CN107171615A - 电机能量回馈控制方法、装置及采油设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电机能量回馈控制方法及装置，应用于采油设备中，该电机能量回馈方法包括以下步骤：获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及电机的三相工作电流；根据电压直流母线电压和变频器的三相输出电流方向即电机的三相工作电流方向，确定电机的当前工作状态；当确定电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高变频器的输出频率，使电机退出负转矩状态。本发明解决了电机处于发电制动状态，而使电机的传动系统中所存储的机械能经电机转换成电能回馈至电机的驱动变频器中，导致变频器过压的问题。

Description

电机能量回馈控制方法、装置及采油设备

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机能量回馈控制方法、装置及采油设备。

背景技术

采油设备等具有电机，且需要消耗巨大电量的大型设备，在电机所传动的威能负载下放时，电机将可能处于发电制动状态，此时电机的传动系统中所存储的机械能经电机转换成电能回馈至电机的驱动电路中，从而使电机的电压升高，为了避免电机过压，大多通过增加制动单元和制动电阻，以耗能的方式将电机回馈的能量消耗掉从而降低电机的电压，这种方式容易造成电机发热严重。或者，采用增加能量回馈装置，把电机回馈的能量回送到的电网中来避免电机过压，但是，此种方式容易造成电网电源污染，且成本较高。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种电机能量回馈控制方法、装置及采油设备，旨在解决电机处于发电制动状态，而使电机的传动系统中所存储的机械能经电机转换成电能回馈至电机的驱动电路中，导致电机过压的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种应用于采油设备中的电机能量回馈控制方法，该电机能量回馈方法包括以下步骤：

获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流；

根据所述直流母线电压和所述电机的三相工作电流的电流方向，确定所述电机的当前工作状态；

当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

优选地，所述根据所述直流母线电压，确定所述电机的当前工作状态的步骤之后还包括：

当所述电机的当前工作状态不处于负转矩状态时，则控制所述电机以当前转速运转。

优选地，所述当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态具体包括：

获取电机输入的交流电压，并根据所述交流电压计算所述输入交流电压的相位；

根据所述三相工作电流和所述直流母线电压，采用双环控制算法和电流补偿控制算法生成PWM驱动信号，以驱动变频器调高输出频率后，对所述电机进行调速，直至消除所述电机与所述负载之间的转差；其中，所述电机调节后的转速大于或等于所述负载的当前的转速。

本发明还提出一种电机能量回馈控制装置，应用于采油设备中，该电机能量回馈装置包括：

获取模块，用于获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流；

确定模块，根据所述直流母线电压和所述电机的三相工作电流的电流方向，确定所述电机的当前工作状态；

控制模块，当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

优选地，所述根据所述直流母线电压，确定所述电机的当前工作状态还包括：

当所述电机的当前工作状态不处于负转矩状态时，则控制所述电机以当前转速运转。

优选地，所述当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态具体包括：

获取电机输入的交流电压，并根据所述交流电压计算所述输入交流电压的相位；

根据所述三相工作电流和所述直流母线电压，采用双环控制算法和电流补偿控制算法生成PWM驱动信号，以驱动变频器调高输出频率后，对所述电机进行调速，直至消除所述电机与所述负载之间的转差；其中，所述电机调节后的转速大于或等于所述负载的当前的转速。

本发明还提出一种采油设备，包括如上所述的电机能量回馈控制装置，其中，该电机能量回馈控制装置包括：获取模块，用于获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流；确定模块，根据所述直流母线电压和所述电机的三相工作电流的电流方向，确定所述电机的当前工作状态；控制模块，当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

本发明电机能量回馈控制方法通过获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述变频器的三相工作电流值；并根据所述直流母线电压和所述三相工作电流值，并在确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，以调高电机转速，从而消除电机与负载之间的转差，使所述电机退出所述负转矩状态。本发明解决了电机处于发电制动状态，而使电机的传动系统中所存储的机械能经电机转换成电能回馈至电机的驱动变频器中，导致变频器过压的问题。本发明能量回馈控制方法无需采用制动单元和能量回馈装置，成本较低，对再生能量有效处理，为抽油机提供合适的上下冲程电机转速，达到较佳的下行速度，保证单位采油量能耗较低，节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明电机能量回馈控制方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明电机能量回馈控制装置一实施例的结构框图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种应用于采油设备中的电机能量回馈控制方法。

采油设备包括电机和抽油机，通过电机的传动，带动抽油机中的抽油杆上下往复运动。当电动机所传动的抽油杆下行时，电机转子在外力的拖动或抽油机自身转动惯量的维持下，使得电机的实际转速，也即负载当前转速大于变频器输出的同步转速，也即电机当前转速，电动机将可能处于再生发电制动状态，也即负转矩状态。传动系统中所储存的机械能经电机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路，并储存在变频器的直流母线滤波电容中，导致直流母线电压迅速升高，进而使变频器和电机电压大于预设阈值而影响变频器的正常工作，严重时甚至损坏变频器和电机。

为了避免电机过压，本发明一实施例提出一种电机能量回馈方法，以实现有效处理电机的再生电能，调节电机的直流母线电压。该电机能量回馈方法具体包括以下步骤：

步骤S10、获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流值；

在变频器中，可以通过由分立元器件组成的电压检测电路来获取变频器的直流母线电压和三相工作电流，三相工作电流还可以通过霍尔传感器来获取，在电机运转的过程中，实时获取电机的直流母线电压以及三相工作电流。

步骤S20、根据所述直流母线电压和所述电机的三相工作电流的电流方向，确定所述电机的当前工作状态；

电机运转时，当电机从电网中吸收能量，变频器在直流母线电压基本保持恒定，当电机向直流侧输出再生能量时，这一部分再生能量将通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路，并储存在变频器的直流母线滤波电容中，导致直流母线电压迅速升高，因而根据获取到的直流母线电压可判断电机的工作状态。同时，当这一部分再生能量将通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路时，电机的三相工作电流的相位也即变频器的三相输出电流相位与电动状态运行时的三相工作电流相位是相反的，因而在检测到电机的三相工作电流方向也即变频器的三相输出电流方向发生变化时，即可判断电机的工作状态。

步骤S30、当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

具体地，当确定电机处于负转矩工作状态时，根据直流母线电压和三相工作电流获取电机输入的交流电压，并根据所述交流电压计算所述输入交流电压的相位；以及根据所述三相工作电流和所述直流母线电压，采用双环控制算法和电流补偿控制算法，具体地，将三相工作电流ia、ib、ic经三相(a/b/c)到两相(α/β)变换后，再由两相(α/β)变换到dq坐标系下，得到电流id、iq；根据交流电压计算所述输入交流电压的相位生成补偿电流；将补偿电流叠加到d轴参考电压值以获得所述d轴参考值id-ref。给定电流的无功分量iq-ref的参考值为0，根据所述q轴参考值iq-ref、所述d轴参考值id-ref、q轴电流iq和d轴电流id获取所述压缩机电机的q轴电压分量Vq和d轴电压分量Vq，并根据所述q轴电压分量Vq、所述d轴电压分量Vd以及电压分量V0经过dq0坐标系到αβ0坐标系的转换后，得到Vα、Vβ、V0，然后进行空间矢量调制(SVPWM)调节，以生成驱动逆变桥工作的PWM驱动信号，从而调高变频器的输出频率，对所述电机进行调速，使得电机调节后的转速大于或等于所述负载的当前的转速，消除所述电机与所述负载之间的转差，进而使电机退出负转矩状态，也即退出发电状态。

本发明电机能量回馈控制方法通过获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述变频器的三相工作电流值；并根据所述直流母线电压和所述三相工作电流值确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，调高所述变频器的输出频率，以调高电机转速，从而消除电机与负载之间的转差，使所述电机退出所述负转矩状态。本发明解决了电机处于发电制动状态，而使电机的传动系统中所存储的机械能经电机转换成电能回馈至电机的驱动变频器中，导致变频器过压的问题。本发明能量回馈控制方法无需采用制动单元和能量回馈装置，成本较低，对再生能量有效处理，为抽油机提供合适的上下冲程电机转速，达到较佳的下行速度，保证单位采油量能耗较低，节能环保。

在一优选实施例中，所述根据所述直流母线电压和所述三相工作电流值，判断所述电机的当前工作状态是否为负转矩状态的步骤还包括：

当所述电机的当前工作状态不处于负转矩，则控制所述电机以当前转速运转。

本实施例中，当所述电机的当前工作状态不处于负转矩时，则确定电机处于正常工作状态，电机从电网中吸收能量，变频器在直流母线电压基本保持恒定，变频器输出PWM驱动信号，驱动逆变电路为电机提供电流而是电机以当前转速运转。

本发明还提出一种电机能量回馈控制装置，应用于采油设备中。

采油设备包括电机和抽油机，通过电机的传动，带动抽油机中的抽油杆上下往复运动。当电动机所传动的抽油杆下行时，电机转子在外力的拖动或抽油机自身转动惯量的维持下，使得电机的实际转速，也即负载当前转速大于变频器输出的同步转速，也即电机当前转速，电动机将可能处于再生发电制动状态，也即负转矩状态。传动系统中所储存的机械能经电机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路，并储存在变频器的直流母线滤波电容中，导致直流母线电压迅速升高，进而使变频器和电机电压大于预设阈值而影响变频器的正常工作，严重时甚至损坏变频器和电机。

为了避免电机过压，本发明一实施例提出一种电机能量回馈方法，以实现有效处理电机的再生电能，调节电机的直流母线电压。该电机能量回馈装置具体包括：

获取模块10，用于获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流值；

在变频器中，可以通过由分立元器件组成的电压检测电路来获取变频器的直流母线电压和三相工作电流，三相工作电流还可以通过霍尔传感器来获取，在电机运转的过程中，实时获取电机的直流母线电压以及三相工作电流。

确定模块20，用于根据所述直流母线电压和所述电机的三相工作电流的电流方向，确定所述电机的当前工作状态；

电机运转时，当电机从电网中吸收能量，变频器在直流母线电压基本保持恒定，当电机向直流侧输出再生能量时，这一部分再生能量将通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路，并储存在变频器的直流母线滤波电容中，导致直流母线电压迅速升高，因而根据获取到的直流母线电压可判断电机的工作状态。同时，当这一部分再生能量将通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路时，电机的三相工作电流的相位与电动状态运行时的三相工作电流相位是相反的，因而在检测到电机的三相工作电流方向也即变频器的三相输出电流方向发生变化时，即可判断电机的工作状态。

控制模块30，用于在确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

具体地，当确定电机处于负转矩工作状态时，根据直流母线电压和三相工作电流获取电机输入的交流电压，并根据所述交流电压计算所述输入交流电压的相位；以及根据所述三相工作电流和所述直流母线电压，采用双环控制算法和电流补偿控制算法，将三相工作电流ia、ib、ic经三相(a/b/c)到两相(α/β)变换后，再由两相(α/β)变换到dq坐标系下，得到电流id、iq；根据交流电压计算所述输入交流电压的相位生成补偿电流；将补偿电流叠加到d轴参考电压值以获得所述d轴参考值id-ref。给定电流的无功分量iq-ref的参考值为0，将iq-ref和iq经加法计算和PI调节后，与电流id在q轴的电流耦合量相加后得到电压分量Vd。根据所述q轴给定电流、所述d轴给定电流、q轴实际电流和d轴实际电流获取所述压缩机电机的q轴给定电压和d轴给定电压，并根据所述q轴电压分量Vq、所述d轴电压分量Vd以及电压分量V0经过dq0坐标系到αβ0坐标系的转换后，得到Vα、Vβ、V0，然后进行空间矢量调制(SVPWM)调节，以生成驱动逆变桥工作的PWM驱动信号，从而调高变频器的输出频率，对所述电机进行调速，使得电机调节后的转速大于或等于所述负载的当前的转速，消除所述电机与所述负载之间的转差，进而使电机退出负转矩状态，也即退出发电状态。

本发明电机能量回馈控制装置通过获取模块获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述变频器的三相工作电流值；并根据所述直流母线电压和所述三相工作电流值，并在确定模块确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，通过控制模块调高所述变频器的输出频率，以调高电机转速，从而消除电机与负载之间的转差，使所述电机退出所述负转矩状态。本发明解决了电机处于发电制动状态，而使电机的传动系统中所存储的机械能经电机转换成电能回馈至电机的驱动变频器中，导致变频器过压的问题。本发明能量回馈控制方法无需采用制动单元和能量回馈装置，成本较低，对再生能量有效处理，为抽油机提供合适的上下冲程电机转速，达到较佳的下行速度，保证单位采油量能耗较低，节能环保。

在一优选实施例中，所述根据所述直流母线电压和所述三相工作电流值，判断所述电机的当前工作状态是否为负转矩状态还包括：

当所述电机的当前工作状态不处于负转矩，则控制所述电机以当前转速运转。

本实施例中，当所述电机的当前工作状态不处于负转矩时，则确定电机处于正常工作状态，电机从电网中吸收能量，变频器在直流母线电压基本保持恒定，变频器输出PWM驱动信号，驱动逆变电路为电机提供电流而是电机以当前转速运转。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种电机能量回馈控制方法，应用于采油设备中，其特征在于，该电机能量回馈方法包括以下步骤：

获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流；

根据所述直流母线电压和所述电机的三相工作电流的电流方向，确定所述电机的当前工作状态；

当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

2.如权利要求1所述的电机能量回馈控制方法，其特征在于，所述根据所述直流母线电压，确定所述电机的当前工作状态的步骤之后还包括：

当所述电机的当前工作状态不处于负转矩状态时，则控制所述电机以当前转速运转。

3.如权利要求1所述的电机能量回馈控制方法，其特征在于，所述当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态具体包括：

获取电机输入的交流电压，并根据所述交流电压计算所述输入交流电压的相位；

根据所述三相工作电流和所述直流母线电压，采用双环控制算法和电流补偿控制算法生成PWM驱动信号，以驱动变频器调高输出频率后，对所述电机进行调速，直至消除所述电机与所述负载之间的转差；其中，所述电机调节后的转速大于或等于所述负载的当前的转速。

4.一种电机能量回馈控制装置，应用于采油设备中，该电机能量回馈装置包括：

获取模块，用于获取给电机供电的变频器的直流母线电压以及所述电机的三相工作电流；

确定模块，根据所述直流母线电压，确定所述电机的当前工作状态；

控制模块，当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态。

5.如权利要求4所述的电机能量回馈控制装置，其特征在于，所述根据所述直流母线电压，确定所述电机的当前工作状态还包括：

当所述电机的当前工作状态不处于负转矩状态时，则控制所述电机以当前转速运转。

6.如权利要求4所述的电机能量回馈控制装置，其特征在于，所述当确定所述电机的当前工作状态处于负转矩状态时，则调高所述变频器的输出频率，使所述电机退出所述负转矩状态具体包括：

获取电机输入的交流电压，并根据所述交流电压计算所述输入交流电压的相位；

根据所述三相工作电流和所述直流母线电压，采用双环控制算法和电流补偿控制算法生成PWM驱动信号，以驱动变频器调高输出频率后，对所述电机进行调速，直至消除所述电机与所述负载之间的转差；其中，所述电机调节后的转速大于或等于所述负载的当前的转速。

7.一种采油设备，其特征在于，包括如权利要求4至6任意一项所述的电机能量回馈控制装置。