基于开关磁阻电机的抽油机节能控制系统

摘要：本文从节能和提高能源利用率出发，分析了现行抽油机电机运行效率低问题的具体环节，经过分析抽油机运行过程的状态结合开关磁阻电机的特性，以ARMS3C2410为核心控制部件，设计出了基于开关磁阻电机的抽油机的节能控制系统。解决了抽油机的转矩检测跟随控制和冲次调节问题，设计出了高效率、稳定的开关磁阻电机控制系统，整个系统有效的提高了抽油机系统电能综合利用率，具有良好的推广应用价值。
关键字： 节能、开关磁阻电机、抽油机、ARMS3C2410

Abstract: The low efficiency of the motor of the current oil-pumping unit is analyzed from the point of energy-saving and increasing utilizes efficiency of energy source. An energy-saving control system for oil-pumping unit is designed which use switched reluctance motor based on ARMS3C2410 central processor via the characteristic of switched reluctance motor and oil-pumping unit. It solves the following problem: monitor the torque of oil-pumping unit and control the motor and adjust the stroke of oil-pumping unit. It is a stable control system for switched reluctance motor and has a high efficiency. The system can enhance the utilize efficiency of power in effect and have a good future for popularization.
KeyWord: Energy-saving, Switched reluctance motor, Oil-pumping unit, ARMS3C2410

1 引言 

    目前国内广泛使用的抽油机有游梁式和无游梁式两类，以游梁式抽油机为主，其所配电动机大多数为Y系列电动机。游梁式抽油机采用带载直接起动式，所需起动转矩较大，电机起动电流为6-8倍额定电流。为满足起动要求所配电机的功率较大，而该机在运行时所需转矩较小，90%以上的电机负载率在50%以下。长期以来抽油机所配电机大都处于轻载运行状态，负载率极低，功率损耗大，能源浪费严重。抽油机电耗在油田生产用电中占有很大比例，电费支出约占油田开发总成本的三分之一。

2 抽油机节能系统

   目前各大油田为降低生产成本，都将节能增效作为首要目标，对抽油机要尽量降低电机的耗电量。根据抽油机的运行特点，为了实现这个目的，电机应具有以下特点：电机损耗小，在较宽的负载变化范围内能够保持较高的功率因数和效率；速度能够平滑无级调节且调速范围较宽，以适应不同井况的要求及其供排关系；能够实现软启动，减少启动时对抽油机的冲击，降低选用电机及变压器的容量。满足上述要求的电机，一方面自身的功率因数和效率要较高，另一方面可以使抽油机的机、杆、泵整个系统达到较好配合，提高系统效率。因此研制具有上述特点的电机已成为必然趋势，开关磁阻调速电机就是具有这些特点的一种新型电机。它结构简单可靠、系统效率高、启动转矩大、可控参数多、控制方式简单，综合性能十分突出，是当前抽油机最为理想的动力系统，它的研制和生产对油田的节能生产具有里程碑的意义。

    解决抽油机系统的节能问题，除了需要电机的功率因素和效率高，速度平滑大范围调节，软启动以及系统保护功能外，还需要考虑抽油机电机功率寻优，解决“大马拉小车”问题，提高整个系统的效率。进入中后期开采的油井，往往存在抽油泵充满系数低，抽油机冲次很难确定也是一个比较难解决的问题[1]。

    开关磁阻调速电机是一种新型调速电机系统。它是继交流变频调速电机之后，国际上又一种逐渐成熟的无极调速系统。它的出现，大大的提升了抽油机的效率。本文在基于ARMS3C2410嵌入式系统的基础上设计出基于开关磁阻电机的抽油机节能控制系统。主要从电机和抽油机两者出发解决节能问题[2]。

3 系统设计

    本文基于ARMS3C2410嵌入式系统设计出整个节能控制系统，原理框图如图1所示：

3.1 抽油机转矩测量

    抽油机（如图2所示）靠驴头的上下运动带动抽油杆，将原油吸到地面的管网中。抽油机的上冲程提起油柱时需要的功率大，而下冲程时无需动力就可自由下落。为了使负荷均匀，通常配有某种平衡机构，如平衡块，电机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩与平衡扭矩之和，图3为一般的抽油机的负荷曲线。

    由图3可以看出抽油机的负荷是呈周期性波动的，要使抽油机电机在负荷曲线的每一点都工作最优，同时使抽油机的功率输出在每个周期里跟随负荷的变化，可以将抽油机的转矩曲线存入系统。控制系统就可以通过曲柄转角的检测计算出相应转矩，从而改变对电机控制，调节转速，使输出转矩与实际相符，避免“大马拉小车”问题的问题，大大的节省电能。同时抽油机运行平稳，可大大降低机械磨损，降低故障率，提高产量。理论上证明此种电机控制方式，较普通电机，能耗可降到60%，节能明显。

3.2 冲次的无级可调

    冲次是指抽油机驴头每分钟上下往复运行的次数，它表明抽油机的运行状态。实际检测时抽油机杆上下运动个一个冲程为一个冲次，用每分钟完成上下冲程（冲程是指抽油机驴头上死点与下死点之间的垂直距离）的次数来表示冲次。冲次的变化影响着抽油机悬点载荷变化的幅度和频率，抽油机悬点载荷变化的幅度和频率决定着抽油机杆柱、电动机、抽油机、抽油泵等设备的使用寿命和单井能耗、机采系统效率，从而决定了单井检泵、大修周期及吨油生产成本。并且多次的试验证明，调节冲次对高产井的产液量影响较大，对供液不足的井产量影响不大。

    从上面的分析可以知道，研究抽油机冲次的变化规律，对降低能耗、特别是降低生产成本具有重要的意义。进入中后期开采的油井，往往就存在这样的问题，抽油泵充满系数低，抽油机冲次很难确定，且随着动液面的不断变化充满度也在不断变化，把抽油泵的充满系数与冲次紧密结合起来形成闭环控制，一直是个难题。本文设计的智能控制系统可以跟踪油井出液量的变化，判断出充满系数的大小，给出增加冲次或减少冲次的信号，调整抽油机的冲次，可以大大的节省电能。该开关磁阻电机控制系统可以保证冲次在0.8-8冲/min 之间无级可调，保证合理的抽油泵充满度，减少抽油泵干磨。与此同时，设置相应的安全监控，当有井卡、杆断或其它的故障，系统停抽报警。系统的设计使抽油机工作在最佳的工作状态，延长了检泵周期，降低了抽油机的能耗[3][4][5]。

3.3 电机控制策略

    开关磁阻电机是20世纪70年代开始迅猛发展的一种较为新型的电机。与传统的交流电动机（异步电动机和同步电动机）不同，开关磁阻电机（SR电机）采用定、转子双凸极铁心结构，并且只在定子上安装各相励磁绕组.其工作原理就是使转子位置趋于磁阻最小位置，而使电机进行旋转。

    根据抽油机的运行特点和开关磁阻电机的运行特性，针对电机的调速控制及电机的严重的非线性特性，本文设计出模糊控制策略。针对具体的调速方法，由于电机自身的特性，本文设计出低速定角度电流斩波控制——-高速变角度电压斩波控制。当电机处于低速运行时，由于旋转电动势较小，电流峰值较大，采用定角度电流占波控制可有效保护功率开关器件，降低转矩脉动。当电机处于高速运行时，因旋转电动势较大，电流较小，通过PWM波电压调节，改变相相电压平均值，有效的调整电流的波形和峰值，可使电动机出力最大，运行稳定，噪声较小。由于SR电动机的特点，工作时希望尽量将绕组电流波形置于电感的上升段。由于电流的建立过程和续流消失过程是需要一定时间的，当转速升高时通电区对应的时间越短，电流波形滞后的就越多，可以通过调节开关导通角的方法加以纠正。在这种工作方式下转速和转矩的调节范围大，高速和低速均有较好的电动机性能。几种控制方式各有优缺点，配合应用有利于扬长避短，充分发挥各自的优势，在较宽调速范围内使电机具有良好的性能指标[6][7]。

4 电机控制系统

4.1 功率变换器

    功率变换器是SRD系统能量传输的关键部分，起到控制绕组开通和关断的作用，也是影响系统性能价格比的主要因素。理想的SRD功率变换器应满足如下设计要求：采用尽可能少的主开关元件，以降低系统的成本，且能将能量回馈给电源，避免系统损耗。系统可通过主开关器件进行调制，有效地控制相绕组电流的大小。功率电路要具备迅速增加相绕组电流的能力，延迟尽可能小。系统尽可能的减少损耗，使电源电压尽可能的提供给电动机相绕组。

    拓扑结构设计是SR电动机功率变换器设计的关键之一。围绕处理放电绕组磁能量问题，现已经出现多种不同的主电路结构形式。本文在不对称桥式电路的基础上，研究开发了一种新型小功率开关器件的功率变换电路。功率变换器原理图如图4所示。
 

    该功率变换器保留了桥式电路的全部优点，满足上述理想功率变换器应具备的条件。采用双相运行时，在控制方式上Ａ相和Ｃ相绕组不会同时导通，Ｂ相和Ｄ相绕组也不会同时导通，故他们的电流不会重叠，所以可保证任一时刻流过个主开关器件的电流仅是一相绕组电流。因此，在传统不对称半桥结构中，Ａ相和Ｃ相、Ｂ相和Ｄ相分别可共用一只主开关，从而使整个电路减少了２个开关器件，大大节约了成本，同时控制策略明显降低。总的说来，这种简化的电路方案既保留了不对称半桥型的优点，又使开关器件降到最少，提高了行价比。

4.2 D/A转换及低速斩波电路

    当开关磁阻电机（SRM）低速运行时，电动机角速度ω值很小，绕组电流增长率很大。为了保护功率开关元件和电机，且同时具有效率高、出力大、转矩脉动小等优良运行性能，低速运行时需以调幅方式进行斩波。

    斩波限流值由ARM发出。由于ARM控制器自身没有D/A单元，需用占空比可调的PWM信号经过外部转换电路来转换成相应的模拟电压信号。本系统采用ARM的通用定时器1产生占空比可调的PWM信号，经过缓冲、滤波、放大等环节后得到平稳的0～5 V模拟电压信号。D/A转换电路如图5所示。得到的电压转换成电流。斩波限流输入到斩波电路的一端，另一端输入实测的绕组电流，如图6所示。           

4.3 PWM电压控制

    在θ_on-θ_off导通区间内，使功率开关按PWM方式工作，其脉冲周期T固定，占空比T₁/T可调。在T₁内，绕组加正电压，T₂内加零电压，改变占空比，则绕组电压平均值U将会变化，进而间接改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节。本文通过定时器输出相应要求的PWM脉宽调制波。

4.4 位置检测及角度控制

    位置传感器相关电路有两部分，分别为位置传感器输入电路、位置信号处理及角度细分电路。主要完成位置信号处理，定转子相对位置角度细分的功能。本文采用光电式，研究对象为 极SRM。

4.4 模糊控制策略

    由于开关磁阻调速电动机系统的显著非线性，简单的PID控制算法在调节范围很宽时，不能在大范围内完全适应，致使系统得不到良好的动态特性。为此在开关磁阻电动机调速系统中引入模糊控制。模糊控制的强鲁棒性可以有效地解决开关磁阻电机的非线性。根据模糊控制基本理论，开关磁阻电动机模糊控制的分析如下：

5 结论

    作为一种具有广泛市场潜力的新型电机，开关磁阻调速电机成功地应用在抽油机上，可以作为油田抽油机节能的一种选择，为油田节约成本、增加产量提供了坚实的基础。经过多次结合现场工况的改进，可以适应油田工况的实际要求，其优良的综合性能日益受到广泛关注。

    本文在基于ARMS3C2410的基础上，从节能角度出发，设计出基于开关磁阻电机的抽油机节能控制系统，着重解决抽油机的扭矩检测跟随和冲次调节等问题。针对电机的运行特性，提出模糊控制策略和低速定角度电流斩波控制——-高速变角度电压斩波控制方法。同时系统运行过程中若发生缺相、过流、欠压等故障，系统会自动保护。整个系统方案切实可行，能有效的提高抽油机的效率，提高安全系数，节能明显，有着非常长远的经济效益和现实意义。充分利用和挖掘其潜在特性，进一步完善系统，将能为油田节能增效做出更大的贡献。

参考文献 
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