CN207853789U - 无刷回馈电机直驱智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,它包括:绕线回馈直驱电机和回馈调速控制装置;绕线回馈直驱电机中,绕线回馈直驱电机设有定子绕组和转子绕组;回馈调速控制装置中,回馈调速控制装置包括启停控制单元、交流回馈逆变单元、调速驱动单元和直流回馈制动单元;回馈调速控制装置中还包括数字控制器,数字控制器分别与启停控制单元、交流回馈逆变单元和调速驱动单元电连接。通过以上结构具有柔性启停、柔性变速、反转制动、工频冗余、能量回馈节能和安全堵转功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及绕线式异步电机无极调速控制领域,特别是一种无刷回馈电机直驱智能控制系统。
背景技术
螺杆泵采油是近十年迅速发展起来的一种新型的机采方式,传统螺杆泵机械减速传动系统存在系统复杂、传动效率低、维护工作量大等问题。近年来相继开始被永磁直驱系统所取代,各油田已有一定规模的改造应用。根据各油田目前情况,螺杆泵直驱系统一直采用永磁无刷直流电机或者永磁无刷交流同步电机,这两种方式从一定程度上解决了机械减速传动系统结构复杂、传动效率低和维护工作量大的问题,但也存在着一系列不易克服的问题,主要体现在以下几个方面:
1、机械特性硬,传动应力较大,螺杆泵机构间磨损严重。
2、过载能力受限,启动转矩偏小。永磁电机过载超过2倍后易发生失步或保护停机现象,实际使用中均采用提前保护措施,限制了过载转矩的范围,启动转矩实际偏小。
3、反转制动单一、不可调、制动过程中制动力交变震荡,存在严重的安全隐患,且影响设备的使用寿命。如图14中所示。
4、失磁问题。这种电机不能长期在震动、冲击、高低温、湿热等较为恶劣的环境下运行,存在最大转矩受永磁体去磁约束,抗震能力差、大大减少了其使用寿命。
5、没有工频备用系统,控制器故障时不能接入工频电网。
中国专利文献CN 103166543 A记载了一种节能回馈型无刷绕线电机一拖多变频调速系统,包括一个无刷绕线电动机组,一个驱动控制器组,一个隔离器组,一个能量回馈起器。该实用新型采用多台驱动控制器分别控制多台无刷电机,具有电路简单、体积小、成本低、可靠性高、节省能源等特点。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,具有启动电流小、转矩大、过载能力强、能实现柔性变速、能量回馈和直流回馈制动。
为解决上述技术问题,本实用新型所采用的技术方案是:一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,它包括:绕线回馈直驱电机和回馈调速控制装置;
绕线回馈直驱电机中,绕线回馈直驱电机设有定子绕组和转子绕组,其中定子绕组包括定子功率输入绕组和定子控制输出绕组;
回馈调速控制装置中,回馈调速控制装置包括启停控制单元、交流回馈逆变单元、调速驱动单元和直流回馈制动单元;
输入电源通过启停控制单元与定子功率输入绕组电连接,输入电源与交流回馈逆变单元的输入端电连接,交流回馈逆变单元的输出端与调速驱动单元的输入端电连接,调速驱动单元的输出端与定子控制输出绕组电连接,直流回馈制动单元的输入端与交流回馈逆变单元的输出端电连接,直流回馈制动单元的输出端与定子功率输入绕组中的两相电连接;
回馈调速控制装置中还包括数字控制器,数字控制器分别与启停控制单元、交流回馈逆变单元和调速驱动单元电连接。
优选的方案中,所述的数字控制器为DSK嵌入式数字控制器。
优选的方案中,启停控制单元与数字控制器之间通过电压检测保护、电流检测保护、启动信号控制和停止信号控制四个通路电连接;
调速驱动单元与数字控制器之间通过电压信号控制、电流信号控制、转速信号控制和位置信号控制四个通路电连接;
交流回馈逆变单元与数字控制器之间通过电压信号控制和电流信号控制两个通路电连接。
优选的方案中,所述的启停控制单元为开关控制单元,控制绕线回馈直驱电机的通电或断开、直流回馈制动单元的投入或切除;
所述交流回馈逆变单元,用于将系统多余的能量回馈到电网或绕线回馈直驱电机;
所述调速驱动单元,用于实现绕线回馈直驱电机速度的调节;
所述的直流回馈制动单元,用于实现停机制动或断电制动。
优选的方案中,所述的绕线回馈直驱电机采用无刷绕线式转子结构,定子控制输出绕组为转差功率输出回馈控制绕组。
优选的方案中,所述的绕线回馈直驱电机的转子轴为空心结构,以与螺杆泵和抽油杆连接。
优选的方案中,回馈调速控制装置驱动绕线回馈直驱电机采用零速堵转启动方式,电动力矩逐渐由小增大,使起动力矩自动匹配抽油杆静阻转矩,实现螺杆泵平缓柔性起动;
在给定转速下,当实际负载加大时,绕线回馈直驱电机转差加大,通过适当减速来自动适应负载。
优选的方案中,通过给绕线回馈直驱电机的定子施加制动电流来停止系统;
带电正常停车时,系统分两步进行:第一步,减速制动,回馈调速控制装置自动按减速指令降速,实现减速制动;第二步,直流回馈制动,通过直流回馈制动单元给定子绕组施加制动电流,实现直流回馈制动;
突然断电停车时,利用绕线回馈直驱电机剩磁自动形成直流回馈制动力矩,根据螺杆泵和抽油杆反转速度高低产生相应大小的制动力矩,制动力矩跟随系统,保证螺杆泵安全平稳停车、并释放油杆反转产生的能量。
优选的方案中,绕线回馈直驱电机的定子功率输入绕组直接接入到工频电网,在定子控制输出绕组三相通过满速接触器短接时,绕线回馈直驱电机可运行至额定转速,作为回馈调速控制装置电子控制装置故障检修时的工频备用系统。
一种用于上述的无刷回馈电机直驱智能控制系统的实验装置,所述的绕线回馈直驱电机与模拟螺杆反转负载电机机械连接,模拟螺杆反转负载电机与独立的调速驱动单元连接,模拟螺杆反转负载电机的力矩转速为反转运行。
本实用新型提供的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,通过采用以上的结构,具有以下的有益效果:
1、柔性启停
本实用新型的回馈调速控制装置采取零速堵转启动方式,电动力矩逐渐由小增大,使启动力矩自动匹配抽油杆的静阻转矩,实现螺杆泵平缓柔性启动,确保启动冲击最小,有利于延长设备的使用寿命。启动后,螺杆泵再按斜坡曲线缓慢加速至给定速度。停车时,控制器先按减速曲线平稳减速至零速再加入直流制动。
2、柔性变速
相对于同步电机而言,本实用新型的绕线回馈直驱电机的机械特性保持了绕线异步电机的高转差特性。在给定转速下,当实际负载加大时电机转差会加大,通过适当减速来自动适应负载,这一柔性变速特性实现设备无级调速的同时,可减少机械设备的运行振动和传动磨损,延长机械设备的使用寿命。
3、反转制动
螺杆泵的反转制动有两种情况:正常停车制动和断电停车制动。本实用新型的无刷回馈电机直驱智能控制系统通过给绕线回馈直驱电机的定子绕组施加制动电流来停止系统,能有效释放抽油杆反转所产生的能量。一是带电正常停车时,系统分两步进行:第一步:减速制动,调速装置自动按减速指令降速,实现减速制动;第二步:直流回馈制动,通过给电机定子施加制动电流,实现直流回馈制动。二是突然断电停车时,利用电机剩磁自动形成直流回馈制动力矩,根据螺杆泵抽油杆反转速度高低自动产生相应大小的制动力矩。这种制动跟随系统,保证螺杆泵安全平稳停车并释放抽油杆反转产生的能量。
4、工频冗余
本实用新型的绕线回馈直驱电机定子功率输入绕组直接入工频电网,在定子控制输出绕组三相短接时,绕线回馈直驱电机可运行至额定转速。这一特性可作直驱系统电子控制装置故障检修时的工频备用系统使用。而永磁无刷电机则需要控制器的配合才能正常启动、工作,在控制器故障或者损坏时,不能直接切换至工频电网快速回复生产。
5、能量回馈节能
本实用新型的回馈调速控制装置具有独立的能量回馈单元,可将转差能量或者抽油杆反转产生的能量通过交流回馈逆变单元重复利用,具有一定的节能效果。
6、安全堵转功能
本实用新型的无刷回馈电机直驱智能控制系统具有堵转保护技术,在堵转时,电流稳定,最大转矩恒定,能保证在长时间堵转发生时不损伤机械设备。无论设备在启动或者运行及任何状态下发生堵转都能保证设备安全。而采用永磁无刷直流电动机驱动的系统会在堵转发生时电流无限增大,加大电机的转矩,这样会增加抽油杆的弹性形变,对电机及电缆相关的电气都会有损伤。
本实用新型的适用范围广,不仅可以设计成对单一油井的单机系统,还可以在设计成对多台油井同时异步调控的一拖多回馈系统,具有较好的适应性。而采用永磁无刷电动机驱动的系统都是一套系统只能专用一台油井。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明:
图1为本实用新型的绕线回馈直驱电机的结构原理图。
图2为本实用新型的功能结构框图。
图3为本实用新型的柔性启停控制中启动加速曲线图。
图4为本实用新型的柔性启停控制中停止减速曲线图。
图5为本实用新型的调速机械特性图。
图6为本实用新型的工作原理图。
图7为本实用新型的直流回馈制动单元制动电流/速度曲线图。
图8为本实用新型正常停车制动时能量流向示意图。
图9为本实用新型断电停车制动时能量流向示意图。
图10为本实用新型停止和断电时,制动电流或转速与时间的关系图。
图11为本实用新型的整体电路示意图。
图12为本实用新型的交流回馈逆变单元的电路示意图。
图13为本实用新型的调速驱动单元的电路示意图。
图14为本实用新型的直流回馈制动单元的电路示意图。
图15为永磁无刷电动机驱动系统,当接入交流制动电阻时,系统停止或断电时能耗制动和转速与时间关系的曲线图。
图中:绕线回馈直驱电机1,启停控制单元2,直流回馈制动单元3,交流回馈逆变单元4,调速驱动单元5,数字控制器6,堵转启动段7,平滑加速段8,线性加速段9,平滑稳速段10,减速制动段11,定子绕组a,转子绕组b,定子功率输入绕组c,定子控制输出绕组d,定子功率输入接线端子e,定子控制输出接线端子f,机壳g,满速接触器KM3。
具体实施方式
实施例1:
如图1、2、6所示,一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,它包括:绕线回馈直驱电机1和回馈调速控制装置;
绕线回馈直驱电机1中,绕线回馈直驱电机1设有定子绕组a和转子绕组b,其中定子绕组a包括定子功率输入绕组c和定子控制输出绕组d;
回馈调速控制装置中,回馈调速控制装置包括启停控制单元2、交流回馈逆变单元4、调速驱动单元5和直流回馈制动单元3;
输入电源通过启停控制单元2与定子功率输入绕组c电连接,输入电源与交流回馈逆变单元4的输入端电连接,交流回馈逆变单元4的输出端与调速驱动单元5的输入端电连接,调速驱动单元5的输出端与定子控制输出绕组d电连接,直流回馈制动单元3的输入端与交流回馈逆变单元4的输出端电连接,直流回馈制动单元3的输出端与定子功率输入绕组c中的两相电连接;
回馈调速控制装置中还包括数字控制器6,数字控制器6分别与启停控制单元2、交流回馈逆变单元4和调速驱动单元5电连接。本实用新型通过强电磁感应实现机电能量装换,绕线回馈直驱电机1直接驱动螺杆泵转子的转动,在保持有刷绕线式异步电机大转矩性能的同时,彻底解决了碳刷和滑环的问题。
优选的方案中,所述的数字控制器6为DSK嵌入式数字控制器。
优选的方案如图2中,启停控制单元2与数字控制器6之间通过电压检测保护、电流检测保护、启动信号控制和停止信号控制四个通路电连接;如图11中,
数字控制器6通过给出控制信号,控制接触器KM1的通断,控制绕线回馈直驱电机1的定子功率输入绕组c输入电流的通断,从而控制绕线回馈直驱电机1的启停。优选的方案中,也可以通过数字控制器6控制一个IGBT的通断控制继电器的通断,由继电器的辅助触点控制绕线回馈直驱电机1的启停。
调速驱动单元5与数字控制器6之间通过电压信号控制、电流信号控制、转速信号控制和位置信号控制四个通路电连接;
交流回馈逆变单元4与数字控制器6之间通过电压信号控制和电流信号控制两个通路电连接。如图12中所示,输入的电流经过整流和滤波后与逆变器模块连接,转变成直流电,通过PWM脉宽调制技术输出频率和电压可调的交流电源。图中未示出的PWM信号由数字控制器6给定。
优选的方案中,所述的启停控制单元2为开关控制单元,控制绕线回馈直驱电机1的通电或断开、直流回馈制动单元3的投入或切除;直流回馈制动单元3的电路结构简图如图11和14中所示,通过对继电器KM2的通断控制,实现直流回馈制动单元3的投入或切除。
如图12中,所述交流回馈逆变单元4,用于将系统多余的能量回馈到电网或绕线回馈直驱电机1;
如图13中,所述调速驱动单元5,用于实现绕线回馈直驱电机1速度的调节;通过给-1IGBT加载脉冲信号,从而实现回馈直驱电机1的速度调节。输入的三相电源,分别与三组顺向串接二极管的中点电连接,三组串接二极管之间并联,三组串接二极管还与绝缘栅双极型晶体管-1IGBT和电容-1C1并联,三组串接二极管的正极还串接有第一二极管-1D2和第二二极管-1D3,电容-1C1并联在第一二极管-1D2与第二二极管-1D3之间。
如图14中,所述的直流回馈制动单元3,用于实现停机制动或断电制动;
优选的方案如图1中,所述的绕线回馈直驱电机1采用无刷绕线式转子结构,定子控制输出绕组d为转差功率输出回馈控制绕组。
优选的方案中,所述的绕线回馈直驱电机1的转子轴为空心结构,以与螺杆泵和抽油杆连接。图中未示出。
优选的方案中,回馈调速控制装置驱动绕线回馈直驱电机1采用零速堵转启动方式,电动力矩逐渐由小增大,使起动力矩自动匹配抽油杆静阻转矩,实现螺杆泵平缓柔性起动;
在给定转速下,当实际负载加大时,绕线回馈直驱电机1转差会加大,通过适当减速来自动适应负载。
优选的方案中,通过给绕线回馈直驱电机1的定子施加制动电流来停止系统;优选的,直流回馈制动单元3的电流施加在定子功率输入绕组c中两相上。如图2中所示。
带电正常停车时,系统分两步进行:第一步,减速制动,回馈调速控制装置自动按减速指令降速,实现减速制动;第二步,直流回馈制动,通过直流回馈制动单元3给定子绕组a施加制动电流,实现直流回馈制动;
突然断电停车时,利用绕线回馈直驱电机1剩磁自动形成直流回馈制动力矩,根据螺杆泵和抽油杆反转速度高低产生相应大小的制动力矩,制动力矩跟随系统,保证螺杆泵安全平稳停车、并释放油杆反转产生的能量。
优选的方案如图11中,绕线回馈直驱电机1的定子功率输入绕组c直接接入到工频电网,在定子控制输出绕组d通过满速接触器KM3三相短接时,绕线回馈直驱电机1可运行至额定转速,作为回馈调速控制装置电子控制装置故障检修时的工频备用系统。
实施例2:
螺杆泵运转后,井下抽油杆柱积累了一部分变形能量,且液面深度与油管内液体存在高度差。因此,螺杆泵停机时,抽油杆柱将高速反转,若不加以限制,势必会造成抽油杆脱扣,存在比较重大的安全隐患。因此,本实用新型中用于螺杆泵的无刷回馈电机直驱智能控制系统应安装防反转机构或采取相应措施。
现有技术中的,当停机操作时或系统失电时,泵杆弹性释放,会拖动永磁电机反转,接通制动电阻,且整个制动过程是震荡进行,如图14中所示。本实用新型中的无刷回馈电机直驱智能控制系统的直驱式螺杆泵采用电气控制,在控制箱内设有能耗电阻和独立的刹车控制器。这样的控制方式属于抑制型,泵杆反转的加速度即趋势速度越大,电阻吸收的能量越多,即发电制动力就越大,最终使泵杆回到初始状态。同时螺杆泵下次启动时,初始起动力矩很小,便于起动,修井作业也不会出现反转问题。
为了有限彻底解决螺杆泵永磁直驱系统反转震荡制动方式存在的安全隐患,结合回馈无刷电机直驱系统自身特性和原理,通过模拟实验,初步形成了反转平稳直流回馈制动技术方案。试验情况如下:
在实施例1的基础上,一种用于上述的无刷回馈电机直驱智能控制系统的实验装置,所述的绕线回馈直驱电机1与模拟螺杆反转负载电机M2机械连接,模拟螺杆反转负载电机M2与独立的调速驱动单元连接,模拟螺杆反转负载电机M2的力矩转速为反转运行。
1、实验原理
当螺杆泵的无刷回馈电机直驱智能控制系统正常停车或断电停车时,用负载电机的反向转动来模拟螺杆泵永磁直驱系统停机时的反转负载,跟踪并捕捉无刷回馈电机直驱智能控制系统内直流回馈制动单元停车时的制动电流。制动电流的大小变化决定制动力矩的大小。
2、绕线回馈直驱电机直驱现场试验实施方案
1)无刷回馈直驱电机
根据传动结构和工况要求,需要研制专用于直驱螺杆泵的无刷回馈电机,主要有以下两方面的工作:
a)直驱电机性能参数的设计和调整。
比照原永磁同步电机,用于实验的无刷回馈电机参数为:功率22KW、级数为30级,同步转速200rpm、电机机座号为315,直径630mm,额定转矩为1050Nm,过载倍数为2.5倍以上。
b)电机结构设计
一是电机轴采用空心结构,与抽油杆配合;二是支承座需与螺杆泵地面封井器装置配套。对于试验井需要连接部件的具体尺寸图纸。
2)无刷回馈直驱控制装置
在现有抽油机一拖多转子变频回馈调速装置基础上,增加反转回馈制动电路,根据直驱螺杆泵特点,研制设计成“一拖一”单机专用控制装置。
3、试验结果
1)制动电流会随着负载电机反转的速度的变化而变化,速度越大,制动电流也就越大。
通过图7可以看出,系统在停车时制动电流会随着速度的减小而降低,直至完全停止。
2)供电正常停机时,有减速制动和直流回馈制动双重制动方式联合工作,制动效果明显,反转能量释放快速。减速制动是系统在收到停车信号时迅速将速度将至零点,用快速降低速度来达到制动的效果。本实用新型的直流回馈制动单元3通过给定子功率输入绕组c中的两相加直流电来起到制动的作用,并可通过调速驱动单元5来控制制动力矩,可以做到抽油杆应力完全可控释放。抽油杆反转产生的能量一部分会通过交流回馈逆变单元4反送至电网,进行有效的回收;另外一部分以直流电通过直流回馈制动单元3送入到绕线式回馈直驱电机的定子,形成电动机反转的制动能量,而且制动的电流是可调的,制动电流越大,制动力矩就会越大,反转制动效果就会越明显,制动的就会越快。
3)突然断电停机时,也是通过直流回馈制动单元3给定子加直流电来起到制动防反转的作用,此时励磁电流的能量来源于泵杆反转产生的能量,反转的能量越大,产生的制动电流就越大,形成的制动力矩就越大,即泵杆反转的加速度越大,制动的效果就会很明显,随着反转的速度的降低,制动电流也会变低,直至反转能量完全释放。
4)本实用新型的励磁制动单元采用的是定子直流制动,速度变化平顺,不存在制动时电流速度震荡的现象。图7、10为本实用新型的系统在停止或者断电时,制动电流或速度的关系。通过图7、10可以看出,在整个制动的过程中,速度会随着制动电流的减小而减小,直至停止。
图15为永磁无刷电动机驱动的系统,当接入交流制动电阻时,系统停止或断电时能耗制动和转速的曲线。通过图中可看出制动开始工作时,转速时在0刻度线上下来回震荡,直至停止,在制动的过程中,速度震荡是一直存在的,对螺杆泵设备有损伤,会减少设备使用寿命。
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案,而不应视为对于本实用新型的限制,本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下,可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是它包括:绕线回馈直驱电机(1)和回馈调速控制装置;
绕线回馈直驱电机(1)中,绕线回馈直驱电机(1)设有定子绕组(a)和转子绕组(b),其中定子绕组(a)包括定子功率输入绕组(c)和定子控制输出绕组(d);
回馈调速控制装置中,回馈调速控制装置包括启停控制单元(2)、交流回馈逆变单元(4)、调速驱动单元(5)和直流回馈制动单元(3);
输入电源通过启停控制单元(2)与定子功率输入绕组(c)电连接,输入电源与交流回馈逆变单元(4)的输入端电连接,交流回馈逆变单元(4)的输出端与调速驱动单元(5)的输入端电连接,调速驱动单元(5)的输出端与定子控制输出绕组(d)电连接,直流回馈制动单元(3)的输入端与交流回馈逆变单元(4)的输出端电连接,直流回馈制动单元(3)的输出端与定子功率输入绕组(c)中的两相电连接;
回馈调速控制装置中还包括数字控制器(6),数字控制器(6)分别与启停控制单元(2)、交流回馈逆变单元(4)和调速驱动单元(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是:所述的数字控制器(6)为DSK嵌入式数字控制器。
3.根据权利要求1所述的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是:启停控制单元(2)与数字控制器(6)之间通过电压检测保护、电流检测保护、启动信号控制和停止信号控制四个通路电连接;
调速驱动单元(5)与数字控制器(6)之间通过电压信号控制、电流信号控制、转速信号控制和位置信号控制四个通路电连接;
交流回馈逆变单元(4)与数字控制器(6)之间通过电压信号控制和电流信号控制两个通路电连接。
4.根据权利要求1所述的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是:所述的启停控制单元(2)为开关控制单元,控制绕线回馈直驱电机(1)的通电或断开、直流回馈制动单元(3)的投入或切除;
所述交流回馈逆变单元(4),用于将系统多余的能量回馈到电网或绕线回馈直驱电机(1);
所述调速驱动单元(5),用于实现绕线回馈直驱电机(1)速度的调节;
所述的直流回馈制动单元(3),用于实现停机制动或断电制动。
5.根据权利要求1所述的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是:所述的绕线回馈直驱电机(1)采用无刷绕线式转子结构,定子控制输出绕组(d)为转差功率输出回馈控制绕组。
6.根据权利要求1所述的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是:所述的绕线回馈直驱电机(1)的转子轴为空心结构,以与螺杆泵和抽油杆连接。
7.根据权利要求1所述的一种无刷回馈电机直驱智能控制系统,其特征是:绕线回馈直驱电机(1)的定子功率输入绕组(c)直接接入到工频电网,在定子控制输出绕组(d)三相通过满速接触器短接时,绕线回馈直驱电机(1)可运行至额定转速,作为回馈调速控制装置电子控制装置故障检修时的工频备用系统。
8.一种用于权利要求1~7任一项所述的无刷回馈电机直驱智能控制系统的实验装置,其特征是:所述的绕线回馈直驱电机(1)与模拟螺杆反转负载电机(M2)机械连接,模拟螺杆反转负载电机(M2)与独立的调速驱动单元连接,模拟螺杆反转负载电机(M2)的力矩转速为反转运行。
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