CN106505928A - 一种避免潜油直线电机碰撞的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免潜油直线电机碰撞的控制方法，所述潜油直线电机包括定子和动子，所述定子上设置有上限位装置和下限位装置，所述动子在所述上限位装置和下限位装置之间往复运动，其运动过程包括交替的运动期和等待期，其特征在于，所述方法包括：基于所述潜油直线电机的电压获取位移信息并且基于位移信息改变驱动电机的驱动电压。本发明的控制方法还可以对潜油直线电机冲次无级调节方法，该优选方法在基本不增加动子位置保持耗电的情况下，保持动子位置不变的同时实现冲次无级调节。

Description

一种避免潜油直线电机碰撞的控制方法

技术领域

本发明属于石油开采设备领域，具体涉及一种避免潜油直线电机动子频繁碰撞与实现冲次无级调节的控制方法。

背景技术

油田普遍采用游梁式抽油机，这种采油方式通过机械传动的方式将皮带轮的旋转运动转换为抽油杆的上下往复运动，因而结构简单，可靠性高，但也存在传动环节效率损失大、管杆偏磨与噪声大等不足。

使用潜油往复式直线电机的抽油机，其驱动电机为圆筒形直线电机，该电机定子线圈密封在外筒内，内筒是由永磁体组成的动子，向定子输入三相交流电压，即可驱动动子做上下往复运动。因为相对磕头机省去了旋转运动到直线运动的转换环节，所以潜油直线电机效率得以提高。

潜油直线电机在我国各油田试用，但故障频发，可靠性低。经过对大量潜油直线电机的故障分析，发现定子外壳破损后井液进入导致线圈短路是直线电机故障的一个重要原因。

发明内容

经过分析，潜油直线电机定子破损的一个重要原因是动子与定子的限位机构发生频繁碰撞，这主要是因为：潜油直线电机在上下运动之间有一定的等待时间，在该段时间内，由于抽油泵不可避免的存在泄漏或抽空，电机动子因而承受抽油泵柱塞施加的向下或向上的作用力，该作用力往往会将动子拖动，产生位移偏差。经过一定时间的积累后，该误差将导致电机动子与定子限位机构发生碰撞。如果电机长时间以这种状态运行，必然导致定子机械强度因为频繁碰撞而降低，直至破损，井液从破损处进入定子导致线圈短路故障发生，电机寿命进而缩短。

另一方面，由于潜油直线电机的构造导致其无法安装碰撞传感设备，即便发生了偏移和碰撞，也无法及时纠正。

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种避免潜油直线电机碰撞的控制方法，所述潜油直线电机包括定子和动子，所述定子上设置有上限位装置和下限位装置，所述动子在所述上限位装置和下限位装置之前往复运动，其运动过程包括交替的运动期和等待期，其特征在于，所述方法包括：基于所述潜油直线电机的电压获取位移信息并且基于位移信息改变驱动电机的驱动电压。

进一步地，所述方法包括下述步骤：

步骤(1)、启动控制程序；

步骤(2)、获取所述定子的当前输入电压频率f；

步骤(3)、根据所述定子的当前输入电压频率f计算所述动子的实时速度，v＝2τf，公式中v是所述潜油直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距；

步骤(4)、基于所述动子的实时速度计算所述动子的位移，即s＝∑vT_s，公式中，s为所述动子的实时位移，T_s是程序中断周期或测量周期；

步骤(5)、将计算得到的所述动子的实时位移值s与设定位移值S_SET进行比较；

步骤(6)如果s<S_SET，判定所述动子当前正处于运动期，驱动所述直流潜油电机继续上/下运行；

步骤(7)、如果s≥S_SET，判定所述动子处于等待期，进行延时等待计数；

步骤(8)、将延时计数值t与设定的延时时间T_d进行比较判断等待期是否结束，如果t<T_d，判定等待期尚未结束，以一反向低压直流电压驱动所述潜油直流电机，以保持所述动子位置不变；如果t≥T_d，判定等待期结束，停止输出直流电压并将位移变量与延时计时变量清0，返回步骤(2)。

进一步地，所述反向直流电压驱动所述动子抵靠所述定子的上限位装置或下限位装置。

进一步地，所述方法还包括在所述步骤(5)之后，插入下述步骤：

步骤(5.1)如果s≥S_SET，判定本次运动过程顺利结束，所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞，跳转至步骤(8)；

步骤(5.2)、如果实时位移值s<S_SET，认定当前正处于运动期，计算当前电流值对时间变化率，[i(k)-i(k-1)]/T_s，公式中，i(k)是当前采样周期得到的定子电流值，i(k-1)是上一个采样周期得到的定子电流值；

步骤(5.3)如果斜率的绝对值小于等于预定阈值，则将当前点判定为电流波形的驻点，对判断为驻点的点，记录当前的时刻，并将所记录的当前时刻与上一个相邻驻点的时刻值做差得到两个驻点的时间间隔；

步骤(5.4)、如果斜率的绝对值大于预定阈值，则判定当前点不是电流波形驻点；

步骤(5.5)、判定两个驻点的时间间隔是否在0.4～0.6倍定子输入电压周期范围内，如果时间间隔在0.4～0.6倍定子输入电压周期范围内，则判定所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞，跳转至步骤(8)；否则，判定所述定子发生碰撞，继续执行步骤(6)。

进一步地，所述方法还包括在保持总冲次不变的情况下，以高冲次运行第一预定时间段，然后停机第二预定时间段。

本发明的方法可以通过实施例中的控制电路实现。

本发明的控制方法使动子在等待期间克服抽油泵栓塞施加的作用力，避免此作用力导致动子位移偏差，降低动子碰撞频率。另外为使本发明方法适用于低产油井，本方法也公开了一种不增加动子保持耗电同时可实现冲次无级调节的方法。

本发明通过比较实时位移与设定位移来判断当前电机是出于上/下行运动期间还是在等待时间。如果实时位移大于或等于设定位移，则电机处于等待时间内，这是控制柜输出一定幅值的直流电压，使电机的定子与动子间形成一个稳定磁场，该磁场对动子施加的作用力足够大，可克服抽油泵栓塞对动子施加的作用力，因而可以保持动子位置不变，不产生位移偏差，也就不会产生碰撞。程序在输出直流的过程中一直不断计时，一旦等待时间结束，就重新开始新一轮的运行；如果实时位移小于设定位移，则电机处于上/下行运行时间内，控制柜输出三相交流电压给直线电机定子，驱动电机上/下往复运行。

控制柜输出直流电压会在潜油电缆与定子线圈上消耗电能，降低系统效率。在产液量丰富的油井，直线电机运行冲次高，等待时间远小于运行时间，保持耗电对系统效率影响很小；在产液量匮乏的油井，因为直线电机运行冲次低，等待时间与运行时间可比甚至远大于运行时间，这时保持耗电在系统耗电中占比大大增加，导致系统效率明显降低。

为了在低产液油井中降冲次运行的同时不增加动子位置保持耗电，本方法采用的冲次无级调节方案是：将直线电机冲次在长时间内做等效，即直线电机在一段时间以高冲次运行，剩余一段时间停机。通过调节运行时间，可无级调节冲次。在油井产液量一定的情况下，相对于以低冲次一直运行，采用运行-停机模式的电机动子运动总时间不变，但控制柜输出直流的等待时间明显变短，动子保持耗电显著降低。

本发明的优点是：1、易于实现；2、避免动子碰撞；3.效率损失小。

附图说明

图1是本发明采用的潜油直线电机结构示意简图；

图2是根据本发明一个实施例的控制柜主电路拓扑；

图3是根据本发明一个实施例的控制柜输出电压波形；

图4是采用降低保持耗电的冲次无级调节方法时的控制柜输出电压示意图；

图5是避免频繁碰撞算法的程序流程图；

图6是直线电机冲次无级调节的程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明进行详细说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例描述的范围之中。

图1是本发明采用的潜油直线电机结构示意简图。潜油直线电机为圆筒形同步电机，直线电机定子线圈密封在外筒中，由永磁体组成的圆柱形动子被外筒包围。控制柜向电机定子输入三相交流电压后会在定子中产生行波磁场，该磁场可驱动动子上/下往复运行。为避免动子向上或向下脱离定子，电机定子上下两端均有限位装置。电机下部的限位装置采用封闭圆筒，在圆筒上连接缓冲弹簧以减轻碰撞强度。为实现上部限位，动子的直径设计为上端小下端大，电机上部的出口直径大于动子上端直径但小于下端直径，这样动子向上运动到端点时将因为直径过大而卡住，实现上部限位。在运行过程中，如果动子运动到上下端点，则会与限位装置发生碰撞，长时间的频繁碰撞必然导致定子机械结构强度降低直至破损，井液从破损处进入定子后将导致直线电机定子线圈相间或对外壳短路故障。

图2是根据本发明实施例的一个潜油直线电机控制柜主电路结构示意图。如图2所示，三相交流输入电压输入一个十二脉波自耦变压器，该自耦变压器输出两组三相交流电压A₁B₁C₁和A₂B₂C₂，这两组三相电压对应相的相位差为30度，即A₁、B₁、C₁的相位超前或滞后A₂、B₂、C₂的相位30度。三相电压A₁B₁C₁输入三相桥式不控整流模块REC₁，三相电压A₂B₂C₂输入三相桥式不控整流模块REC₂，整流模块REC₁和REC₂输出的正极分别连接到平衡电抗器L₁两端点，整流模块REC₁和REC₂输出的负极分别连接到平衡电抗器L₂两端点。平衡电抗器L₁的中点连接到直流母线电容C_dc的正极，平衡电抗器L₂的中点连接到直流母线电容C_dc的负极。Q₁-Q₂,Q₃-Q₄,Q₅-Q₆为3个IGBT半桥模块，Q₁，Q₃，Q₅为这3个半桥模块的上管，它们的集电极都接到直流母线电容C_dc的正极，Q₂，Q₄，Q₆为这3个半桥模块的下管，它们的发射极都接到直流母线电容C_dc的负极。Q₁，Q₃，Q₅的发射极接到输出滤波电感L₃，L₄，L₅的输入侧。3个滤波电容C₁，C₂，C₃跨接在滤波电感L₃，L₄，L₅的输出侧。直线电机的定子线圈通过潜油铠装电缆分别连接到滤波电感L₃，L₄，L₅的输出侧。当然，本领域技术人员应该理解，本发明还可以采用其他类型的控制电路。

图3是根据本发明一个实施例的控制柜输出电压波形。波形上部方框为概览图，下部方框为概览图右侧小方框的放大图。波形中波峰低的是定子电流波形，波峰高的是定子线电压波形。在概览图中，电压电流波形均为正弦的时段为动子运动时段，这时根据定子电压的不同相序，动子向上或向下运行，电压电流波形均为直线的时段为动子等待时段，等待时间完成后，定子电压相序反相，电机换向运行，即直线电机的运行规律为向下运行-等待-向上运行-等待，并以此规律不断循环运行。从波形下部的放大图中可以看出，在动子上下运行间的等待时间内，定子电压与电流均为直流，这样可以在定子线圈内形成稳定磁场，该磁场与永磁体动子行成的磁场相互作用，该磁场对动子施加的作用力可克服抽油泵栓塞施加对动子施加的作用力，保持动子位置不变。

图4是采用可降低保持耗电的冲次无级调节方法时的控制柜输出电压示意图。从图中可以看出，控制柜采用运行-停机的循环模式运行，运行过程中电机以最高冲次运行，等待时间内输出直流保持动子位置不变，在停机时间内，控制柜停止输出电压。为说明该方法降低动子位置保持耗电的效果，举个例子：假设电机需要以0.4冲次/分钟的低冲次运行，以往的做法是每2.5分钟运行一个循环，其中上/下行时间各为3秒钟，间隔等待时间为72s，这样在8小时内的输出直流电压的总时间为8×60×72×2×0.4＝27650秒。作为对比，采用本发明公开的冲次调节方法，同样以8小时为周期，电机以8冲次/分钟的高冲次运行0.4小时(对应图中的t₁时段)，停机7.6小时(对应图中的t₂时段)后再以此规律开始新一轮运行。在运行时段内，每个冲次的动子上/下行时间各为3秒钟，间隔等待时间为0.75s。这样在8小时内的输出直流电压的总时间为0.4×60×0.75×2×8＝288秒，，对比两种方案中输出直流电压的时间可以看出，采用本方法提出的冲次无级调节方法后，输出直流时间极大减小，对系统效率影响很小，可适用于产液量低的油井。

图5是避免频繁碰撞算法的程序流程图。进入程序后，首先根据当前输出电压频率f计算动子实时速度，根据同步电机的同步特性，v＝2τf，公式中v是直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距，这是一个常量，f是定子电压的频率，由控制板控制，是一个已知量。从公式中可以看出，直线电机的动子运动速度与定子电压的频率成正比。因为定子电压频率由主控制板控制，是一个已知量，因此动子实时速度可相应计算得到。

再计算动子速度对时间的积分即得到动子的实时位移，即s＝∑vT_s，公式中，s为动子的实时位移，v是直线电机动子的运动速度，T_s是程序中断周期，为保证计算精度，一般为微秒量级。将计算得到的实时位移值s与设定位移值S_SET(设定位移值由电机结构允许的最大冲程与抽油机冲次、排量决定)做比较，如果s<S_SET，说明当前正处于运动过程中，控制柜继续输出三相交流电压驱动电机上/下运行(在设定的位移达到之前，控制柜一直输出交流驱动电机运行，位移完成等待一段时间后，控制柜改变输出交流电压的相序使电机反向运行，以此规律不断重复)，如果s>＝SSET，说明当前为等待时段，再通过比较延时计数值t与设定的延时时间T_d判断等待时间是否结束，如果t<T_d，说明等待时间没有结束，控制柜一直输出直流电压保持动子位置不变，同时延时时间计数值t不断累加；如果t>＝T_d，说明等待时间结束，控制柜停止输出直流电压并将位移变量与延时计时变量清0，为下一轮输出交流电压驱动电机做准备。

此外，考虑到输出低压直流来维持动子保持固定也是需要成本的，本发明可以采用两种方式进行解决，一种是对碰撞进行检测，仅在发生碰撞之后，输出低压进行电流维持，动子归位正常运行时不输出低压。另一种是按照图6所示进行无级调节。

根据定子电流波形上相邻驻点间的时间间隔判断电流波形是否发生畸变，进而判断是否发生碰撞。程序流程如下：进入程序后，主控板首先采样定子电流并做软件滤波去除干扰，再根据当前输出电压频率f计算动子实时速度，即v＝2τf，公式中v是直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距，这是一个常量，f是定子电压的频率，由控制板控制，是一个已知量。并进一步计算动子位移，即s＝∑vT_s，公式中，s为动子的实时位移，v是直线电机的动子运动速度，T_s是程序中断周期，为保证计算精度，一般为微秒量级。将计算得到的实时位移值s与设定位移值S_SET(设定位移值由电机结构允许的最大冲程与抽油机冲次、排量决定)做比较，如果s>＝S_SET，说明本次运动过程顺利结束，未发送碰撞，在等待期间将驻点时刻值清0，为下一轮检测做准备；如果实时位移值s<S_SET，说明当前正处于运动过程中，这时计算当前电流值对时间变化率,即[i(k)-i(k-1)]/T_s，公式中，i(k)是当前采样周期得到的定子电流值，i(k-1)是上一个采样周期得到的定子电流值，T_s是程序中断周期。如果斜率接近0，比如在-0.05～0.05之间，说明当前点为电流波形的驻点，如果斜率不在这个范围，说明当前点不是电流波形驻点。对判断为驻点的点，记录当前的时刻，并和记录的上一个相邻驻点的时刻值做差得到两个驻点的时间间隔。在未发生碰撞时，该时间间隔为0.5倍输出电压周期，在发生碰撞后，该间隔会大大减小。根据这个原理检测相邻驻点间的时间间隔，如果该时间间隔在0.4～0.6倍输出电压周期，则说明电流波形未发送畸变，电机未碰撞；如果该时间间隔在0～0.35倍输出电压周期，说明电流波形发生畸变，电机发生碰撞。

图6是直线电机冲次无级调节的程序流程图。该程序段在中断中执行，程序流程如下：进入程序后，首先根据油井产液量计算运行冲次k_r，然后根据选定的周期时间T_r计算以最高冲次8冲次/分钟运行的时间，其值为(k_r/8)T_r，在每个周期剩余的(1-k_r/8)T_r时间中，控制柜停机。首先将时间计数值t与运行时间(k_r/8)T_r做比较判断当前是否为运行时段，如果t<＝(k_r/8)T_r，则当前为运行时段，控制柜以最高冲次(8冲次/分钟)驱动电机运行，如果t>(k_r/8)T_r，则说明当前为停机时段，然后再将时间计数值t与周期时间T_r做比较判断停机时间是否结束，如果停机时间结束，则将时间计数值清0，如果停机时间没结束，则继续停机等待，并将时间计数值累加。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种避免潜油直线电机碰撞的控制方法，所述潜油直线电机包括定子和动子，所述定子上设置有上限位装置和下限位装置，所述动子在所述上限位装置和下限位装置之间往复运动，其运动过程包括交替的运动期和等待期，其特征在于，所述方法包括：基于所述潜油直线电机的电压获取位移信息并且基于位移信息改变驱动电机的驱动电压。

2.根据权利要求1所述的避免潜油直线电机碰撞的控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤(1)、启动控制程序；

步骤(2)、获取所述定子的当前输入电压频率f；

步骤(3)、根据所述定子的当前输入电压频率f计算所述动子的实时速度，v＝2τf，公式中v是所述潜油直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距；

步骤(4)、基于所述动子的实时速度计算所述动子的位移，即s＝∑vT_s，公式中，s为所述动子的实时位移，T_s是程序中断周期或测量周期；

步骤(5)、将计算得到的所述动子的实时位移值s与设定位移值S_SET进行比较；

步骤(6)如果s<S_SET，判定所述动子当前正处于运动期，驱动所述直流潜油电机继续上/下运行；

步骤(7)、如果s≥S_SET，判定所述动子处于等待期，进行延时等待计数；

步骤(8)、将延时计数值t与设定的延时时间T_d进行比较判断等待期是否结束，如果t<T_d，判定等待期尚未结束，以一反向低压直流电压驱动所述潜油直流电机，以保持所述动子位置不变；如果t≥T_d，判定等待期结束，停止输出直流电压并将位移变量与延时计时变量清0，返回步骤(2)。

3.根据权利要求2所述的避免潜油直线电机碰撞的控制方法，其特征在于，所述反向直流电压驱动所述动子抵靠所述定子的上限位装置或下限位装置。

4.根据权利要求2所述的避免潜油直线电机碰撞的控制方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤(5)之后，插入下述步骤：

步骤(5.1)如果s≥S_SET，判定本次运动过程顺利结束，所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞，跳转至步骤(8)；

步骤(5.2)、如果实时位移值s<S_SET，认定当前正处于运动期，计算当前电流值对时间变化率，[i(k)-i(k-1)]/T_s，公式中，i(k)是当前采样周期得到的定子电流值，i(k-1)是上一个采样周期得到的定子电流值；

步骤(5.3)如果斜率的绝对值小于等于预定阈值，则将当前点判定为电流波形的驻点，对判断为驻点的点，记录当前的时刻，并将所记录的当前时刻与上一个相邻驻点的时刻值做差得到两个驻点的时间间隔；

步骤(5.4)、如果斜率的绝对值大于预定阈值，则判定当前点不是电流波形驻点；

步骤(5.5)、判定两个驻点的时间间隔是否在0.4～0.6倍定子输入电压周期范围内，如果时间间隔在0.4～0.6倍定子输入电压周期范围内，则判定所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞，跳转至步骤(8)；否则，判定所述定子发生碰撞，继续执行步骤(6)。

5.根据权利要求2所述的避免潜油直线电机碰撞的控制方法，其特征在于，所述方法还包括在保持总冲次不变的情况下，以高冲次运行第一预定时间段，然后停机第二预定时间段。