2 直线电机的发展 直线电机的发展经历了漫长的历史，据有关文献介绍，最早可追溯到1 8 4 0 哈尔滨理t 大学t 学硕j j 学位论文 年惠斯特( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作的略具雏形但并不成功的直线电机。直 线电机的发展经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个时期。 1 探索实验时期( 1 8 4 0 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年，直线电机从概念到 实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。1 8 9 0 曾发明 了关于直线电机用在织布机上的专利，这也是有关直线电机最早的一个专利。 1 9 0 5 年，也有人曾提出用直线电机作为机车的推进机构的想法。但这两者都停 留在试验论证阶段。1 9 1 7 年出现了第一台圆筒型直线电动机，人们试图把它作 为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。在以后很长的一段时间内， 科研人员致力于将直线电机理论及各种设想模型予以证实的工作，即实验研究 工作，虽有少量的研究成果，但都未超出试验阶段。 从美国专利上看，二十世纪三、四十年代，直线电机进入实验研究阶段， 科研人员获取了大量的实验数据，从而对己有理论有了更深一层的认识，奠定 了直线电机在以后的应用基础。从1 9 4 0 1 9 5 5 年期间，世界一些发达国家的科 研人员、，又进行了一些实验应用工作，如直线电机牵引的飞机弹射器、电磁 泵、发射导弹器等。 2 开发应用期( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 二十世纪五十年代以来，科学技术水平的发 展带动了半导体技术和自动控制技术的飞速发展，新型控制元器件的不断出现 为直线电机的广泛应用打开了方便之门。人们的观念也发生了变化，认为直线 电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿，在不连续使用的情况 下，效率退居第二位，整个装置的简单和经济显示了直线电机的优越。人们观 念的改变更促进了直线电机的发展。英国莱斯维特但l a i t h w a i t e ) 教授等人在强 调直线电动机基础研究的情况下，取得了不少研究成果，1 9 5 6 年莱斯维特出版 了介绍直线电机的专著o n d u c t i o nm a c h i n e sf o rs p e c i a lp u r p o s e ) ) 。1 9 6 2 年， w e s t 和j a y a w a n t 设计了作为铁磁谐振器的单相直线电动机。到1 9 6 5 年以后， 随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出 来，例如采用直线电机的磁流体( m h d ) 泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置、 电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 3 实用商品时期( 1 9 7 1 年至今) 这一时期，直线电机进入了独立的应用时 代，世界各国出现了许多直线电机的产品，它们不仅广泛应用于工业生产中， 而且也逐步进入到人们的同常生活中。例如工件传送车、螺线管、单臂吊车、 电动门、窗帘机等。在运输方面，作为推进系统，已在许多国家实现了运输车 辆系统。同时，直线式的特种电机也在不断发展，广泛应用于自动绘图仪、扫 描式记录仪、直线式电位器等新的领域”7 1 。 6 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 1 3 3 中国直线电机的历史与发展 我国直线电机的研究和应用发展是从二十世纪七十年代开始的。七十年代 比较热，八十年代后期至今又有较大发展。现在国内已出现了一支直线电机的 开发、研究队伍，一些大专院校、科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的 基本理论和开发应用的研究。自从1 9 8 2 年开始，全国直线电机学术会议定期 召开，会上既有论文的交流，也有新成果的展现。 我国在直线电机的应用上也取得了可喜的成果，例如浙江大学的直线电机 窗帘机、直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁内热的炒茶机、上海 工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的自动门、西南交通大 学的磁悬浮列车等等，关于直线电机的应用，国内己有许多项专利；在理论研 究上，发表了不少文章，出版了一些书籍。我国直线电机研究虽然也取得了一 些成绩，但和国外相比，在推广应用方面尚存在很大差距引。 广阔的市场应用前景也迫切需要我国科研人员在直线电机的设计、优化和 控制方面做深入的研究。 1 4 直线电机抽油机的应用和发展概况 早期国内外有几种关于直线电机驱动抽油机这方面的专利报道： 法国e l f a q u i t i a n ep r o d u t i o nd e p t 申请了“直线电机驱动的电泵 的国际专 利；美国人莱委斯申请了“用直线电机驱动的井下抽油系统”的美国专利；美 国人尔欧斯申请了“有杆泵直接驱动设备”的美国专利；美国人欧尔森等人申 请了“井下马达驱动的井下泵装置和使用方法 的美国专利：法国人查暮斯等 申请了“用于直线运动抽油的常动力引擎”的专利；以及美国专利“一种用于井 下抽油的直流感应直线电机”。1 9 9 6 年我国孙平等人申请了“抽油机及抽油 方法”专利；1 9 9 7 年我国王莹等人申请了“电磁抽油机”专利。上述8 项专利 都提到采用直线电机抽油的方法。 2 0 0 0 年以后，国内的直线电磁抽油机的研究进入了一个蓬勃发展的阶段， 相关的报道也越来越多。 2 0 0 1 年8 月，华北石油大卡热能技术开发有限公司研制的直线电机抽油机 在华北油田分公司第一采油厂投入现场试验。这是国内外第一台应用于工业试 验的直线电机抽油机。 2 0 0 2 年9 月，华北油阳大卡热能技术开发公司开发研制成功的z x c y 系 哈尔滨理工人学t 学硕i j 学位论文 列直线电机抽油机通过河北省产品鉴定。由中国工程院院士顾心怿等认定，该 产品为国内外第一台应用于工业实践的直线电机抽油机，整体研究达到国际先 进水平。 2 0 0 3 年1 2 月，大港油田研发了以直线电机为动力的智能抽油机，获得了 抽油机平衡装置、直线电机驱动无游梁抽油机、直驱式天轮抽油机、直线电机 驱动抽油机的天轮装置等多项发明和实用新型专利，并通过了中国石油天然气 集团公司的技术鉴定“引。 2 0 0 6 年1 月6 日，由江汉石油机械厂与中国石油大学机电工程学院肖文生 博士为首的课题组共同承担完成的“直线电机抽油机的开发与应用”，通过国 家科技部进行的专项验收心叫。该直线电机抽油机悬点载荷最大已做到2 0 0 k n ， 电动机推力达到5 0 k n ，最大冲程己达到8 m ，只要其它工艺设备配套，冲程长 度可以赶上美国的2 4 4 m 。 另外国内的高校很多学者也对直线电机在抽油技术中的应用进行了研 究，制作了小比例模型以及工程样机。北京化工大学与青海正信公司开展合 作共同研发出z d c y j i 型直线电机驱动抽油机，该机已在油田进行了现场试 验，效果较为理想幢。 1 5 本文研究的主要内容 通过以上分析，证明了直线电机用于抽油机上的可行性，本课题内容是将 潜油式圆筒型永磁同步直线电动机应用于抽油机上，其具体工作如下： 1 对各种直线电机进行了分析，通过方案的对比最终选定了永磁同步直线 电机，并详细的介绍了同步直线电动机的基本原理，推导了永磁同步直线电动 机的数学模型，并利用m a t l a b l 7 s i m u l i n k 建立了同步直线电动机及其控制系统 的仿真模型，进行了同步直线电动机的稳态和暂态过程的仿真，验证了控制系 统的可行性和可靠性； 2 设计并制造抽油机用潜油式永磁同步直线电机的驱动控制电路，该系统 包括：以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的数据处理部分及其周边电路、i o 接口电 路、保护电路以及进行电能变换和产生p w m 输出的主电路； 3 研究抽油机用永磁同步直线电机的双闭环控制系统，通过位置传感器和 软件相结合的方法，来实现换向和分级调冲程； 4 根据抽油实际需要，初步研究抽油机在各种负面影响下的变化，并给出 了相应的解决方案。 8 哈尔滨理t 人学t 学顾i j 学位论文 第2 章直线电机抽油机控制系统基本理论 2 1 直线电机工作原理 2 1 1 直线电机基本结构 直线电机可认为是旋转电机在结构方面的一种演变幢引，相当于把一台旋转 电动机沿轴线方向剖开，然后将电机的圆周展开成直线。其结构如图2 - 1 所 不： l0o - 6 000o o0000 厂 墨几抑墨r _ 图2 - 1 直线电机结构示意图 f i g 2 - 1s t r u c t u r es k e t c ho fal i n e a rm o t o r 直线电机中的初级相当于旋转电机中的定子，次级相当于旋转电机转子。 一般情况下，初级和次级长度不相等，因为如果在运动开始时，初级和次级正 巧对齐，那么在运动中，初级和次级之间相互耦合的部分就会越来越少，电机 就不能正常运动。为了保证在所需的行进范围内初级与次级之间的耦合能保持 不变，在实际应用时，往往将初级和次级制造成不相等的长度。从制造成本和 运行费用考虑，直线电机一般采用短初级长次级的结构。 本课题所研究的抽油机用直线电机是永磁同步圆筒型直线电机，它从传统 的永磁同步旋转电机演变的过程如图2 2 所示。 图2 2 旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程 f i g 2 - 2s t r u c t u r es k e t c ho fal i n e a rm o t o r 9 哈尔滨理t 人学t 学硕- j ：学位论文 a ) 表示一台旋转电机以及由定子绕组所构成的磁场极性情况；b ) 表示转变 成扁平型直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况，c ) 表示扁平直线 电机沿着直线运动垂直的方向卷接成简状，即圆筒型直线电机。 2 1 2 直线电机的工作原理 直线电机工作原理如图2 3 所示，在直线电机初级的三相绕组中通入三相 对称正弦电流后，产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边 端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，可看成沿轴线展开的 直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，两者的差异是：直线电机绕组 通电后所产生的气隙磁场是平移的，而不是旋转的，因此称之为行波磁场。永 磁体的励磁磁场与行波磁场相互作用产生电磁推力。在这个电磁推力的作用 下，如果初级固定不动，那么次级将顺着行波磁场运动的方向作直线运动。 旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。这是因为三相 绕组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转向跟着反过来。同 样，直线电机对换任意两相的电源线后，运动方向也会反过来，根据这一原 理，可使直线电机做往复直线运动。 1 、初级2 、次级3 、行波磁场 图2 3 直线电机的基本工作原理图 f i g 2 - 3b a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h el i n e a rm o t o r 2 2 抽油机用直线电机方案的比较 直线电机种类主要有感应式直线电机和永磁式直线电机。两种电机相比， 感应电机属于电励磁，它的能量密度要比永磁体要低得多1 2 3 _ 引，因此感应式电 机体积和重量要比永磁电机大，性能也要比永磁直线电机差些，而价格实际上 差不多，因为永磁体要比铁和硅钢片贵。所以这里选用选取永磁直线电机。 永磁直线电机可以采用动磁钢结构和动线圈结构两种，通常有单边、双 1 0 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论文 边、多边，圆筒等结构。对于直线电机来说，其铁心不像旋转电机具有闭合圆 环的形状，而是长直的、两端开断的铁心。由于铁心以及安置在其槽中的绕组 在两端不连续，所以各相之间的互感就不相等，即使在初级绕组中供给三相对 称的交流电压，在各相绕组中也将产生不对称的电流。利用对称分量法可以把 它们分解成正序、负序和零序电流。对应这三种电流将有三类磁场，即正序正 向行波磁场、负序负向行波磁场和零序脉振磁场。后两种磁场的存在使得直线 电机存在着边端效应。为了减少边端效应的影响，以及方便在油井上直线电机 的安装，我们在这里选取圆筒型结构的永磁同步直线电机。这种结构可以使永 磁体产生的单边磁拉力近似抵消。 现在一些研究机构所设计的直线电机抽油机采用地面高台搭建的模式，如 图2 4 所示幢别。此种结构虽然将直线电机成功的应用与抽油机上，但是依然有 中间传动机构的存在，这样也会对抽油效率有一定的影响。 l 、控制柜；2 、直线电机；3 、r 铂巫物；4 、滚轮；5 、横梁 6 、机架；7 、钢丝绳：8 、悬绳器：9 、光杆：1 0 、电源线 图2 _ 4 直线电磁采油系统结构示意图 f i g 2 - 4s t r u c t u r es k e t c ho fal i n e a rm o t o rf o rp u m p i n go i l 本课题在分析以上各种因素后，选取了潜油电泵的工作方式：将直线电机 抽油泵放置于油井深处，省去了中间的传动部分，直接利用电能产生举升力进 行抽油。 2 3 永磁直线抽油机结构及其原理 本文所述直线电机抽油机是圆筒型结构的永磁同步直线电机，且为潜油电 机模式。即和潜油电泵类似，将此直线电机放置于油井深处，将石油输送到地 哈尔滨理t 人学t 学硕j ：学位论文 面。其电机本体结构图如2 5 所示。初级为定子，采用饼式绕组在初级圆筒中 缠绕；次级为动子，且为中空形式，外部由永磁环和导磁材料环组成。 当三相绕组中通过交流电时，产生的行波磁场与永磁材料的动子产生相对 运动，并通过改变任意两相交流电电源的相序来实现抽油机的上下往复运动。 通过不断的往复运动使油柱持续上升，然后在地面对油液进行收集。 图2 - 5 直线电机抽油机结构 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo ft h el i n e a rp u m p i n gm o t o r 2 4 永磁同步直线电机的数学模型 永磁同步直线电机的数学模型与永磁同步旋转电机的数学模型基本相同， 在推导中同样做了如下的假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和的影响； ( 2 ) 不计涡流损耗和磁滞损耗； ( 3 ) 动子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 反电动势是正弦的。 同步电机直线运动与旋转运动一样，采用统一的空间坐标矢量表示。空间 坐标系如图2 - 6 所示。 1 2 曰 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 g 图2 - 6 坐标系之间的关系 f i g 2 6r e l a t i o no fc o o r d i n a t e ss y s t e m a b c 坐标系与d q o 坐标系仍然保持派克( p a r k ) 关系，其变换矩阵为 口。三 3 c o s a c o s ( 口一言丌) 咖n ( o - 扣 11 22 相应的逆变换矩阵称为p a r k 逆变换 口； c o s 0 c o 咿) 叫臼+ 扣 酬口+ 争 s i n c 口+ 争 1 2o s i n 01 咖( o - 扣1 凼m 扣1 式中：0 = t o t ，为电角度。 直线电机在d q o 坐标系中的电压方程为 = 警一詈哪，嘲 铲警+ 詈缈一 = 警嘲 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：妒。、妒。、妒。为初级绕组在d q o 坐标系中的磁链分量；v 为直线电机速 度；f 为极距；几为初级电枢电阻。 直线电机的磁链方程为 1 3 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 隧w ， ( 2 - 4 ) 式中： f ，为永磁体动子磁链；厶和岛分别为动子电枢d 轴和q 轴电感分量。 直线电机的机械运动方程为 m d i v ；f 。一巧一鼠1 ， ( 2 5 ) “l 式中：m 为动子质量；尼为电磁推力；f t 为负载阻力；风为机械阻尼系数。 其中电磁推力尼计算公式如下 2 一 c = 兰p ( 1 f ，d 岛一妒，) ( 2 - 6 ) 式中：p 为极对数。 由( 2 - 4 ) 与( 2 - 6 ) 得n - c = 等p 劬，+ ( 厶一厶) 乞) 直线电机的直线运动速度为 = h 式中：r 为极距；厂为频率。 直线电机的直线运动位移为 x v t 选用定子电流、小厶，速度v 及位移x 为状态变量，由电压方程、 运动方程和位移方程共同组成了直线电机的数学模型： l d - 刎- d ；。毗+ 詈哪。吨 厶鲁= 一詈哪d 吨 厶鲁副。嘶 m 警= c 一巧却 d x = v t i t 1 4 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 机械 ( 2 - 1 0 ) 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 2 5 永磁同步直线电机的控制策略 由式( 2 - 8 ) 中可以看出，三相永磁同步直线电机具有强耦合、多变量、非线 性的特性乜6 2 引。为了获得较好的调速控制性能，需要采用复杂的控制算法。虽 然当今已经提出了各种控制策略与智能控制策略，且都有很好的发展前景，但 是基于目前技术水平限制、以及工业应用的实际状况，本文采用了基于磁场定 向的矢量控制方式。 2 5 1 矢量控制的基本原理 矢量控制理论的提出从根本上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。 基本思想是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标 上，将定子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量哳和产生转矩的转矩电流 分量f 7 ，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现转矩控 制。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制。由于定 子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空 间以同步转速旋转，因此，需要借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系变 换到同步旋转坐标系，在同步旋转坐标系上，各物理量都变成直流量，根据转 矩与定子电流矢量各分量的关系，计算转矩控制所需的被控矢量的各分量值。 由于各直流量是假想的，实际上不存在，还必须经过坐标逆变换，从旋转坐标 系回到静止坐标系，把所得直流给定量变换为交流给定量【2 引。 2 5 2 矢量控制的坐标变换 矢量控制中所用的坐标系有静止坐标系和旋转坐标系。静止坐标系有三相 定子坐标系( a b c 轴系) 、两相定子坐标系( a - b 轴系) 。旋转坐标系为转子坐标系 ( d q o 轴系) ，各坐标系间的关系如图2 - 6 所示。 根据各坐标矢量间的关系，得到下列各变换矩阵如下。 1 a b c 坐标系到a b 坐标系变换，又称为c l a r k e 变换： 讣 1一!一1 22 o 鱼一鱼 22 ( 2 - 1 1 ) 哈尔滨理t 人学丁学硕l j 学位论文 对于三相绕组不带零线的星形接法，电流间平衡关系为乞+ 毛+ = 0 ，即 之= 一乞一，代入( 2 1 1 ) 简化为a b 坐标系到a b 坐标系变换： 阶信 三 o 3 以 压 了j ( 2 - 1 2 ) 2 静止坐标系a - b 到旋转坐标系d - q 之i 司的变换，称为p a r k 变换： 乏 5 卜c s o i s n o 日s i n s o p 。 乏c 2 - 1 3 ， 3 旋转坐标系d - q 到静止坐标系a b 之间的变换，称为p a r k 逆变换： 乏】2 卜c s o ；s n o 口- s i s n 臼o 芝】 c 2 - 1 4 ， 变换中使用的系数亏是遵循电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小 相等、方向相同，电机模型变换前后功率保持不变这两个基本原则而确定。 2 5 3 转子磁链定向控制 由矢量控制理论可知，为了较好的控制同步电机，在不同的场合，可以选 择不同的磁链矢量作为定向坐标轴，目前存在气隙磁链定向、转子磁链定向、 定子磁链定向和阻尼磁链定向四种磁场定向控制方式。在永磁同步电机中，由 于转子磁链恒定不变，故采用动子磁链定向方式来进行控制幢引。由于永磁同步 直线电机与永磁同步旋转电机的原理相同，在此我们首先讨论旋转同步电机的 转子磁链定向控制。 所谓转子磁链定向控制，就是把定向坐标系的m 轴定向在转子磁链矢量 妒，上，并与它同步旋转，t 轴逆时针超前m 轴9 0 。电角度，即m 轴与转子的 几何轴线d 轴重合，t 轴和q 轴重合。由于m t 轴系和d - q 轴系重合，m t 轴系的同步电动机数学模型实际上也是d - q 轴系上的数学模型，把矢量在d 、 q 轴上分解，并考虑到转子磁链定向，可以得到电磁转矩方程： 气气 瓦；三p ( 缈d 一妒。) = 吾p ( 矽，+ ( 厶一厶) 屯) ( 2 - 1 5 ) 1 6 哈尔滨理下人学丁学硕i ：学位论文 式中：p 为电动机的极对数；妒j 、妒。为初级绕组在d - q 坐标系中的磁链分量； l f ，r 为转子的磁链；l d 和厶分别表示转子电枢d 轴和q 轴电感分量。 由式( 2 1 5 ) 可以看出，永磁同步电动机输出转矩中含有两个分量，第一项 是永磁转矩，第二项是由转子不对称造成的磁阻转矩。当访0 时，定子电流只 有交轴分量，故电磁转矩中只有永磁转矩分量，电动机的转矩方程变为 1 z = 三御f l q ( 2 1 0 )。2 = 御u 二 由式( 2 7 ) 可知，若i u = o ，则永磁同步直线电机推力方程变为 气” c = 御r ( 2 1 7 ) 瓜 通过以上分析，可知二者可以采用同样的控制方法。只要能准确地检测出 动子空间位置( d 轴) ，通过