CN102052974B

CN102052974B - 基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置及其监测方法

Info

Publication number: CN102052974B
Application number: CN2010105494298A
Authority: CN
Inventors: 王立国; 徐殿国; 夏禹; 郝宏海; 张凤娜; 任翔; 李邻春; 吕琳琳
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: CN102052974A

Abstract

基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置及其监测方法。它涉及无传感器温度测量技术。现有的潜油电机无传感器温度监测装置的基础上为了进一步解决2km-3km油井中潜油电机的温度实时监测的问题。在三相电源与电机连线中一相上串联有采样电阻，采样电阻并联采样电阻电压互感器和场效晶体管，所述的三相电源与电机连线中一相上有电流互感器；控制电路通过场效晶体管驱动器控制场效晶体管的开关，并实时通过电流互感器和采样电阻电压互感器采集定子相电流和采样电阻电压通过信号调理电路发送回控制电路，控制电路计算直流分量I_as.dc和V_sw.dc；然后计算电机定子温度：

为最终得到的监测温度。本发明为应用在潜油电机实时温度监测中的无传感器监测技术。

Description

基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种工作于地下2km-3km油井中潜油电机的无传感器温度测量技术。

背景技术

潜油电机无传感器温度监测装置可满足各大油田开采后期，由于深度采油带来的高温、高压负面效应对潜油电机工作状态的影响，克服现有潜油电机测温装置成本过高或性能受限的不足，实时监测地下2km-3km油井中潜油电机的温度，保证潜油电泵机组运行在良好的工况下，显著降低油井的检泵周期，大幅度提高油田的工作效率，带来显著的经济效益。

为获取潜油电机温度信息，最直接的方法是在电机上安装温度传感器，但由于油井独特的高温高压特点，温度传感器的安装、信号传递等问题均制约着其在油井中的应用。进口的多元测试仪因其成本限制难以普及，现有的潜油电机测温装置使用条件又受到诸多限制，因此根据在地面上易于测量潜油电机定子电压、电流信号进行无传感器温度监测。

电机无传感器参数测量的主要思想在于电机参数信号的获取是通过对电机电压、电流信号的检测以及相应计算来实现的。目前国内外关于无传感器电机参数检测方法主要有动态转速估计器参考自适应法、PI调节器自适应法、扩展卡尔曼滤波算法、基于神经网络的自适应转速辩识方法及高频注入法等。但上述方法多限于地面工作电机的参数监测。

发明内容

本发明在现有的潜油电机无传感器温度监测装置的基础上为了进一步解决2km-3km油井中潜油电机的温度实时监测的问题，而提出了基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置及其监测方法。

本发明的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置包括采样电阻R_ext、场效晶体管MOSFET、场效晶体管驱动器、采样电阻电压互感器PT1、潜油电机定子相电流互感器CT、信号调理电路和控制电路；在三相电源与电机连线中一相上串联有采样电阻R_ext，并且采样电阻R_ext的两端并联有采样电阻电压互感器PT1和场效晶体管MOSFET，所述的三相电源与电机连线中一相上还设置有电流互感器CT，电流互感器CT的电流信号输出端和采样电阻电压互感器PT1的电压信号输出端分别连接信号调理电路的电流信号输入端和电压信号输入端，信号调理电路的调理信号输出端连接控制电路的调理信号输入端，控制电路的场效晶体管MOSFET信号输出端连接场效晶体管驱动器的控制信号输入端，场效晶体管驱动器的控制信号输出端连接场效晶体管MOSFET的受控端。

本发明的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测方法为：控制电路通过场效晶体管驱动器控制场效晶体管MOSFET的开关，并实时通过潜油电机定子相电流互感器CT和采样电阻电压互感器PT1采集定子相电流和采样电阻R_ext两端电压通过信号调理电路发送回控制电路，控制电路再用傅立叶公式计算出它们的直流分量I_as.dc和V_sw.dc；然后控制电路根据得到的直流分量I_as.dc和V_sw.dc计算电机定子温度：

R_{s} = - \frac{2 \cdot V_{sw . dc}}{3 \cdot I_{as . dc}}

{\hat{T}}_{s} = T_{s 0} + (R_{s} - R_{s 0}) / α R_{s 0}

式中，T_s0为基准温度，R_s0为基准温度对应的阻值，α为温度系数，R_s为估计的定子电阻，

为估计的定子温度，即为最终得到的监测温度。

根据工作于地下2km-3km油井中潜油电机密封与绝缘材料对高温、过压的特殊要求，本发明旨在提供一种根据地面采样得到的电机电压、电流参数来实时监测地下2km-3km深处潜油电机温度的软测量技术，弥补进口多元测试仪价格昂贵、现有温度监测方法多限于地面电机的不足，基于DIM(DC Inject Method)思想，提供一种温度监测效果好、精度高、可以实现潜油电机实时温度监测的无传感器监测技术。

基于直流注入的潜油电机无传感器温度监测装置，由控制电路(DSP2812)、信号调理电路(AD623)和场效晶体管驱动器，通过潜油电机定子相电流互感器CT与采样电阻电压互感器PT1在地面采集工作于地下2km-3km深处潜油电机的定子电流与定子电压，通过控制电路的控制算法分析，实现对潜油电机温度的无传感器参数监测；采样频率大于5kHz，控制电路响应时间小于20ms，可实现潜油电机温度的实时监测，并在过温时及时降速以至停机保护。本发明基于我国各大油田开采后期深度采油对潜油电机高温负面响应的影响，结合无传感器温度监测技术监测精度高、成本较低的优势，通过高精度无传感器温度监测算法开发，实现潜油电机温度的实时在线监测；相对于多元测试仪等现有测温装置无需在电机本体安装附加设备，具有极大的性能与成本优势。通过控制场效晶体管MOSFET的通断等效成向潜油电机中注入一个电流分量，可在确保电机电磁转矩脉动在误差允许范围内的前提下，实现高精度温度监测，显著节约生产成本、大大提高油田的生产效率。控制电路、交流接触器和变频器闭环拓扑控制结构，使得潜油电机具有良好的温度在线监测及自动温度调控功能，尤其是在温度高于140℃时，自动关断潜油电机进行降温保护。

本发明的难点在于通过电压、电流信号的检测及控制电路的算法，实现对工作于地下2km-3km油井中潜油电机的温度实时监测。潜油电机的无传感器温度监测技术具有低成本、高可靠性特点，可在一定程度上取代进口的多元测试仪等油井温度测量装置，通过高精度硬件电路设计及温度监测算法开发，可在潜油电机矢量控制中精确地监测定子或转子中磁通量的大小与方向，实现潜油电机的高精度无传感器温度监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是12kW潜油电机直流注入模式下定子电流波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式为基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，它包括采样电阻R_ext、场效晶体管MOSFET、场效晶体管驱动器1、采样电阻电压互感器PT1、潜油电机定子相电流互感器CT、信号调理电路2和控制电路3；在三相电源与电机连线中一相上串联有采样电阻R_ext，并且采样电阻R_ext的两端并联有采样电阻电压互感器PT1和场效晶体管MOSFET，所述的三相电源与电机连线中一相上还设置有电流互感器CT，电流互感器CT的电流信号输出端和采样电阻电压互感器PT1的电压信号输出端分别连接信号调理电路2的电流信号输入端和电压信号输入端，信号调理电路2的调理信号输出端连接控制电路3的调理信号输入端，控制电路3的场效晶体管MOSFET信号输出端连接场效晶体管驱动器1的控制信号输入端，场效晶体管驱动器1的控制信号输出端连接场效晶体管MOSFET的受控端。

控制电路3为选用TMS320LF2407型DSP。它具有丰富的外设和较高的运算速度，便于电机的实时检测和控制，其作用为通过检测到的电压电流信号控制MOSFET的通断。

信号调理电路2，用于信号滤波、放大和抬升，由于DSP的AD转换器只能接受3.3V正电压，信号调理电路2将采样电阻电压互感器PT1的信号转换成DSP可接受的0～3.3V电压信号，进入DSP的AD输入口，经过AD转换后，用于计算定子电阻；另外潜油电机定子相电流互感器CT的定子电流，用于边沿触发给MOSFET驱动发送信号。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于还包括电机输入电压互感器PT2，用于测量电机输入的线电压，电机输入电压互感器PT2串联在所述的三相电源与电机连线中一相的电机输入端。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于还包括液晶显示电路5，控制电路3的数据信号输出端连接液晶显示电路5的数据信号输入端。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。用于将潜油电机直流注入模式下监测到的定子电流波形图显示出来，以更为直观的形式予以表现。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于还包括热敏电阻R和惠斯登电桥4，热敏电阻R设置在电机定子中，热敏电阻R的输出端连接惠斯登电桥4的输入端，惠斯登电桥4的输出端连接控制电路3的差压信号输入端。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。热敏电阻R作为惠斯登电桥4某一桥臂，当潜油电机温度升高时，热敏电阻R阻值发生变化时，惠斯登电桥4发出差压信号给控制电路3，控制电路3根据出差压信号计算潜油电机温度，这是实测温度。热敏电阻R和惠斯登电桥4电路只在地面实验中应用，当潜油电机到井下工作时，热敏电阻R和惠斯登电桥4拆除。热敏电阻R和惠斯登电桥4起到在工作前校验的作用。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或四不同点在于还包括第一继电器k1、第二继电器k2和电机电阻升温在线测试仪6，控制电路3的第一继电器控制信号输出端连接第一继电器k1的电磁线圈，第一继电器k1的常开触点与第二继电器k2的供电电源闭触点串联后与第二继电器k2的供电电源常开触点并联，第二继电器k2的供电电源常开触点再与第二继电器k2的电磁线圈串联在电源上，第二继电器k2的被控常开触点设置在三相电源与电机电阻升温在线测试仪6连线上，第二继电器k2的被控常闭触点设置在三相电源与电机连线上，电机电阻升温在线测试仪6的控制信号输出端连接工控机系统7的第一输入端，工控机系统7的第二输入端连接控制电路3的控制信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式一或四相同。电机电阻升温在线测试仪6，用来验证监测出的潜油电机温度，仅作为校验用。控制电路3发出信号控制第一继电器k1为第二继电器k2供电，第二继电器k2被控常开触点与被控常闭触点动作，潜油电机由工频供电转移到变频供电，通过降低转速降低自身发热量，由液晶显示实现。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于场效晶体管MOSFET选用额定电流大于160A、额定电压小于100V的MOSFET。而选用此场效晶体管MOSFET是考虑到潜油电机启动电流较大，正常工作时MOSFET两端压降较小。推导潜油电机的直流偏移量、测量精度、功率损耗和电磁转矩脉动间的关系，设定采样电阻R的阻值小于0.5Ω。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测方法，直流注入法需要在供电电源与电机某一相间接入场效晶体管MOSFET与采样电阻R_ext并联电路。它有直流注入模式(DC injection mode)和无直流注入的正常模式(Normal mode)两种工作模式。采样电阻电压互感器PT1和潜油电机定子相电流互感器CT在控制回路中得到0～3.3V的采样电压与采样电流后，控制电路3对采样电压与采样电流进行检测，根据电流的边沿控制场效晶体管MOSFET的通断，以便获取等效定子电流注入直流量。当i_as＞0时，控制电路3发出-15V驱动信号通过场效晶体管驱动器1关断场效晶体管MOSFET，电流通过采样电阻R_ext流入电机；当i_as＜0时，控制电路3发出12V驱动信号通过场效晶体管驱动器1开通场效晶体管MOSFET，由于场效晶体管MOSFET是双向导通，并且导通电阻非常小，所以电流基本都流过场效晶体管MOSFET，相当于把采样电阻R_ext短路。此过程等效于间歇地向定子一相串入一个采样电阻R_ext，导致电机三相不对称，不对称的电阻产生不对称的压降，等效于注入电机一个直流分量成分。

具体监测方法为：

控制电路3通过场效晶体管驱动器1控制场效晶体管MOSFET的开关，并实时通过潜油电机定子相电流互感器CT和采样电阻电压互感器PT1采集定子相电流和采样电阻R_ext两端电压通过信号调理电路2发送回控制电路3，控制电路3再用傅立叶公式计算出它们的直流分量I_as.dc和V_sw.dc；然后控制电路3根据得到的直流分量I_as.dc和V_sw.dc计算电机定子温度：

R_{s} = - \frac{2 \cdot V_{sw . dc}}{3 \cdot I_{as . dc}}

{\hat{T}}_{s} = T_{s 0} + (R_{s} - R_{s 0}) / α R_{s 0}

式中，T_s0为基准温度，R_s0为基准温度对应的阻值，α为温度系数，R_s为估计的定子电阻，设

为估计的定子温度，即为最终得到的监测温度。

通过比较实测温度T_s与监测温度的趋势，可对实验方案进行验证，验证所提技术的正确性，其中实测温度T_s源于电机电阻升温在线测试仪6及热敏电阻R和惠斯登电桥4测试温度。分析潜油电机定子电阻的温度系数与其阻值变化的关系，计算表明，12kW潜油电机温度从常温升高到100℃时，定子电阻变化为0.15Ω，温度监测精度小于±10℃。所得监测温度

由控制电路3送到液晶显示电路5显示。控制电路3根据监测温度作出决策，决定潜油电机是否需要变频降速或停机降温。若使潜油电机降速以至停止，从而达到降温的目的，因此可大大提高潜油电机的使用寿命。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims

1.基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，其特征在于它包括采样电阻R_ext、场效晶体管MOSFET、场效晶体管驱动器(1)、采样电阻电压互感器PT1、潜油电机定子相电流互感器CT、信号调理电路(2)和控制电路(3)；在三相电源与电机连线中一相上串联有采样电阻R_ext，并且采样电阻R_ext的两端并联有采样电阻电压互感器PT1和场效晶体管MOSFET，所述的三相电源与电机连线中一相上还设置有电流互感器CT，电流互感器CT的电流信号输出端和采样电阻电压互感器PT1的电压信号输出端分别连接信号调理电路(2)的电流信号输入端和电压信号输入端，信号调理电路(2)的调理信号输出端连接控制电路(3)的调理信号输入端，控制电路(3)的场效晶体管MOSFET信号输出端连接场效晶体管驱动器(1)的控制信号输入端，场效晶体管驱动器(1)的控制信号输出端连接场效晶体管MOSFET的受控端。

2.根据权利要求1所述的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，其特征在于还包括电机输入电压互感器PT2，电机输入电压互感器PT2串联在所述的三相电源与电机连线中一相的电机输入端。

3.根据权利要求1或2所述的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，其特征在于还包括液晶显示电路(5)，控制电路(3)的数据信号输出端连接液晶显示电路(5)的数据信号输入端。

4.根据权利要求3所述的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，其特征在于还包括热敏电阻R和惠斯登电桥(4)，热敏电阻R设置在电机定子中，热敏电阻R的输出端连接惠斯登电桥(4)的输入端，惠斯登电桥(4)的输出端连接控制电路(3)的差压信号输入端。

5.根据权利要求1或4所述的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，其特征在于还包括第一继电器k1、第二继电器k2和电机电阻升温在线测试仪6，控制电路(3)的第一继电器控制信号输出端连接第一继电器k1的电磁线圈，第一继电器k1的常开触点与第二继电器k2的供电电源闭触点串联后与第二继电器k2的供电电源常开触点并联，第二继电器k2的供电电源常开触点再与第二继电器k2的电磁线圈串联在电源上，第二继电器k2的被控常开触点设置在三相电源与电机电阻升温在线测试仪(6)连线上，第二继电器k2的被控常闭触点设置在三相电源与电机连线上，电机电阻升温在线测试仪(6)的控制信号输出端连接工控机系统7的第一输入端，工控机系统7的第二输入端连接控制电路(3)的控制信号输出端。

6.根据权利要求5所述的基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测装置，其特征在于控制电路(3)为选用TMS320LF2407型DSP。

7.基于直流注入思想的潜油电机无传感器温度在线监测方法，其特征在于它具体步骤如下：控制电路(3)通过场效晶体管驱动器(1)控制场效晶体管MOSFET的开关，并实时通过潜油电机定子相电流互感器CT和采样电阻电压互感器PT1采集定子相电流和采样电阻R_ext两端电压通过信号调理电路(2)发送回控制电路(3)，控制电路(3)再用傅立叶公式计算出它们的直流分量I_as.dc和V_sw.dc；然后控制电路(3)根据得到的直流分量I_as.dc和V_sw.dc计算电机定子温度：

R_{s} = - \frac{2 \cdot V_{sw . dc}}{3 \cdot I_{as . dc}}

{\hat{T}}_{s} = T_{s 0} + (R_{s} - R_{s 0}) / α R_{s 0}

为估计的定子温度，即为最终得到的监测温度。