CN103840721A - 潜油螺杆泵伺服驱动系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
潜油螺杆泵伺服驱动系统及其驱动方法，涉及潜油螺杆泵伺服驱动领域。解决了伺服驱动系统中驱动器输出电压变化率高，导致电机的绝缘和轴承损坏，同时驱动方法大多采用编码器反馈检测信号的方法，存在信号延迟和易受干扰的缺陷，导致电机运行不稳定的问题。伺服驱动器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端通过电机动力电缆与伺服永磁同步电机的输入端连接，输出滤波器中的第一电感与第四电感串联在第一相导线中，第二电感、第五电感和补偿电感串联在第二相导线中，第三电感与第六电感串联在第三相导线中。本发明适用于潜油螺杆泵伺服驱动。
Description
技术领域
本发明涉及潜油螺杆泵伺服驱动领域。
背景技术
交流电机的速度和为该电机供电的电压的频率成正比，而电机的反电势，即电机的电压和速度成正比。要达到电机速度连续可调，需要一个频率和幅值都连续可变的交流电压。对常规的交流电机伺服驱动系统，如图2，其电机动力电缆一般不会超过30m，输出电压dv/dt不是问题，而本驱动系统的电机动力电缆可达2000m，是常规系统的60多倍。当动力电缆的长度超过一定的值，以及通过电缆传输的电压和电流快速变化时，电缆的电气参数，如电阻、电容、电感等，不能如常规按集中参数处理，而是分布参数，电缆传输的电量，电压和电流也必须按传输线理论来处理，电压和电流不仅仅是时间的函数，同时也是位置的函数，它们沿电缆长度的方向是一种传输波。因此，需要对采用脉宽调制技术产生的电压通过长动力电缆而可能出现的问题进行分析。
电压变化率dv/dt很高时，电压波沿电缆长度的方向传输，当电压波到达分布参数变化的位置，如电机的接线盒，会产生折射和反射，这种反射会在电机绕组产生高达驱动器输出电压三倍的电压，使电压变化率dv/dt更高，从而在各相绕组之间以及相绕组和机壳之间的寄生电容流过高频电流，这种高电压和高频电流会引起电机的绝缘和轴承损坏。
由于潜油螺杆泵系统的特殊应用环境，决定了动力电缆采用扁平状设计。由于扁平动力电缆的几何不对称其三相电感也是不对称的，即动力电缆中间相的电感值和其它两相的不一样大，且长度越长，电感的差别越大。伺服驱动器通过电力电缆传输交流电压给伺服永磁同步电机。当其长度超过一定的值时，这种动力电缆电感的不对称会严重影响电机的控制，，尤其对确定电机N极角度的精度的影响更为严重，而电机N极角度的正确与否直接关系到电机的平稳和可靠起动。
交流电机的控制很复杂，交流电机有三相绕组，从三相电流中无法区分励磁电流和力矩电流，不像直流电机励磁电流和力矩电流可分别控制。现有交流电机驱动方法大多是采用编码器反馈，同步机转子的位置可通过编码器测得，如图3所示，转子磁极N极的方向就是前述的d-电流方向，转子电角度位移90°为q-电流方向。若使用编码器，其检测信号反馈至地面控制器，存在着延迟，无法实现准确的反馈，尤其信号多为弱电传输，易受干扰。
发明内容
本发明为了解决现有电机伺服驱动系统中由于驱动器输出电压变化率高，导致电机的绝缘和轴承损坏的问题，同时由于现有交流电机驱动方法大多采用编码器反馈检测信号的方法，存在信号延迟和易受干扰的缺陷，导致电机运行不稳定的问题，提出了潜油螺杆泵伺服驱动系统及其驱动方法。
潜油螺杆泵伺服驱动系统包括伺服驱动器、伺服永磁同步电机和输出滤波器，所述伺服驱动器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端通过电机动力电缆与伺服永磁同步电机的输入端连接，所述输出滤波器包括共模电感、三相电感和补偿电感，所述共模电感包括第一电感、第二电感和第三电感，三相电感包括第四电感、第五电感和第六电感，所述第一电感与第四电感串联在第一相导线中，第二电感、第五电感和补偿电感串联在第二相导线中，第三电感与第六电感串联在第三相导线中。
所述伺服驱动器包括电源、一号功率开关、二号功率开关、三号功率开关、四号功率开关、五号功率开关和六号功率开关，所述一号功率开关、二号功率开关、三号功率开关、四号功率开关、五号功率开关和六号功率开关的电路结构相同，一号功率开关包括二极管和三极管，二极管的阴极与三极管的集电极连接，二极管的阳极与三极管的发射极连接，电源的正极同时与二号功率开关的三极管的发射极、四号功率开关的三极管的发射极和六号功率开关的三极管的发射极连接，电源的负极同时与一号功率开关的三极管的集电极、三号功率开关的三极管的集电极和五号功率开关的三极管的集电极连接，一号功率开关的三极管的发射极同时与二号功率开关的三极管的集电极和输出滤波器的第一信号输入端连接，三号功率开关的三极管的发射极同时与四号功率开关的三极管的集电极和输出滤波器的第二信号输入端连接，五号功率开关的三极管的发射极同时与六号功率开关的三极管的集电极和输出滤波器的第三信号输入端连接。
所述伺服驱动器还包括信号处理器，所述信号处理器的第一脉宽调制信号输出端与一号功率开关的三极管的基极连接，信号处理器的第二脉宽调制信号输出端与二号功率开关的三极管的基极连接，信号处理器的第三脉宽调制信号输出端与三号功率开关的三极管的基极连接，信号处理器的第四脉宽调制信号输出端与四号功率开关的三极管的基极连接，信号处理器的第五脉宽调制信号输出端与五号功率开关的三极管的基极连接，信号处理器的第六脉宽调制信号输出端与六号功率开关的三极管的基极连接。
所述信号处理器还用于检测电机电流。
潜油螺杆泵伺服驱动系统的驱动方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、信号处理器产生六路脉宽调制信号，分别控制一号功率开关、二号功率开关、三号功率开关、四号功率开关、五号功率开关和六号功率开关的通断，对伺服永磁同步电机进行电压高频注入；
步骤二、信号处理器检测伺服永磁同步电机的电流，根据伺服永磁同步电机的电压和电流获得S-N极的位置，即磁通初始角度；
步骤三、分别在d-轴的正方向和反方向注入电压脉冲，确定N极的角度，即d-轴的正方向；
步骤四、获得了磁通初始角度和d-轴的正方向后，信号处理器采用无编码器矢量控制方法启动运行伺服永磁同步电机。
有益效果：本发明所述的伺服驱动器放置在地面，伺服永磁同步电机放置在深度上百米甚至几千米的井下，伺服驱动器通过电缆为伺服永磁同步电机提供动力。输出滤波器能够抑制对地电流，在一定范围内限制对地漏电流，以确保伺服驱动器的正常工作，避免电磁干扰和伺服永磁同步电机的轴承的损坏；同时能够抑制电压、电流在变频器和电机间的反射，避免电机过电压引起的电机绝缘损坏，进而能够有效地解决由于驱动器输出电压变化率高，导致电机的绝缘和轴承损坏的问题；补偿由于动力电缆几何不对称而引起的系统中三相电感的不对称，从而消除电感不对称对电机控制的影响
附图说明
图1为具体实施方式一所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的结构示意图；
图2为常规交流电机伺服驱动系统的结构示意图；
图3为同步电机转子和磁通初始角度的示意图；
图4为具体实施方式六所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的驱动方法的流程图；
图5为具体实施方式一所述的输出滤波器2的电气原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统包括伺服驱动器1和伺服永磁同步电机3，它还包括输出滤波器2，所述伺服驱动器1的输出端与输出滤波器2的输入端连接，输出滤波器2的输出端通过电机动力电缆与伺服永磁同步电机3的输入端连接，所述输出滤波器2包括共模电感2-1、三相电感2-2和补偿电感L0，所述共模电感2-1包括第一电感L11、第二电感L12和第三电感L12，三相电感2-2包括第四电感L21、第五电感L22和第六电感L23，所述第一电感L11与第四电感L21串联在第一相导线中，第二电感L12、第五电感L22和补偿电感L0串联在第二相导线中，第三电感L12与第六电感L23串联在第三相导线中。
本实施方式中，伺服驱动器1放置在地面，伺服永磁同步电机3放置在深度上百米甚至几千米的井下，伺服驱动器1通过电缆为伺服永磁同步电机3提供动力。
本实施方式所述的输出滤波器2能够抑制对地电流，在一定范围内限制对地漏电流，以确保伺服驱动器的正常工作，避免电磁干扰和伺服永磁同步电机的轴承的损坏；同时能够抑制电压、电流在变频器和电机间的反射，避免电机过电压引起的电机绝缘损坏。
本实施方式中，共模电感2-1用于抑制高速信号线产生的电磁波辐射，通过调整三相电感2-2中的电感值大小可以抑制动力电感的电压变化率，补偿电感L0用于补偿三相导线之间存在的电感差异，使得伺服驱动器1能够更加正确和精确地控制电机工作。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的区别在于，所述输出滤波器2的型号为ZKOCL-0050-EM14。
具体实施方式三、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的区别在于，所述伺服驱动器1包括电源1-7、一号功率开关1-1、二号功率开关1-2、三号功率开关1-3、四号功率开关1-4、五号功率开关1-5和六号功率开关1-6，所述一号功率开关1-1、二号功率开关1-2、三号功率开关1-3、四号功率开关1-4、五号功率开关1-5和六号功率开关1-6的电路结构相同，一号功率开关1-1包括二极管和三极管，二极管的阴极与三极管的集电极连接，二极管的阳极与三极管的发射极连接，电源1-7的正极同时与二号功率开关1-2的三极管的发射极、四号功率开关1-4的三极管的发射极和六号功率开关1-6的三极管的发射极连接，电源1-7的负极同时与一号功率开关1-1的三极管的集电极、三号功率开关1-3的三极管的集电极和五号功率开关1-5的三极管的集电极连接，一号功率开关1-1的三极管的发射极同时与二号功率开关1-2的三极管的集电极和输出滤波器2的第一信号输入端连接，三号功率开关1-3的三极管的发射极同时与四号功率开关1-4的三极管的集电极和输出滤波器2的第二信号输入端连接，五号功率开关1-5的三极管的发射极同时与六号功率开关1-6的三极管的集电极和输出滤波器2的第三信号输入端连接。
具体实施方式四、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式二所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的区别在于，所述伺服驱动器还包括信号处理器，所述伺服驱动器1还包括信号处理器1-8，所述信号处理器1-8的第一脉宽调制信号输出端与一号功率开关1-1的三极管的基极连接，信号处理器1-8的第二脉宽调制信号输出端与二号功率开关1-2的三极管的基极连接，信号处理器1-8的第三脉宽调制信号输出端与三号功率开关1-3的三极管的基极连接，信号处理器1-8的第四脉宽调制信号输出端与四号功率开关1-4的三极管的基极连接，信号处理器1-8的第五脉宽调制信号输出端与五号功率开关1-5的三极管的基极连接，信号处理器1-8的第六脉宽调制信号输出端与六号功率开关1-6的三极管的基极连接。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式三所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的区别在于，所述信号处理器1-8还用于检测电机电流。
交流电机的速度和为该电机供电的电压的频率成正比，而电机的反电势，即电机的电压和速度成正比。要达到电机速度连续可调，需要一个频率和幅值都连续可变的交流电压。本发明所述的伺服驱动器1可以产生这样的电压给伺服永磁同步电机3提供电源，使其运行速度连续可调。
产生一个频率和幅值连续可变的交流电压通常采用脉宽调制技术。伺服驱动器1内的信号处理器1-8产生脉宽调制信号来适当地控制驱动器的六个功率开关的开通和关断，通过重复不断地开通和关断可以达到从母线电压的直流产生给伺服永磁同步电机3提供交流电压。这样产生的电压是一系列的方波，一个开通和关断周期的方波电压的平均值和当前伺服永磁同步电机3所需要的交流电压的副值相等。
为了得到一个高质量的交流电压，功率开关的开通和关断必须以较高的频率重复，比如每秒钟重复4000次，即4kHz，这个重复频率称之为开关频率。功率开关的开通和关断时会产生开关损耗，为了降低开关损耗，希望开通和关断的速度尽可能的快，这种快速的开通和关断会使伺服驱动器1所产生的输出方波电压的上升和下降很快，亦即输出电压dv/dt非常的高。
对常规的交流电机伺服驱动系统，其电机动力电缆一般不会超过30m，输出电压dv/dt不是问题，而本发明所述的驱动系统的电机动力电缆可达2000m，是常规系统的60多倍。当动力电缆的长度超过一定的值，以及通过电缆传输的电压和电流快速变化时，电缆的电气参数，不能如常规按集中参数处理，而是分布参数，电缆传输的电量，电压和电流也必须按传输线理论来处理，电压和电流不仅仅是时间的函数，同时也是位置的函数，它们沿电缆长度的方向是一种传输波。因此，需要对采用脉宽调制技术产生的电压通过长动力电缆而可能出现的问题进行分析。
首先，电压变化率dv/dt很高时，电压波沿电缆长度的方向传输，当电压波到达分布参数变化的位置，如电机的接线盒，会产生折射和反射，这种反射会在电机绕组产生高达驱动器输出电压三倍的电压，使电压变化率dv/dt更高，从而在各相绕组之间以及相绕组和机壳之间的寄生电容流过高频电流，这种高电压和高频电流会引起电机的绝缘和轴承损坏。
其次，为了保护井下动力电缆，电缆具备良好的金属铠装保护，即电缆的屏蔽，使用中金属铠装和大地连接，如此，会导致动力电缆各相线和大地间的电容很大，如不采取特殊措施，功率开关工作时，对地漏电流随动力线的长度增加而变大，会引起严重的电磁干扰，及变频器损坏等，无法启动电机运行。
具体实施方式六、结合图3和图4说明本具体实施方式，具体实施方式五所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的驱动方法包括以下步骤：
步骤一、信号处理器1-8产生六路脉宽调制信号，分别控制一号功率开关1-1、二号功率开关1-2、三号功率开关1-3、四号功率开关1-4、五号功率开关1-5和六号功率开关1-6的通断，对伺服永磁同步电机3进行电压高频注入；
步骤二、信号处理器1-8检测伺服永磁同步电机3的电流，根据伺服永磁同步电机3的电压和电流获得S-N极的位置，即磁通初始角度；
步骤三、分别在d-轴的正方向和反方向注入电压脉冲，确定N极的角度，即d-轴的正方向；
步骤四、获得了磁通初始角度和d-轴的正方向后，信号处理器1-8采用无编码器矢量控制方法启动运行伺服永磁同步电机3。
本实施方式所述的驱动方法采用无编码器矢量控制方法，伺服驱动器1与伺服永磁同步电机3仅需要三根三相动力线连接即可，在启动伺服永磁同步电机3运行前先获得伺服永磁同步电机3磁通初始角度确保电机平稳启动，避免了伺服永磁同步电机3在启动时发生反转，产生机械冲击，导致伺服永磁同步电机3机械部件疲劳，缩短其工作寿命的缺陷。
本实施方式中，对伺服永磁同步电机3进行电压高频注入之后需要等待一段时间再对伺服永磁同步电机3的电流进行检测，等待时间的长短与伺服永磁同步电机3的定子绕组的时间常数相关。
Claims (6)
1.潜油螺杆泵伺服驱动系统，它包括伺服驱动器（1）和伺服永磁同步电机（3），其特征在于，它还包括输出滤波器（2），所述伺服驱动器（1）的输出端与输出滤波器（2）的输入端连接，输出滤波器（2）的输出端通过电机动力电缆与伺服永磁同步电机（3）的输入端连接，所述输出滤波器（2）包括共模电感（2-1）、三相电感（2-2）和补偿电感（L0），所述共模电感（2-1）包括第一电感（L11）、第二电感（L12）和第三电感（L12），三相电感（2-2）包括第四电感（L21）、第五电感（L22）和第六电感（L23），所述第一电感（L11）与第四电感（L21）串联在第一相导线中，第二电感（L12）、第五电感（L22）和补偿电感（L0）串联在第二相导线中，第三电感（L12）与第六电感（L23）串联在第三相导线中。
2.根据权利要求1所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统，其特征在于，所述输出滤波器（2）的型号为ZKOCL-0050-EM14。
3.根据权利要求1所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统，其特征在于，所述伺服驱动器（1）包括电源（1-7）、一号功率开关（1-1）、二号功率开关（1-2）、三号功率开关（1-3）、四号功率开关（1-4）、五号功率开关（1-5）和六号功率开关（1-6），所述一号功率开关（1-1）、二号功率开关（1-2）、三号功率开关（1-3）、四号功率开关（1-4）、五号功率开关（1-5）和六号功率开关（1-6）的电路结构相同，一号功率开关（1-1）包括二极管和三极管，二极管的阴极与三极管的集电极连接，二极管的阳极与三极管的发射极连接，电源（1-7）的正极同时与二号功率开关（1-2）的三极管的发射极、四号功率开关（1-4）的三极管的发射极和六号功率开关（1-6）的三极管的发射极连接，电源（1-7）的负极同时与一号功率开关（1-1）的三极管的集电极、三号功率开关（1-3）的三极管的集电极和五号功率开关（1-5）的三极管的集电极连接，一号功率开关（1-1）的三极管的发射极同时与二号功率开关（1-2）的三极管的集电极和输出滤波器（2）的第一信号输入端连接，三号功率开关（1-3）的三极管的发射极同时与四号功率开关（1-4）的三极管的集电极和输出滤波器（2）的第二信号输入端连接，五号功率开关（1-5）的三极管的发射极同时与六号功率开关（1-6）的三极管的集电极和输出滤波器（2）的第三信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统，其特征在于，所述伺服驱动器（1）还包括信号处理器（1-8），所述信号处理器（1-8）的第一脉宽调制信号输出端与一号功率开关（1-1）的三极管的基极连接，信号处理器（1-8）的第二脉宽调制信号输出端与二号功率开关（1-2）的三极管的基极连接，信号处理器（1-8）的第三脉宽调制信号输出端与三号功率开关（1-3）的三极管的基极连接，信号处理器（1-8）的第四脉宽调制信号输出端与四号功率开关（1-4）的三极管的基极连接，信号处理器（1-8）的第五脉宽调制信号输出端与五号功率开关（1-5）的三极管的基极连接，信号处理器（1-8）的第六脉宽调制信号输出端与六号功率开关（1-6）的三极管的基极连接。
5.根据权利要求4所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统，其特征在于，所述信号处理器（1-8）还用于检测伺服永磁同步电机（3）的电流。
6.权利要求5所述的潜油螺杆泵伺服驱动系统的驱动方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、信号处理器（1-8）产生六路脉宽调制信号，分别控制一号功率开关（1-1）、二号功率开关（1-2）、三号功率开关（1-3）、四号功率开关（1-4）、五号功率开关（1-5）和六号功率开关（1-6）的通断，对伺服永磁同步电机（3）进行电压高频注入；
步骤二、信号处理器（1-8）检测伺服永磁同步电机（3）的电流，根据伺服永磁同步电机（3）的电压和电流获得S-N极的位置，即磁通初始角度；
步骤三、分别在d-轴的正方向和反方向注入电压脉冲，确定N极的角度，即d-轴的正方向；
步骤四、获得了磁通初始角度和d-轴的正方向后，信号处理器（1-8）采用无编码器矢量控制方法启动运行伺服永磁同步电机（3）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140604 |