CN105356803A - 一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，该方法是在游梁式抽油机进行采油工作时，通过检测到的游梁式抽油机电机转速值和负载转矩值判断应当实施零转矩控制或负载自适应控制；若实施零转矩控制，则转速环失效，由特征量计算得到的电磁转矩作为转矩内环的负反馈，从而实现零转矩的闭环控制；若实施负载自适应控制，则转速环恢复工作，由检测到的负载值作为转矩内环的负反馈，使电机输出转矩自适应负载变化。本发明的控制方法一方面能使电机输出特性与抽油机的负载特性更好地匹配，另一方面能够消除或消弱电机的再生发电状态，从而提高游梁式抽油机的工作效率，避免电机回馈的电能对电网造成扰动。

Description

一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法
技术领域
本发明涉及一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
游梁式抽油机因其结构简单、工作平稳及性能可靠等优势在各油田广泛应用。如图1所示，游梁式抽油机在电动机轴处的等效负载是周期交变的，等效负载曲线上有两个峰值，分别为抽油机上、下冲程的“死点”。然而在抽油机下冲程中后期容易出现抽油机反拖动电动机运行而产生负扭矩，这种负扭矩导致电机运行在能量回馈制动状态，这种状态是极为不良的工作状态。这时，在电网与电动机间会出现能量储存和相互交换传输，大幅度降低电网功率因数，使游梁式抽油机的效率降低。另外，这种现象导致油田电机的工作效率普遍偏低，同时节能潜力巨大。
为了解决上述技术问题，普通的变频控制通常在直流侧对这部分负功率进行处理而阻止其馈送到电网中，其处理方式主要有以下几种：第一种，使用泄放电阻把负功率直接消耗掉，这种方式虽然阻止了电能回馈，却造成了能量的浪费；第二种，增加一个辅助逆变器把负功率送回电网，然而增加辅助逆变器的方式导致设备结构复杂，成本高，不便于维修，一般很少采用；第三种，目前部分油田也采用超越离合器来消除能量回馈现象，但超越离合器使用寿命较短，需经常更换，这大大提高了系统的运行成本。
发明内容
针对游梁式抽油机下冲程中后期出现抽油机反拖动电机运行的问题，本发明提供了一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，该方法一方面能使电机输出特性与抽油机的负载特性更好地匹配，另一方面能够消除或消弱电机的再生发电状态，从而提高游梁式抽油机的工作效率，避免电机回馈的电能对电网造成扰动。
本发明的技术方案：一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，该方法是在游梁式抽油机进行采油工作时，通过检测到的游梁式抽油机电机转速值和负载转矩值判断应当实施零转矩控制或负载自适应控制；若实施零转矩控制，则转速环失效，由特征量计算得到的电磁转矩作为转矩内环的负反馈，从而实现零转矩的闭环控制；若实施负载自适应控制，则转速环恢复工作，由检测到的负载值作为转矩内环的负反馈，使电机输出转矩自适应负载变化。
上述方法中，在转速调节器输出端增加零转矩给定判断环节，根据反馈的转速和转矩值来切换转矩内环的转矩给定值。
上述方法中，在转矩内环的反馈通道上增加反馈转矩切换环节，在零转矩控制区间采用电磁转矩值作为负反馈，在负载自适应控制区间采用负载值作为负反馈。
由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：本发明在一般矢量控制的基础上，将电机侧实际的负载值作为转矩内环的反馈量，同时将常用的转矩PI控制器更换为PID控制器。引入负载反馈量一方面使电机输出转矩自适应跟随负载变化，以实现电机与负载更好的匹配，另一方面与转速反馈量一起为电机的零转矩控制区间提供判断依据，从而消除或消弱电机的再生发电状态，提高游梁式抽油机的工作效率，避免电机回馈的电能对电网造成扰动。因此，本发明将原本转换为电能的位能储存为曲柄及平衡块的动能，用于上冲程前期对油杆的提升，因此充分利用了这部分能量，这比一般变频器的节能效果更好。
附图说明
图1为普通工作状态下的抽油机的电机工作特性示意图；
图2为零转矩控制的变频控制原理图；
图3为游梁式抽油机零转矩矢量控制系统框图；
图4为半实物仿真实施示意图；
图5为在RTDS中运行的游梁式抽油机在电机侧的等效负载仿真效果示意图；
图6为在RTDS中运行的电机转速仿真效果示意图；
图7为采用本发明对游梁式抽油机的电机的转矩控制效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的工作原理：游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法的原理如图2所示，即通过变频来改变异步电机不同工作频率下的同步转速，从而防止电机运行在第二象限；从异步电机的T-n特性可以看出，在这段期间电机的输出转矩维持为零，此时电机相当于“变速空载运行”。
本发明的具体实施方式如图3所示，零转矩给定判断（在图3中的简写为ZTGJ）根据反馈的转矩和转速量来确定转矩环给定值，具体判断逻辑是如果负载转矩TL＜0，则转矩给定Te*=0；如果负载转矩TL＞0且转速ω>ω*，则Te*=0，这一步是非常有必要的，因为当负载转矩变为正值时，如果撤销零转矩控制，此时电机实际转速大于给定转速，系统在转速环作用下会使电机产生负的制动力矩，而采用该步骤后，电机输出转矩仍为零，此时曲柄和平衡块释放动能来提升油杆同时使电机减速；如果负载转矩TL＞0且转速ω≤ω*，则Te*等于转速调节器输出，转速环恢复正常工作。反馈转矩切换（在图3中的简写为FTS）根据转矩给定值Te*来对转矩反馈量进行切换，如果Te*=0，则电磁转矩作为负反馈参与控制，这能实现零转矩的闭环控制，使电机输出转矩维持在零附近，防止电机进入能量回馈制动状态；如果Te*≠0，则负载转矩作为负反馈参与控制，这能够使电机输出转矩自适应跟随负载转矩变化。以上控制算法采用数字信号处理器DSP28335来实现。
为了验证本发明的有益效果，现采用半实物仿真的方式进行验证。游梁式抽油机半实物仿真的实施示意图如图4所示，包括实时数字仿真仪RTDS、数字信号处理器DSP28335、上位机。首先，在DSP控制器中运行本发明的零转矩矢量控制算法，RTDS运行游梁式抽油机等效负载仿真模型、电机仿真模型、变流器仿真模型，上位机主要运行CCS软件和RSCAD软件，便于对RTDS中的实时数据进行观测。数字仿真仪RTDS作为该控制器的控制对象，在其中建立并运行游梁式抽油机载荷仿真模型（其参数按CYJJ12-4.8-73HB型抽油机设计）、电机仿真模型（其参数按Y2-280M-4型电动机设计）、变流器仿真模型，通过RTDS中的模拟输出卡GTAO将检测到的负载转矩、转速和三相定子电流传输到本控制器中，为零转矩矢量控制算法提供反馈量，控制器将产生的PWM控制信号通过RTDS中的数字输入卡GTDI传送到变流器模型的控制信号输入端，对变流器进行控制，进而控制电机模型。
当负载转矩为负值时，如图5所示，在2.66s～4.26s期间，控制器切换为零转矩控制，使电机输出转矩为零，此时由于电机失去制动作用，抽油机系统处于自由加速状态且拖动电机加速。可以看出电机的加速区间与负载负值区间一致，这期间抽油机系统将原本转换为电能的位能转换为动能。而一个周期内的平均转速经过传动比折算到曲柄处约为9.72r/min，这与抽油机的冲次10次/min相近。
参见图6，当负载转矩为正值且电机转速大于给定转速时，此时满足零转矩控制的第二个判定条件，电机输出转矩仍为零。抽油机系统释放动能来提升油杆同时迫使电机减速。当电机转速降到给定值500r/min时，零转矩控制切换为负载自适应控制，电机输出转矩继续跟随负载变化。
综上所知，电机的零转矩控制总区间为负载转矩为负的区间加上电机减速到给定转速前负载转矩为正的区间，即图7中的2.66s～6.18s区间，这与本发明预期的控制效果相符。

Claims (3)

1.一种游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，其特征在于：在游梁式抽油机进行抽油工作时，通过检测到的游梁式抽油机电机转速值和负载转矩值判断应当实施零转矩控制或负载自适应控制；若实施零转矩控制，则转速环失效，由特征量计算得到的电磁转矩作为转矩内环的负反馈，从而实现零转矩的闭环控制；若实施负载自适应控制，则转速环恢复工作，由检测到的负载值作为转矩内环的负反馈，使电机输出转矩自适应负载变化。
2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，其特征在于：在转速调节器输出端增加零转矩给定判断环节，根据反馈的转速和转矩值来切换转矩内环的转矩给定值。
3.根据权利要求1所述的游梁式抽油机的电机零转矩矢量控制方法，其特征在于：在转矩内环的反馈通道上增加反馈转矩切换环节，在零转矩控制区间采用电磁转矩值作为负反馈，在负载自适应控制区间采用负载值作为负反馈。
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