CN110855216A - 一种抽油机变频器的制动电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种抽油机变频器的制动电压控制方法，当采样得到的直流母线电压大于控制器设定的直流母线限值时，调节控制器最小输出转矩限幅值，尽量减小回馈制动能量，使电机工作在第Ⅰ象限，将该部分能量转化为机械系统的机械能，增加的机械能使得电机转速上升；采样的电机转速大于控制器给定的电机最大允许转速，恢复控制器最小输出转矩限幅值，电机转速下降，直流母线电压升高，变频器工作在电机限速和变频器直流母线限压的平衡状态下，当采样的直流母线电压大于控制器给定最大直流母线电压，控制器开通制动电路，通过制动电阻R消耗能量，防止电压过高损坏主电路功率器件和滤波电容。

Description

一种抽油机变频器的制动电压控制方法
技术领域
本发明涉及一种变频器，特别是涉及一种抽油机变频器的控制方法。
背景技术
随着科技的发展，变频器在调速、节能方面体现出的优势已为大家所普遍认同。不但实现了软起、软停，而且可根据用户的需要，平滑的改变电机的转速，对抽油机的节能改造来说是很适用的。但是由于抽油机是位能性负载，在平衡块下放或驴头抬起时，存在着能量制动回馈状态，即所说的再生发电，其发出的电能通过逆变模块的续流二极管，倒灌回变频器的母线电容，严重时将会导致母线电压过高，使主电路器件：滤波电容、IGBT模块过压损坏，因此必须对这部分能量进行处理。
目前普遍采用的抽油机变频器有以下两种：
通用变频器：主回路是二极管不可控整流和PWM可控逆变部分。为了消耗再生发电的能量，在直流桥侧并联包含电阻和晶体管的能耗电路，当直流回路的电压超过规定值时，接通能耗电路时直流回路通过制动电阻释放能量，该方案的不足之处是能量损耗太大，且当油井逐渐抽空或抽油机平衡效果变差时，电机发电现象逐渐严重，制动电阻上承受的能量逐渐增大直至最后发热烧坏。
四象限变频器：主回路的整流和逆变两部分均采用PWM控制，当电机处于再生发电运行状态时，控制逆变电路工作在整流状态，通过逆变电路的二极管向直流侧供电，而整流电路工作在逆变状态，直流侧通过IGBT向电网反馈电能。该方案缺点在于主电路成本较高，控制复杂，一般不常采用。
发明内容
本发明的目的是提供一种抽油机变频器的制动电压控制方法。应用本发明的抽油机变频器和通用变频器的拓扑结构相同，无需额外的硬件支持，也无需复杂的算法，本发明即可改善当前通用变频器的不足。
本发明在通用变频器的基础上，将发电状态下本应该直接由制动电阻消耗的再生能量转化为配重块的势能，储存在机械系统中。由于曲柄的机械换向作用，储存的机械势能重新转化为动能，使得电机回馈的电能充分利用，达到节约电能的效果。
本发明的主要原理如下：
由三相交流电机工作特性可知，电机工作在Ⅰ、Ⅲ象限为电动机，工作在Ⅱ、Ⅳ象限为发电机。当抽油机系统的“负扭矩”拖动电机时，会使电动机以大于其同步转速的转速运动，电机输出转矩为负，此时电动机处于第Ⅱ象限的正向反馈制动状态，将抽油机系统中的机械能转换成电能，电动机成为一台发电机，变频器直流母线电压升高。本发明通过检测变频器直流母线电压，判断电机处于电动状态还是发电状态，当电机处于发电状态时，调节控制系统的转矩输出限幅值，使电机工作在第Ⅰ象限，防止阻力转矩的产生，将本来由电机发电产生的再生能量转化为机械能储存在机械系统中，减少了能量的消耗。
应用本发明的抽油机变频器主电路包括三相不控整流模块、制动单元、滤波电容和三相逆变模块，电压采样模块检测变频器直流母线电压，转速采样模块检测电机转速，控制器根据采样获得的直流母线电压、电机转速输出控制信号，作用于主电路的制动单元和三相逆变模块，三相逆变模块输出电压控制电机。
本发明采用三级泄放控制策略，具体如下：
所述的输出转矩限幅：电机处于发电状态，电压采样模块检测到直流母线电压升高，控制器调节输出转矩限幅值，使得电机输出的最小转矩为零，电机不再发电，从而限制了直流母线电压，这部分能量转化为抽油机四连杆系统的机械能，避免了能量的损失。
所述的电机限速：由于输出转矩限幅产生的系统机械能大部分转化为曲柄平衡块的动能，电机转速升高。当抽油机系统平衡较差或油井逐渐抽空时，转化生成的平衡块动能较大，电机转速过高，机械系统运行在超负荷状态，长时间工作易损坏。当转速采样模块检测到电机转速超过一定值时，控制器恢复电机的输出转矩限幅值，电机处于发电状态而转速降低，变频器工作在电机限速和直流母线限压的平衡状态下，一定程度上减小了的能量损耗，也避免了机械系统的超负荷运行。
所述的直流侧限压：电机限速状态下，变频器直流母线电压持续上升，而过高的直流母线电压除了会造成能量的损失之外，还会极大的影响电网侧的功率因素，严重时还将损坏主电路功率器件和滤波电容。当直流侧电压超过某一最大限定值，则开通制动单元，类似于通用变频器通过制动电阻消耗能量。正常情况下，抽油机多工作于输出转矩限幅和电机限速状态下，直流侧限压相当于一级保护电路，相比于通用变频器，极大的延长了制动电阻的使用寿命。
与通用变频器相比，应用本发明控制方法的变频器限制了直流母线电压，减小了能量损耗，只需要闭环调节输出转矩的限幅值，无需多余的硬件支持，一定程度上实现了变频器电机限速和直流母线限压的平衡工作状态。
附图说明
图1三相交流电机恒功率工作特性曲线图；
图2为本发明抽油机变频器系统结构示意图；
图3为本发明抽油机变频器控制策略结构图；
图4为本发明抽油机变频器制动电压限制控制流程图。
图中，J01三相交流电机恒功率曲线，J02反向制动发电量，C1第一滤波电容、C2铝箔电容、C3第三滤波电容、C4第四滤波电容，J功率器件IGBT，R制动电阻，M电机，11三相不控整流模块，12制动单元，13电压采样模块，14第一控制信号，15第二控制信号，16控制器，17转速采样模块，18、113三相逆变模块，101矢量控制模块，102输出转矩限幅值调节模块，103、104、105、106PI调节模块，107开关模块，108输出转矩限幅模块，109、111、112矢量控制坐标变换模块，110矢量控制发波模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
以游梁式抽油机的通用变频器为例说明本发明抽油机变频器的制动电压限制控制策略。
图2是应用本发明的抽油机变频器系统结构示意图，抽油机变频器系统的主电路包括三相不控整流模块11、制动单元12、滤波电容C1～C4和三相逆变模块18，电压采样模块13检测变频器直流母线电压，转速采样模块17检测电机转速，控制器16根据采样获得的直流母线电压Ud、电机转速nrel输出第一控制信号14、第二控制信号15，第一控制信号14作用于功率器件J，第二控制信号15作用于三相逆变模块18，三相逆变模块18输出电压控制电机M。
如图3所示，本发明抽油机变频器控制策略主要由矢量控制结构101和输出转矩限幅值调节模块102实现。转速闭环矢量控制结构包括PI调节模块103、104、105、106，矢量控制坐标变换模块109、111、112和矢量控制发波模块110，工作在发电状态时，通过输出转矩限幅值调节模块102作用于限幅模块108，改变其限幅值，使电机不再发电，具体实施步骤如图4所示：
步骤S01中，将采样的变频器直流母线电压Ud和电机转速nrel送给控制器16，控制器16给定基准电压Udc和最大电压允许Umax，电机转速给定电机正常转速nref和电机最大允许转速nmax；
步骤S02、S03、S04中，控制器16将采样的直流母线电压Ud与给定的基准电压Ud和最大允许Umax进行比较，采样的电机转速nrel与控制器16给定的电机最大允许转速nmax进行比较，比较后的结果分为正常工作、直流母线升压、电机超速和直流母线过压四类；
步骤S05中，当变频器直流母线电压Ud小于给定的基准电压Udc，电机正常工作在电动状态，控制器16给定的电机转速nref与采样的电机转速nrel作差，经过PI调节模块104和限幅模块108，通过矢量控制模块101恒转速调节电机；
步骤S07中，变频器直流母线电压Ud大于给定的基准电压Udc，电机工作在发电状态，电机转速nrel小于给定电机最大允许转速nmax，开关模块107闭合，电压采样模块13采样的直流母线电压Ud与控制器16给定的基准电压Udc作差，经过PI调节输出，控制器16给定的初始输出转矩最小限幅值imin与PI输出值作差，得到另一输出最小转矩限幅值imed，该最小转矩限幅值经过开关模块107作用于输出转矩限幅模块108，发电状态下imed逐渐增大至零，使得输出转矩也接近于零，电机不再工作在第Ⅱ象限，该部分能量转化为机械系统的机械能，电机转速升高。
步骤S08中，转速采样模块17采样获得的电机转速nrel大于给定的电机最大允许转速nmax，电机工作在超速状态。电机转速nrel与给定的电机最大允许转速nmax的差值小于0，开关模块107断开，输出转矩限幅模块108恢复最小输出转矩限幅值，电机正常运行在矢量控制模块101，进入发电状态，转速降低。只要变频器直流母线电压Ud小于给定的最大允许电压Umax，变频器工作在电机限速和直流母线限压的平衡状态下。
步骤S06中，变频器直流母线电压Ud大于给定的最大允许电压Umax，直流母线过压，控制器16输出PWM信号作用于功率器件J，导通制动单元12，制动电阻R消耗能量，避免直流母线电压过高损坏主电路功率器件和滤波电容。

Claims (5)

1.一种抽油机变频器的制动电压控制方法，所述的抽油机变频器的主电路包括三相不控整流模块(11)、制动单元(12)、滤波电容(C1～C4)和三相逆变模块(18)；电压采样模块(13)检测变频器直流母线电压，转速采样模块(17)检测电机转速，控制器(16)根据采样获得的直流母线电压信号(14)、电机转速输出控制信号(15)，作用于功率器件J和三相逆变模块(18)，三相逆变模块(18)输出电压至控制电机M，其特征在于：电压采样模块(13)检测所述抽油机变频器的直流母线电压，转速采样模块(17)检测电机转速，控制器(16)对检测得到的直流母线电压Ud与给定基准电压Udc进行比较，同时对检测得到的电机转速nref与给定最大允许转速进行比较，根据比较结果控制器(16)采用输出转矩限幅、电机限速和直流侧限压的三种制动电压控制方法，将发电状态下本应该直接由制动电阻消耗的再生能量转化为配重块的势能，储存在机械系统中，由于曲柄的机械换向作用，储存的机械势能重新转化为动能，使得电机回馈的电能充分利用。
2.如权利要求1所述的抽油机变频器的制动电压控制方法，其特征在于：所述的输出转矩限幅方法为：电机处于发电状态，电压采样模块(13)检测到的直流母线电压Ud大于控制器(16)给定基准电压Udc，控制器(16)调节输出转矩限幅值，使得电机输出的最小转矩为零，电机不再发电，从而限制了直流母线电压，这部分能量转化为抽油机四连杆系统的机械能，避免了能量的损失。
3.如权利要求1所述的抽油机变频器的制动电压控制方法，其特征在于：所述的输出转矩限幅方法为：电机处于发电状态，电压采样模块(13)检测到的直流母线电压Ud大于控制器(16)给定基准电压Udc，将采样得到的直流母线电压Ud与给定基准电压Udc作差，经过PI调节输出最小转矩限幅值，电机输出转矩由负值逐渐接近于零，发电能力减弱，从而限制了直流母线电压，这部分能量转化为抽油机四连杆系统的机械能，减少了能量的损失。
4.如权利要求1所述的抽油机变频器的制动电压控制方法，其特征在于：所述的电机限速方法为：由于输出转矩限幅产生的系统机械能大部分转化为曲柄平衡块的动能，电机转速升高；当转速采样模块检测到电机转速超过一定值时，控制器(16)恢复电机的输出转矩限幅值，电机处于发电状态而转速降低，变频器工作在电机限速和直流母线限压的平衡状态下。
5.如权利要求1所述的抽油机变频器的制动电压控制方法，其特征在于：所述的直流侧限压方法为：电机限速状态下，变频器直流母线电压持续上升，当直流侧电压超过某一最大限定值，则开通制动单元，通过制动电阻R消耗能量；正常情况下，抽油机多工作于输出转矩限幅和电机限速状态下，直流侧限压相当于一级保护电路。
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