CN105629169B - 电机试验用抽油机交变载荷加载控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，其包括抽油机电机、直流电机、扭矩转速传感器以及DSP电参数测量采集电路组成的测量模拟系统和DSP核心控制系统，所述的测量模拟系统是直流电机模拟抽油机工况产生交变载荷加载于抽油机电机并测量抽油机电机各项电参数，所述DSP核心控制系统以接收到的抽油机电机电参数作为反馈量控制直流电机产生交变载荷。所述电机试验用抽油机交变载荷加载控制器在保证测量精度的前提下准确模拟现场抽油机的真实工况。该电机试验用抽油机交变载荷加载控制器解决现有抽油机交变载荷动态加载系统的不足之处，准确模拟抽油机载荷的真实工况，为抽油机节能电机的性能评价提供切实有效的科学依据。

Description

电机试验用抽油机交变载荷加载控制器

技术领域

本发明涉及电器电子测量控制系统，特别是涉及到一种电机试验用抽油机交变载荷加载控制器。

背景技术

抽油机是油田机械采油的主要设备，其电能消耗是采油厂运行成本的主要组成部分，抽油机电机的损耗约占到抽油机井系统总损耗的30%，为了降低电机的自身损耗，提高抽油机系统效率，在油田引入了种类较多的节能电机，现有的电机测试评价方法还存在一些不足，无法准确测试抽油机节能电机的动态参数且不能针对抽油机及井况提出优化选配的方案。

现有的抽油机交变载荷动态加载的实施方案主要两大类：井上载荷模拟和井上电动机的载荷模拟。主要的方法有吊挂重物加载实验、斜面重物加载实验、电阻尼加载、水井模拟加载以及液压加载实验等，这些方案具有明显的弊端，不能大范围推广，而且模拟载荷的变化规律与抽油机实际载荷变化规律只是趋势相近，远远不能满足抽油机载荷的真实工况。为此我们发明了一种新的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决现有抽油机交变载荷动态加载系统的不足之处，准确模拟抽油机载荷的真实工况，为抽油机节能电机的性能评价提供切实有效的科学依据的一种电机试验用抽油机交变载荷加载控制器。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，该电机试验用抽油机交变载荷加载控制器包括抽油机电机、直流电机、扭矩转速传感器、DSP电参数测量电路和DSP核心控制系统，该直流电机模拟抽油机工况产生交变载荷，作为该抽油机电机的负载，该扭矩转速传感器连接于该直流电机，采集轴转矩转速值，并输出扭矩转速信号给该DSP电参数测量采集电路，该抽油机电机连接于该扭矩转速传感器，测试该抽油机电机的各种电参数以计算其效率，并将采集的电参数传输给该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路连接于该抽油机电机和该扭矩转速传感器，将采集的该抽油机电机的电参数传输给该DSP核心控制系统，该DSP核心控制系统以接收到的该抽油机电机的有功功率作为反馈量控制该直流电机产生交变载荷。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该电机试验用抽油机交变载荷加载控制器还包括直流调速器，该直流调速器连接于该直流电机和该DSP电参数测量采集电路，控制该直流电机产生交变转矩，以产生交变载荷。

该直流调速器连接于该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路将抽油机电机电压、电流、有功功率等电参数和反馈命令传输给该DSP核心控制系统，该反馈命令指的是DSP控制系统发送给DSP电参数测量电路启动或停止控制命令时返回的应答命令，该DSP核心控制系统根据DSP采集系统传输的抽油机电机有功功率作为反馈量，通过PID算法计算得到DA调整命令传输给该DSP核心控制系统，该DSP核心控制系统根据DSP电参数测量系统传输上的抽油机电机有功功率作为反馈量，在DSP控制系统中进行PID计算得出DA调整命令传输给该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路根据DA调整命令中偏差值大小，调节DA输出控制的大小，控制该直流调速器，该直流调速控制该直流电机的励磁电压和励磁电流大小，使得该直流电机产生要求的交变转矩。

该DSP电参数测量采集电路包括电压电流接口，DSP采集板，电压电流调理电路，硬件分频电路，直流调速器控制电路和转矩转速接口，该电压电流接口连接于该抽油机电机的输入端，接收该抽油机电机的输入端的电压电流信号，并将电压电流信号通过互感器传输给该电压电流调理电路，该电压电流调理电路连接于该电压电流接口，用于将电压电流信号转化为该DSP采集板可以采集的0-3.0V之间，该转矩转速接口连接于该扭矩转速传感器，接收该扭矩转速传感器的扭矩转速信号，并将扭矩转速信号通过屏蔽线接入该硬件分频电路，该硬件分频电路连接于该转矩转速接口，并将扭矩转速信号进行分频，该DSP采集板连接于该电压电流调理电路和该硬件分频电路，该电压电流调理电路输出信号通过AD采集输入该DSP采集板进行FFT分析计算其有效值和功率这些抽油机电参数，该硬件分频电路输出信号通过外部中断接入该DSP采集板计算其频率，该DSP采集板将采集计算的抽油机电机的电参数和反馈命令通过SPI总线传输至该DSP核心控制系统，该DSP核心控制系统将发送DA调整命令通过SPI总线传输至该DSP采集板，该直流调速器控制电路连接于该DSP采集板和该直流调速器，并在该DSP采集板的控制下产生-10~+10V直流电压控制该直流调速器，进而控制该直流电机产生交变转矩。

该硬件分频电路由硬件计数器组成，为了增加测量精度分别将扭矩和转速信号进行20和2分频。

该DSP电参数测量采集电路还包括电源电路，该电源电路连接于该DSP采集板，该电压电流调理电路，该件分频电路和该直流调速器控制电路，并为它们提供电源。

该直流调速器为四象限变频器，该四象限变频器实现能量双向流动。

该抽油机电机可根据要求替换为三相异步电机、永磁同步电机、高转差电机这些油田机采系统常用电机，该抽油机电机各种电参数包括电机三相电压电流、视在功率、有功功率、功率因数、输出功率，扭矩转速。

该DSP核心控制系统导入抽油机现场测试数据即为在油井现场抽油机上测得的抽油机现场数据作为控制目标，该抽油机现场测试数据包括抽油机示功图和电功图。

本发明中的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，采用直流电机模拟抽油机电机的负载，并使用具有能量双向流能力的直流调速器控制直流电机产生交变载荷，结构简单可靠、安全性高、控制精度高，可以准确模拟抽油机在任何工况下的载荷变化趋势。本发明采用DSP数据采集系统采集抽油机电机各项电参数，采样频率高、精度高、计算速度快、具有各次谐波分析功能，实时数据刷新速度达到20ms，测试数据精度达到1级。本发明采用的DSP核心控制系统可以导入抽油机现场数据，利用微分先行PID算法计算实时调节DA输出偏差值，传给DSP采集系统，DSP核心控制系统和DSP采集系统之间通过SPI总线通信。本发明是一种用于油田机采系统，在实验室模拟抽油机现场工况，分析抽油机节能电机节能效率的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器。

附图说明

图1为本发明的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器的一具体实施例的结构图；

图2为本发明的一具体实施例中DSP电参数测量采集电路的结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器的结构图。该电机试验用抽油机交变载荷控制加载系统由抽油机电机1、扭矩转速传感器2、直流电机3、DSP电参数测量采集电路4、DSP核心控制系统5和直流调速器6组成。

直流电机3模拟抽油机工况产生交变载荷，即直流电机3作为抽油机电机的负载，该负载是由直流调速器6控制直流电机3产生的交变负载，该交变负载真实模拟了抽油机实际工况。

直流调速器6通过电气连接于直流电机3，控制直流电机3产生交变转矩，以产生交变负载。在一实施例中，直流调速器6为四象限变频器，该四象限变频器可实现能量双向流动。

扭矩转速传感器2与直流电机3、抽油机电机1同轴连接，主要用来采集轴转矩转速值，并同时输出扭矩转速信号给DSP电参数测量采集电路4。在一实施例中，扭矩转速传感器2将采集的转矩转速值通过屏蔽线传输至该DSP电参数测量采集电路。

抽油机电机1与DSP电参数测量采集电路4通过电压电流互感器连接，用于测试抽油机电机1各种电参数以计算其效率，并将采集的电参数经过数据处理最终传输至DSP核心控制系统5。在一实施例中，该抽油机电机1可以根据要求替换为三相异步电机、永磁同步电机、高转差电机等油田机采系统常用电机，该抽油机电机1各种电参数包括电机三相电压电流、视在功率、有功功率、功率因数、输出功率，扭矩转速等。

DSP核心控制系统5连接于DSP电参数测量采集电路4，并发送指令给DSP电参数测量采集电路4。在一实施例中，DSP核心控制系统可以导入抽油机现场测试数据作为控制目标，该抽油机现场测试数据包括抽油机示功图和电功图，该DSP电参数测量采集电路4负责传输数据给该DSP核心控制系统5，该DSP核心控制系统5与该DSP电参数测量采集电路4通过命令交互控制该直流调速器6进而控制该直流电机3产生交变载荷加载于该抽油机电机1。

DSP电参数测量采集电路4主要负责抽油机电机各种电参数的采集计算、DA输出直流电压控制直流调速器6以及和DSP核心控制系统5进行数据命令的交互，DSP核心控制系统5主要控制目标导入、PID控制等，PID控制主要是根据DSP电参数测量采集电路4所发送的电参数，经过PID反馈调节，向DSP电参数测量采集电路4发送DA输出值的变化量。

如图2所示，图2为本发明的一具体实施例中DSP电参数测量采集电路的结构图，主要包括电压电流接口21，DSP采集板24，电压电流调理电路22，电源电路27，硬件分频电路26，直流调速器控制电路23和转矩转速接口25。电压电流接口21连接于抽油机电机1的输入端，接收抽油机电机1的输入端的电压电流信号，并将电压电流信号通过互感器传输给该电压电流调理电路22。

电压电流调理电路22连接于电压电流接口21，用于将电压电流信号转化为DSP采集板24可以采集的0-3.0V之间。

转矩转速接口25连接于扭矩转速传感器2，接收扭矩转速传感器2的扭矩转速信号，并将扭矩转速信号通过屏蔽线接入该硬件分频电路26。

硬件分频电路26连接于转矩转速接口25，并将扭矩转速信号进行分频。在一实施例中，硬件分频电路26由硬件计数器组成，为了增加测量精度分别将扭矩和转速信号进行20和2分频。

DSP采集板24连接于电压电流调理电路22和硬件分频电路26，该电压电流调理电路22输出信号通过AD采集输入该DSP采集板24进行FFT分析计算其有效值和功率等抽油机电参数。该硬件分频电路26输出信号通过外部中断接入该DSP采集板24计算其频率。该DSP采集板24将采集计算的抽油机电参数数据和该DSP核心控制系统命令的反馈命令通过SPI总线该至DSP核心控制系统5，该DSP核心控制系统5将发送DA调整命令SPI总线传输至该DSP采集板24。

该直流调速器控制电路23连接于DSP采集板24和直流调速器6，并在DSP采集板24的控制下产生-10~+10V直流电压控制该直流调速器6，进而控制直流电机3产生交变转矩。

电源电路27连接于DSP采集板24，电压电流调理电路22，硬件分频电路26和直流调速器控制电路23，以为它们提供标准电压源（3.0V，3.3V，5V，12V，15V）。

在一实施例中，当进行抽油机交变载荷控制加载模拟时，该抽油机电机将电参数传送至DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路再采集轴扭矩转速值，该DSP电参数测量采集电路通过传输数据和反馈命令将采集的抽油机电机电参数和反馈命令传输至该DSP核心控制板，该DSP核心控制板以预输入的抽油机现场示功图和电功率曲线为控制目标，利用DSP电参数测量采集电路传来的电参数数据，进行PID反馈调节，将调节偏差值通过发送命令发送至该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路根据偏差值大小，调节DA输出控制的大小，控制该直流调速器，该直流调速器通过电气连接控制该直流电机的励磁电压和励磁电流大小，使得该直流电机产生要求的转矩，此时轴转矩的变化再次引起抽油机电机输入端功率的变化，再次通过步骤电参数采集、扭矩转速采集、传输数据和反馈命令、发送调节偏差值、DA输出控制的调节，最终使得测量的该抽油机电机输入端的功率曲线符合DSP核心控制系统预输入的抽油机现场测试数据，则达到了在实验室利用直流电机产生交变转矩模拟抽油机现场工况的目的，随后可以根据测量数据，对抽油机电机的动态性能进行一系列评估。在实验室还可以更换不同厂家、不同型号的电机反复测试，最终达到抽油机节能电机优选评估。

以上该仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。

Claims (4)

1.电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，其特征在于，该电机试验用抽油机交变载荷加载控制器包括抽油机电机、直流电机、扭矩转速传感器、DSP电参数测量采集电路和DSP核心控制系统，该直流电机模拟抽油机工况产生交变载荷，作为该抽油机电机的负载，该扭矩转速传感器连接于该直流电机，采集轴转矩转速值，并输出扭矩转速信号给该DSP电参数测量采集电路，该抽油机电机连接于该扭矩转速传感器，测试该抽油机电机的各种电参数以计算其效率，并将采集的电参数传输给该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路连接于该抽油机电机和该扭矩转速传感器，将采集的该抽油机电机的电参数传输给该DSP核心控制系统，该DSP核心控制系统以接收到的该抽油机电机的电参数作为反馈量控制该直流电机产生交变载荷；

该电机试验用抽油机交变载荷加载控制器还包括直流调速器，该直流调速器连接于该直流电机和该DSP电参数测量采集电路，控制该直流电机产生交变转矩，以产生交变载荷；该直流调速器连接于该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路将抽油机电机电压、电流、有功功率这些电参数和反馈命令传输给该DSP核心控制系统，反馈命令是该DSP控制系统发送给该DSP电参数测量采集电路启动或停止控制命令时返回的应答命令，该DSP核心控制系统根据该DSP电参数测量采集电路传输的抽油机电机有功功率作为反馈量，通过PID算法计算得到DA调整命令传输给该DSP电参数测量采集电路，该DSP电参数测量采集电路根据DA调整命令中偏差值大小，调节DA输出控制的大小，控制该直流调速器，该直流调速控制该直流电机的励磁电压和励磁电流大小，使得该直流电机产生要求的交变转矩；该DSP电参数测量采集电路包括电压电流接口，DSP采集板，电压电流调理电路，硬件分频电路，直流调速器控制电路和转矩转速接口，该电压电流接口连接于该抽油机电机的输入端，接收该抽油机电机的输入端的电压电流信号，并将电压电流信号通过互感器传输给该电压电流调理电路，该电压电流调理电路连接于该电压电流接口，用于将电压电流信号转化为该DSP采集板可以采集的0-3.0V之间，该转矩转速接口连接于该扭矩转速传感器，接收该扭矩转速传感器的扭矩转速信号，并将扭矩转速信号通过屏蔽线接入该硬件分频电路，该硬件分频电路连接于该转矩转速接口，并将扭矩转速信号进行分频，该DSP采集板连接于该电压电流调理电路和该硬件分频电路，该电压电流调理电路输出信号通过AD采集输入该DSP采集板进行FFT分析计算其有效值和功率这些抽油机电参数，该硬件分频电路输出信号通过外部中断接入该DSP采集板计算其频率，该DSP采集板将采集计算的抽油机电机的电参数和反馈命令通过SPI总线传输至该DSP核心控制系统，该DSP核心控制系统将发送DA调整命令通过SPI总线传输至该DSP采集板，该直流调速器控制电路连接于该DSP采集板和该直流调速器，并在该DSP采集板的控制下产生-10~+10V直流电压控制该直流调速器，进而控制该直流电机产生交变转矩；

该硬件分频电路由硬件计数器组成，为了增加测量精度分别将扭矩和转速信号进行20和2分频；该DSP电参数测量采集电路还包括电源电路，该电源电路连接于该DSP采集板，该电压电流调理电路，该分频电路和该直流调速器控制电路，并为它们提供所需电压源。

2.根据权利要求1所述的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，其特征在于，该直流调速器为四象限变频器，该四象限变频器实现能量双向流动。

3.根据权利要求1所述的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，其特征在于，该抽油机电机可根据要求替换为三相异步电机、永磁同步电机、高转差电机这些油田机采系统常用电机，该抽油机电机各种电参数包括电机三相电压电流、视在功率、有功功率、功率因数、输出功率，扭矩转速。

4.根据权利要求1所述的电机试验用抽油机交变载荷加载控制器，其特征在于，该DSP核心控制系统导入抽油机现场测试数据即为在油井现场抽油机上测得的抽油机现场数据作为控制目标，该抽油机现场测试数据包括抽油机示功图和电功图。