CN113162510A

CN113162510A - 采油拖动高效智能电机调速控制系统及其调速控制方法

Info

Publication number: CN113162510A
Application number: CN202110391642.9A
Authority: CN
Inventors: 石光锋; 张�杰; 潘伟
Original assignee: Nantong S & P Energy Saving Technology Co ltd
Current assignee: Nantong S & P Energy Saving Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2041-04-12
Also published as: CN113162510B

Abstract

本发明公开了一种采油拖动高效智能电机调速控制系统及其调速控制方法，包括：主控系统，所述主控系统电性连接有主功率器件；电机，所述电机的动力输出端固定安装有采油设备；电流采集模块，所述电流采集模块电性连接主功率器件与主控系统；速度采集模块，所述速度采集模块开设于电机的动力轴上，所述速度采‑集模块电性连接有信息传递模块；本发明通过设置的主控系统计算出保持电机高效运行的导通值，并通过主功率器件执行，实现了电机对负载大小变化的跟踪，实现了无论负载如何变化，电机都能够保持高效运行的目的，提高了电机在进行使用时的综合效率，并且在偏移等负载时，仍然能够具备较高的综合效率。

Description

采油拖动高效智能电机调速控制系统及其调速控制方法

技术领域

本发明涉及智能电机领域，具体为一种采油拖动高效智能电机调速控制系统及其调速控制方法。

背景技术

就油田采油设备的负载来说，具有以下特性。首先，负载大小呈周期周期性变化，最小负载和最大负载差距较大，最小负载为零甚至负载拖动电机，导致倒发电的产生，而在最大负载时，可以达到甚至超高电机额定负载；其次，负载在随着不同的井况，例如，井的深度，含水量的高低，抽油杆的倾斜度等因素，区别很大。基于上述的特点，为了保证设备的可靠运行，所选用的拖动电机功率一般较大，从而导致“大马拉小车”现象非常普遍。对于一般电机来说，电机在额定负载的情况下，效率较高，但在偏离等负载时，效率就会大幅度降低。所以，当拖动电机用在在采油设备上时，由于采油设备的负载特点，导致电机综合效率不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采油拖动高效智能电机调速控制系统及其调速控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，包括：

主控系统，

所述主控系统电性连接有主功率器件；

电机，

所述电机的动力输出端固定安装有采油设备；

电流采集模块，

所述电流采集模块电性连接主功率器件与主控系统；

速度采集模块，

所述速度采集模块开设于电机的动力轴上，所述速度采集模块电性连接有信息传递模块。

其中，所述主控系统以MCU为核心，所述主控系统接收用户给定速度或功率命令UG、电机电流信号及电机速度信号。

其中，所述主功率器件为IGBT，所述主功率器件输入为交流或直流，整流后变为直流，所述主功率器件控制电机的功率。

其中，所述电流采集模块为霍尔电流传感器，所述速度采集模块为霍尔传感器，所述信息传递模块采用屏蔽线或双绞线。

其中，所述电流采集模块通过双电源供电，所述电流采集模块设置数量为三个。

其中，所述主控系统的内部还包括有多个计时器。

其中，所述电机有电压施加时产生的电流，所述电流为直流脉冲的型式

其中，所述主功率器件与电机电性连接。

其中，所述主控系统的核心MCU的型号为STM32F103，所述电机为SRM电机。

一种采油拖动高效智能电机调速控制方法，具体步骤为：

S1：主控系统的MCU同时对电流采集模块进行处理，信号输入代表路，分别定义为PA，PB，PC。该部分由于采用了霍尔器件，除具备高可靠性的特点外，同事具备高速和可采集直流高频电流的特点；

S2：主控系统在t1_s，t2_s，t3_s时刻发出分别发出导通信号open_a，open_b，open_c，并立即启动MCU内部定时器T1，T2，T3，进行计时。该导通信号open_a，open_b，open_c控制主功率器件开通功率管IGBT，施加电压到电机，当电机有电压施加时，就会产生相应的电流；

S3：主控系统在发出导通信号open_a，open_b，open_c的同时，开始通过电流采集模块进行电流信号的检测；

S4：经过一段延时，主控系统则会分别检测到电流信号t1_p，t2_p，t3_p。在检测到电流信号t1_p时，立即停止MCU内部定时器T1，并记录下T1的导通时间，定义为PA；在检测到电流信号t2_p时，立即停止MCU内部定时器T2，并记录下T2的导通时间，定义为PB；在检测到电流信号t3_p时，立即停止MCU内部定时器T3，并记录下T3的导通时间，定义为PC；当负载变小时，PA，PB，PC会相应变大，当负载变大时，PA，PB，PC会相应变小，通过PA，PB，PC的数据大小，计算出出负载的变化情况；

S5：经主控系统的MCU处理，分别输出为PA1，PA2，PB1，PB2，PC1，PC2。低速时，主控系统的MCU做如下处理：PA1=PA2=PA，PB1=PB2=PB，PC1=PC2=PC；当高速时，根据速度的不同，PA1=PA2=PA-K，PB1=PB2=PB-K，PC1=PC2=PC-K，K为一个与速度变化成比例关系的系数，该系数根据测量的电机效率曲线得出。该公式表示输出信号PA1，PA2的比输入信号PA提前K距离；

S6：主功率器件接收主控系统计算出的最佳值，通过PWM宽度调节的形式，控制导通到电机的电压。当负载突然增大时，由于施加到电机上的电压此刻不变，就会导致电机的速度有降低的趋势，并产生微小变化Sde。当负载突然减小时，由于施加到电机上的电压此刻不变，就会导致电机的速度有增大的趋势，并产生微小变化Sin。速度采集模块部分将该微小变化通过速度传输模块传输给主控系统，通过主控系统对上述信号进行PI双闭环处理并获得用于控制输出到电机的PWM宽度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过设置的主控系统计算出保持电机高效运行的导通值，并通过主功率器件执行，实现了电机对负载大小变化的跟踪，实现了无论负载如何变化，电机都能够保持高效运行的目的，提高了电机在进行使用时的综合效率，并且在偏移等负载时，仍然能够具备较高的综合效率，具备凸出的有益效果。

附图说明

图1为本发明的工作原理图。

图1中：1-主控系统；2-主功率器件；3-电机；4-采油设备；5-电流采集模块；6-速度采集模块；7-信息传递模块。

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做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。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，包括：

主控系统1，

所述主控系统1电性连接有主功率器件2；

电机3，

所述电机3的动力输出端固定安装有采油设备4；

电流采集模块5，

所述电流采集模块5电性连接主功率器件2与主控系统1；

速度采集模块6，

所述速度采集模块6开设于电机3的动力轴上，所述速度采集模块6电性连接有信息传递模块7。

其中，所述主控系统1以MCU为核心，所述主控系统1接收用户给定速度或功率命令UG、电机电流信号及电机速度信号，所述主功率器件2为IGBT，所述主功率器件2输入为交流或直流，整流后变为直流，所述主功率器件2控制电机3的功率，所述电流采集模块5为霍尔电流传感器，所述速度采集模块6为霍尔传感器，所述信息传递模块7采用屏蔽线或双绞线，所述电流采集模块5通过双电源供电，所述电流采集模块5设置数量为三个，所述主控系统1的内部还包括有多个计时器，所述电机3有电压施加时产生的电流，所述电流为直流脉冲的型式，所述主功率器件2与电机3电性连接，所述电机3为SRM电机。

综上所述提供一种采油拖动高效智能电机调速控制方法，具体步骤为：

S1：主控系统1的MCU同时对电流采集模块5进行处理，信号输入代表3路，分别定义为PA，PB，PC。该部分由于采用了霍尔器件，除具备高可靠性的特点外，同事具备高速和可采集直流高频电流的特点；

S2：主控系统1在t1_s，t2_s，t3_s时刻发出分别发出导通信号open_a，open_b，open_c，并立即启动MCU内部定时器T1，T2，T3，进行计时。该导通信号open_a，open_b，open_c控制主功率器件2开通功率管IGBT，施加电压到电机3，当电机3有电压施加时，就会产生相应的电流；

S3：主控系统1在发出导通信号open_a，open_b，open_c的同时，开始通过电流采集模块5进行电流信号的检测；

S4：经过一段延时，主控系统1则会分别检测到电流信号t1_p，t2_p，t3_p。在检测到电流信号t1_p时，立即停止MCU内部定时器T1，并记录下T1的导通时间，定义为PA；在检测到电流信号t2_p时，立即停止MCU内部定时器T2，并记录下T2的导通时间，定义为PB；在检测到电流信号t3_p时，立即停止MCU内部定时器T3，并记录下T3的导通时间，定义为PC；当负载变小时，PA，PB，PC会相应变大，当负载变大时，PA，PB，PC会相应变小，通过PA，PB，PC的数据大小，计算出出负载的变化情况；

S5：经主控系统1的MCU处理，分别输出为PA1，PA2，PB1，PB2，PC1，PC2。低速时，主控系统1的MCU做如下处理：PA1=PA2=PA，PB1=PB2=PB，PC1=PC2=PC；当高速时，根据速度的不同，PA1=PA2=PA-K，PB1=PB2=PB-K，PC1=PC2=PC-K，K为一个与速度变化成比例关系的系数，该系数根据测量的电机效率曲线得出。该公式表示输出信号PA1，PA2的比输入信号PA提前K距离；

S6：主功率器件2接收主控系统1计算出的最佳值，通过PWM宽度调节的形式，控制导通到电机3的电压。当负载突然增大时，由于施加到电机3上的电压此刻不变，就会导致电机3的速度有降低的趋势，并产生微小变化Sde。当负载突然减小时，由于施加到电机3上的电压此刻不变，就会导致电机3的速度有增大的趋势，并产生微小变化Sin。速度采集模块6部分将该微小变化通过速度传输模块7传输给主控系统1。主控系统1的核心是MCU，具体型号为STM32F103。该部分将定义用户输入信号定义为UG，定义速度传输模块7输入的速度信号为SF，定义电流采集模块5输入的电流信号为IF，上述3路信号进入主控系统1，进行处理。

对上述信号进行PI双闭环处理，计算公式和顺序为：

首先由公式SF(t)-UG(t)=Ue(t)，得到Ue(t)，然后由公式U1(t)=P1Ue(t)+ 1/T1·

，得到U1(t)，然后由公式IF(t) -U1(t) =Ie(t)，得到Ie(t)，最后由Uo(t)=P2Ie(t)+1/T2·

计算出Uo(t)。其中，P1，P2分别为速度环比例系数和电流环比例系数，其中，T1，T2分别为速度环比例系数和电流环积分系数。Uo(t)为MCU的最终输出结果，用于控制输出到电机3的PWM宽度。

工作原理，主控系统1的MCU通过对速度采集模块6和电流采集模块5的运算，计算出PWM宽度Uo(t)和脉冲的导通时刻PA1，PA2，PB1，PB2，PC1，PC2，并将上述信号送入主功率器件2，实现对SRM电机3的控制，进而实现了自动跟踪负载变化，电机高效运行的目标。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，包括：

主控系统（1），

所述主控系统（1）电性连接有主功率器件（2）；

电机（3），

所述电机（3）的动力输出端固定安装有采油设备（4）；

电流采集模块（5），

所述电流采集模块（5）电性连接主功率器件（2）与主控系统（1）；

速度采集模块（6），

所述速度采集模块（6）开设于电机（3）的动力轴上，所述速度采集模块（6）电性连接有信息传递模块（7）。

2.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，还包括：

所述主控系统（1）以MCU为核心，所述主控系统（1）接收用户给定速度或功率命令UG、电机电流信号及电机速度信号。

3.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，还包括：

所述主功率器件（2）为IGBT，所述主功率器件（2）输入为交流或直流，整流后变为直流，所述主功率器件（2）控制电机（3）的功率。

4.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，还包括：

所述电流采集模块（5）为霍尔电流传感器，所述速度采集模块（6）为霍尔传感器，所述信息传递模块（7）采用屏蔽线或双绞线。

5.根据权利要求4所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，包括：

所述电流采集模块（5）通过双电源供电，所述电流采集模块（5）设置数量为三个。

6.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，还包括：

所述主控系统（1）的内部还包括有多个计时器。

7.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，还包括：

所述电机（3）有电压施加时产生的电流，所述电流为直流脉冲的型式。

8.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，包括：

所述主功率器件（2）与电机（3）电性连接。

9.根据权利要求1所述的一种采油拖动高效智能电机调速控制系统，其特征在于，包括：

所述主控系统（1）的核心MCU的型号为STM32F103，所述电机（3）为SRM电机。

10.一种采油拖动高效智能电机调速控制方法，其特征在于具体步骤为：

S1：主控系统（1）的MCU同时对电流采集模块（5）进行处理，信号输入代表3路，分别定义为PA，PB，PC，该部分由于采用了霍尔器件，除具备高可靠性的特点外，同事具备高速和可采集直流高频电流的特点；

S2：主控系统（1）在t1_s，t2_s，t3_s时刻发出分别发出导通信号open_a，open_b，open_c，并立即启动MCU内部定时器T1，T2，T3，进行计时，该导通信号open_a，open_b，open_c控制主功率器件（2）开通功率管IGBT，施加电压到电机（3），当电机（3）有电压施加时，就会产生相应的电流；

S3：主控系统（1）在发出导通信号open_a，open_b，open_c的同时，开始通过电流采集模块（5）进行电流信号的检测；

S4：经过一段延时，主控系统（1）则会分别检测到电流信号t1_p，t2_p，t3_p，在检测到电流信号t1_p时，立即停止MCU内部定时器T1，并记录下T1的导通时间，定义为PA；在检测到电流信号t2_p时，立即停止MCU内部定时器T2，并记录下T2的导通时间，定义为PB；在检测到电流信号t3_p时，立即停止MCU内部定时器T3，并记录下T3的导通时间，定义为PC；当负载变小时，PA，PB，PC会相应变大，当负载变大时，PA，PB，PC会相应变小，通过PA，PB，PC的数据大小，计算出出负载的变化情况；

S5：经主控系统（1）的MCU处理，分别输出为PA1，PA2，PB1，PB2，PC1，PC2，低速时，主控系统（1）的MCU做如下处理：PA1=PA2=PA，PB1=PB2=PB，PC1=PC2=PC；当高速时，根据速度的不同，PA1=PA2=PA-K，PB1=PB2=PB-K，PC1=PC2=PC-K，K为一个与速度变化成比例关系的系数，该系数根据测量的电机效率曲线得出，该公式表示输出信号PA1，PA2的比输入信号PA提前K距离；

S6：主功率器件（2）接收主控系统（1）计算出的最佳值，通过PWM宽度调节的形式，控制导通到电机（3）的电压，当负载突然增大时，由于施加到电机（3）上的电压此刻不变，就会导致电机（3）的速度有降低的趋势，并产生微小变化Sde，当负载突然减小时，由于施加到电机（3）上的电压此刻不变，就会导致电机（3）的速度有增大的趋势，并产生微小变化Sin，速度采集模块（6）部分将该微小变化通过速度传输模块（7）传输给主控系统（1），通过主控系统（1）对上述信号进行PI双闭环处理并获得用于控制输出到电机（1）的PWM宽度。