CN104270061A

CN104270061A - 基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法

Info

Publication number: CN104270061A
Application number: CN201410538269.5A
Authority: CN
Inventors: 王立国; 张淋; 张希月; 徐殿国; 蒋清月; 张海聪; 李振宇; 杨喆; 李雪云; 于健雄
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2015-01-07

Abstract

基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，属于潜油电机节能控制领域。为了解决目前潜油电机在的电能消耗很大的问题。本发明包括：建立潜油电机输出功率与负荷对应关系数据库；进而再通过潜油电机温度辨识，获得潜油电机功耗、输出功率与其定子温度关系的等效关系；进而确定潜油电机负荷与变频器压频比之间的关系，进而确定最佳压频比，对潜油电机进行控制，使潜油电机的总损耗最低；根据获得最佳压频比对潜油电机进行控制。它用于控制潜油电机。

Description

基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法

技术领域

本发明属于潜油电机节能控制领域。

背景技术

潜油电机一股在地下2km～3km深处工作，通过长线电缆与地面电源连接，由于井下往往存在高含沙、高含气及油位过低导致的出油量过低负荷情况，此时会导致电机工作于欠载工作状态，导致极大的电能浪费。由于现在能源紧缺的不足，实现油井的节能降耗迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前潜油电机在的电能消耗很大的问题，提供一种基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法。

基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：通过判断井下潜油电机负荷状态，建立潜油电机输出功率与负荷对应关系数据库；

步骤二：根据步骤一建立的数据库，通过潜油电机温度辨识，获得潜油电机功耗、输出功率与其定子温度关系的等效关系；

步骤三：通过步骤二获得的等效关系，确定潜油电机负荷与变频器压频比之间的关系，进而确定最佳压频比，对潜油电机进行控制，使潜油电机的总损耗最低：

当潜油电机负荷与变频器压频比的关系为：

P_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{1 - s}{s} R_{r}

和

T_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{{30 n}_{p}}{π ({60 f}_{s} - {nn}_{p})} R_{r}

时，潜油电机的总损耗最低，压频比k为最佳压频比；

上式中，P₂为输出功率，T₂为电机的输出转矩，Z、Z_r和Z_m分别为总阻抗、定子阻抗、转子阻抗和励磁阻抗；R_r为转子电阻；f_s为定子频率；s为转差率；n_p为极对数；k为压频比；n为潜油电机的转速；

根据获得最佳压频比对潜油电机进行控制。

步骤一中，建立潜油电机输出功率与负荷对应关系数据库为：

P₁＝P₂+∑P，

∑P＝P_Cu1+P_Cu2+P_fw+P_S+P_Fe，

η＝P₂/P₁·100％＝P₂/(P₂+∑P)·100％，

其中，P₁为输入有功功率，P_Cu1为定子铜耗，P_Fe为定子铁耗，P_Cu2为转子铜耗，P_fw为机械损耗，杂散损耗：P_s＝W_LLs+W_LLr，W_LLs为定子杂散损耗，W_LLr为定子杂散损耗，P₂为输出功率，η为电机效率。

步骤三中，通过步骤二获得的等效关系，确定潜油电机负荷与变频器压频比之间的关系，进而确定最佳压频比，对潜油电机进行控制，使潜油电机的总损耗最低的方法为：

根据步骤二获得的等效关系，确定潜油电机的损耗包括定子铜耗、转子铜耗和定子铁耗；

P_{Cu} = 3 {| \frac{{kf}_{s}}{Z} |}^{2} R_{s} + 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} R_{r},

P_{Fe} = 3 {| \frac{Z_{r} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} R_{m},

P_Cu为定子铜耗与转子铜耗之和，P_Fe为定子铁耗；

当铜耗P_Cu和定子铁耗P_Fe相等时，潜油电机的总损耗最低，此时，

P_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{1 - s}{s} R_{r}, T_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{{30 n}_{p}}{p ({60 f}_{s} - {nn}_{p})} R_{r};

且压频比k为最佳压频比，根据压频比k对潜油电机进行控制。

步骤三中，根据获得最佳压频比对潜油电机进行控制的方法为：

当潜油电机的运行状态异常时，获得定子电流有效值，进而获得此时潜油电机的运行频率，根据该潜油电机的最佳压频比，进行降压降频调速控制。

当潜油电机的运行状态异常时，获得定子电流有效值，进而获得此时潜油电机的运行频率，根据所述潜油电机的分段恒压频比曲线，结合该潜油电机的最佳压频比，进行降压降频调速控制；

所述潜油电机的分段恒压频比曲线的获取方法为：所述潜油电机在不同负载、不同电压和不同频率进行试验，获取每个负载效率最高的电压和频率，根据获取的电压和频率绘制分段恒压频比曲线。

本发明的有益效果在于，本发明基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，通过求得潜油电机的最佳压频比，当通过判断出潜油电机处于欠载运行状态时，反馈控制电机降频调速，根据最佳压频比对潜油电机进行控制，可以保证电机的安全稳定运行，并兼顾到电机的带载能力和节能降耗的需求，达到电机自适应闭环控制的目的。本发明可有效降低油田的电能消耗，极大提高潜油电泵机组的使用寿命与检泵周期，可从节约电能及降低维修费用两个层面为油田带来显著的经济效益。

附图说明

图1为具体实施方式二所示的电机能流示意图。

图2为具体实施方式三所示的异步电机的等效电路。

图3为具体实施方式三所示的损耗相对于压频比的变化曲线；

图4为变频器接线示意图；

图5为具体实施方式五所示的多段V/F曲线；

图6为利用具体实施方式五所述的方法，欠载运行且降频调速后压频比为3.47时，输入功率的曲线示意图。

图7为利用具体实施方式五所述的方法，欠载运行且降频调速后压频比为3.47时，定子电流有效值的曲线示意图。

图8为利用具体实施方式五所述的方法，欠载运行且降频调速后压频比为3.47时，损耗的曲线示意图。

图9为利用具体实施方式五所述的方法，欠载运行且降频调速后压频比为3.47时，电机转速的曲线示意图。

图10为利用具体实施方式五所述的方法，欠载运行且降频调速后压频比为3.47时，辨识温度的曲线示意图。

图11为利用具体实施方式五所述的方法，欠载运行且降频调速后压频比为3.47时，温度巡检仪测量结果示意图。

图12为具体实施方式五中最佳压频比的拟合曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，

它包括以下步骤：

当潜油电机负荷与变频器压频比的关系为：

P_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{1 - s}{s} R_{r}

和

T_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{{30 n}_{p}}{π ({60 f}_{s} - {nn}_{p})} R_{r}

时，潜油电机的总损耗最低，压频比k为最佳压频比；

根据获得最佳压频比对潜油电机进行控制。

本实施方式中，根据步骤一建立的数据库，通过潜油电机温度辨识，获得潜油电机功耗、输出功率与其定子温度关系的等效关系电容这钟方法是现有技术手段。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法的进一步限定，

由于潜油电机属于特殊的感应电机，因此本实施方式中的步骤一，先对潜油电机各项损耗以及整体能量的流动方式进行分析。

对应图1所示的电机的能流示意图，潜油电机的能量分配主要包括以下九部分：

(1)输入有功功率：P₁＝3U₁I₁cosφ

(2)定子铜耗：

(3)定子铁耗：

(4)电磁功率：

P_{M} = P_{1} - P_{Cu 1} - P_{Fe} = {3 I}_{2}^{2} R_{2} / s

(5)转子铜耗：P_Cu2＝3·I₂ ²·R₂＝s·P_M

(6)机械功率：P_mx＝(1-s)·P_M

(7)机械损耗：P_fw

(8)杂散损耗：P_S＝W_LLs+_WLLr

(9)轴上输出功率：P₂＝P_mx-P_fw-P_S

建立潜油电机输出功率与负荷对应关系数据库为：

P₁＝P₂+∑P

∑P＝P_Cu1+P_Cu2+P_fw+P_S+P_Fe

电机效率可表示为：

η＝P₂/P₁·100％＝P₂/(p₂+∑P)·100％

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法的进一步限定，

本实施方式中，为了更方便的分析潜油电机各部分损耗和输出功率，根据功率不变和磁动势不变的原则，得出潜油电机等效电路，如图2所示。

根据等效电路可知总阻抗为：

Z = Z_{s} + \frac{Z_{m} Z_{r}}{Z_{m} + Z_{r}}

其中：

\{\begin{matrix} Z_{s} = R_{s} + j 2 π f_{s} L_{ls} \\ Z_{l} = R_{m} + j 2 π f_{s} L_{m} \\ Z_{r} = R_{r} / s + j 2 π f_{s} L_{lr} \end{matrix}

式中Z、Z_s、Z_r、Z_m——分别为总阻抗，定、转子阻抗和励磁阻抗；

R_s、R_r、R_m——分别为定子电阻、转子电阻、激磁电阻；

L_ls、L_lr、L_m——分别为定子漏感、转子漏感、激磁电感)

f_s——定子频率；

s——转差率。

忽略电机的杂散损耗和机械损耗，电机的损耗由定转子铜耗和基本铁耗组成，可以分别表示为：

P_{Cu} = 3 {| \frac{{kf}_{s}}{Z} |}^{2} R_{s} + 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} R_{r}

P_{Fe} = 3 {| \frac{Z_{r} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} R_{m}

式中P_Cu——定子铜耗与转子铜耗之和；

P_Fe——铁耗；

k——压频比。

通过以上的推导可以得出电机的损耗由压频比和频率决定，如图3所示。随着压频比的增大，铁耗上升，转子铜耗下降，定子铜耗先下降后稍有增加，总损耗先减小后增大，总损耗在定子铜耗与铁耗相等时达到最低点。

此时电机的输出功率为：

P_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{1 - s}{s} R_{r}

由异步电机转速与转差率的关系：

n＝60f_s(1-s)/n_p

式中n_p——极对数。

可得出电机的输出转矩为：

T_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{{30 n}_{p}}{π ({60 f}_{s} - {nn}_{p})} R_{r}

此时压频比k为最佳压频比；

由此可见电机的总损耗、输出功率、输出转矩均与压频比的平方在一定范围内成正比，当压频比较高时，可以确保电机输出较大的转矩，但是总损耗也相对较大，从而降低了电机的运行效率，当温度过高或温升较大时，表明负载较低，即出现“大马拉小车”的现象，此时适当降低压频比，既使转矩仍能带动此时负载，又在降低转速的同时降低输出功率，实现电机运行的节能降耗。

如果仅降低频率，会产生较大的定子电压，气隙磁通Φ_m也随之增大，从而导致励磁电流过大，严重时会因电阻过热而烧毁电机；如果只适当降低电机的定子电压，则气隙磁通Φ_m随之降低，励磁电流、定子电流降低，铁耗、定子铜耗均降低，虽少量增加了转子的铜耗，但总损耗降低，提高了电机效率。但是当过分降低电压和磁通时，转子电流会大大增加，因此定子电流反而可能增加，此时铁耗的降低将被铜耗的增加填补，效率可能更差。因此选择一个最佳电压和频率运行是极为重要的。

当通过状态监测系统准确地判断出电机处于欠载运行状态时，反馈控制电机降频调速，根据最佳压频比对潜油电机进行控制，可以保证电机的安全稳定运行，并兼顾到电机的带载能力和节能降耗的需求，达到电机自适应闭环控制的目的。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或三所述的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法的进一步限定，

具体实施方式五：结合图4至图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或三所述的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法的进一步限定，

潜油电机降频运行会使总损耗下降，但是如果频率无限制的降低，就无法保证油田的生产效率，而对企业造成巨大的经济损失，因此电机运行频率不能降至太低。

本实施方式通过理论推导与SIMULINK中仿真分析的验证，可知在降低频率的同时如果能适当降低压频比，会使总损耗进一步降低，因此在所搭建的实验平台中采用分段恒压频比降频调速的方式控制电机。

本实施方式这种分段恒压频比降频调速的控制方式是通过变频器的接线及其控制面板上的参数设置来实现的，如图4所示。当判定出潜油电机已经处于或即将处于故障状态时，由数据采集卡控制变频器的多功能端口，端子输入功能的选择由变频器参数值决定，由数据采集卡的另一通道发送0-10V的模拟电压信号给AI1端口，实现变频器主频率在0-50Hz范围内的切换。变频器的分段压频比可由变频器参数值设置。设定用户自定义曲线，适用于分段恒转矩负载，得到多段压频比曲线。

在油田开采后期，可将潜油电泵机组的负载近似等效为分段恒转矩负载，因此采用多段V/F控制方式，即调整分段压频比曲线的形状，如图5所示，按照变频器的参数整定流程重新设置变频器进行多组实验。将同一频率下效率最高时对应的压频比定为该频率的最佳压频比值，由此拟合得到了所需的最佳压频比曲线，如图12所示。

由测试数据还可以找出不同负载情况下对应于最佳压频比时的运行频率，可以发现定子电流与运行频率之间基本满足分段线性关系，因此得出新负载对应的运行频率表达式，测试中拟合结果如式所示。

f_s＝12.5I_s-5

至此，已找出电机负载与频率、以及最佳压频比之间的关系，可以实现潜油电机的自适应智能配电控制，结合状态监测部分，即系统整体监控算法流程。

当通过温度辨识与温度预测准确得出温升曲线并通过预测终值判断电机是否处于故障运行状态。如果运行状态正常，则使电机运行频率逐渐增加直至50Hz，以保证油田一定的生产效率；如果运行状态异常，则根据计算出的定子电流有效值计算出对应于新负载时的电机运行频率，此时再由数据采集卡发送对应的电压信号控制变频器进行降频调速控制。由于最佳压频比曲线已设置到变频器中，因此在电机在变频运行的同时，自动匹配最佳压频比，使电机既能重新工作在稳定状态又达到了节能降耗的目的，实现了系统的自适应智能配电控制。

Claims

1.基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

当潜油电机负荷与变频器压频比的关系为：

P_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{1 - s}{s} R_{r}

和

T_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} k f_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{{30 n}_{p}}{π ({60 f}_{s} - {nn}_{p})} R_{r}

时，潜油电机的总损耗最低，压频比k为最佳压频比；

根据获得最佳压频比对潜油电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，其特征在于：步骤一中，建立潜油电机输出功率与负荷对应关系数据库为：

P₁＝P₂+∑P，

∑P＝P_Cu1+P_Cu2+P_fw+P_S+P_Fe，

η＝P₂/P₁·100％＝P₂/(P₂+∑P)·100％，

3.根据权利要求2所述的基于最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，其特征在于：

P_{Cu} = 3 {| \frac{{kf}_{s}}{Z} |}^{2} R_{s} + 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} R_{r},

P_{Fe} = 3 {| \frac{Z_{r} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} R_{m},

P_Cu为定子铜耗与转子铜耗之和，P_Fe为定子铁耗；

P_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{1 - s}{s} R_{r}, T_{2} = 3 {| \frac{Z_{m} {kf}_{s}}{(Z_{m} + Z_{r}) Z} |}^{2} \frac{{30 n}_{p}}{p ({60 f}_{s} - {nn}_{p})} R_{r};

4.根据权利要求1或杂所述的最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，其特征在于：

5.根据权利要求1或杂所述的最佳压频比控制的潜油电机节能控制方法，其特征在于：