基于DSP的游梁式抽油机变频控制系统研究

中国石油大学硕士研究生学位论文华东

（申请工学硕士学位）

基于ＤＳＰ的游梁式抽油机变频

控制系统研究

学科专业：控制理论与控制工程

培养方向：计算机测控系统

硕士生：丁宝东

指导教师：张加胜（教授）

入学日期：２００４年９月论文完成日期：２００７年４月

基于ＤＳＰ的游梁式抽油机变频控制系统研究

丁宝东（控制理论与控制工程）

指导教师：张加胜（教授）

捅姜

目前，各油田广泛使用游梁式抽油机进行石油开采，但其拖动系统普遍存在以下问题：采油泵充满度低，“大马拉小车”问题严重，导致驱动电机效率和功率因数都很低；抽油机负载剧烈波动，并且存在电机倒发电馈能冲激问题。本论文针对这些问题研究开发一种基于ＤＳＰ的抽油机专用变频节能控制装置，提高抽油机的采收率和节能效率。

本课题在对变频调速的多种控制方案进行分析、总结和比较的基础上，确定了以高性能ＤＳＰＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７Ａ作为控制核心的抽油机专用变频节能控制系统。该系统主要包括交一直一交变频主电路，检测与保护控制单元，ＤＳＰ控制系统，运行状态显示单元和驱动单元等。通过对电机负载参数的自动检测和综合分析，实现系统的动态负载跟踪寻优节能和上、下冲程独立变频控制，改善电机的工作状态，提高系统的节电效率，抽油机增产节能效果明显。针对抽油机现场试验中存在的随着ＳＰＷＭ载波频率升高所出现的电机低频震颤问题，经过大量的机理研究和实验尝试，探明了震颤原因并提出了一种简单实用的ＰＷＭ控制改进方案。在系统保护方面，还针对油田电网的大幅度波动特点，提出一种交、直流侧过压保护分别独立的设计方案。通过现场实验和检测结果，证明了本系统方案的可行性和可靠性。

本文针对抽油机不平衡馈能入网的性能要求，鉴于常规的ＰＷＭ可逆整流器对直流侧电压要求较高和控制复杂的缺点，提出并尝试了一种整流逆向ＰＷＭ控制方案。仿真与实验结果证实了该方案的可行性。关键词：抽油机，ＤＳＰ，动态跟踪控制，低频震颤，节能ＩＩ

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｉｎ

ｏｎＢｅａｍＰｕｍｐｉｎｇＵｎｉｔＢａｓｅｄ

ＤＩＮＧＤＳＰＢａｏ—ｄｏｎｇ（ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）

ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＰｒｏｆｅｓｓｏｒＺＨＡＮＧＪｉａ－ｓｈｅｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｂｅａｍｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔｉｓｕｓｅｄｕｎｉｖｅｒｓａｌｌｙｉｎｏｉｌｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ．Ｂｕｔｓｏｍｅ

ｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅｅｘｉｓｔｅｎｔｉｎｉｔｓｔｒａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：Ｌｏｗｆｕｌｌｎｅｓｓｄｅｇｒｅｅｏｆｐｕｍｐａｎｄｓｅｒｉｏｕｓ‘‘ｂｉｇｈｏｒｓｅｈａｕｌｉｎｇｓｍａｌｌｃａｒｌ’ｒｏｓｕｌｔｉｎｌｏｗｍｏｔｏｒ

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ＡＣ－－ＤＣ—－ＡＣｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍａｉｎｃｉｒｃｕｉＬｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｕｎｉｔ，ＤＳＰｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｔｕｓｄｉｓｐｌａｙｕｎｉｔａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｕｎｉｔ，ａｎｄ

ｍｏｔｏｒ’ｓｌｏａｄＳＯｏｎ．ＴｈｒｏｕＩｇｈａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄｓｅｐａｒａｔｅｓｔｒｏｋｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌａｒｅｂｒｏｕｌｇｈｔｉｎｔｏｕｓｅ．ａｍｅｌｉｏｒａｔｉｎｇｍｏｔｏｒ’Ｓｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｔｕｓ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｏｂｔａｉｎｉｎｇｐｒｏｍｉｎｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｓａｖｉｎｇｅｎｅｒｇｙａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｕｔｐｕｔ．Ａｉｍｅｄａｔｍｏｔｏｒ’ＳｖｉｂｒａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍａｔｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｓＳＰＷＭｃａｒｒｉｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｒｏｕｇｈａｂｕｎｄａｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄ

ａｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅＰＷＭｃａｕｓａｔｉｏｎｉｓｄｉｇｇｅｄｏｕｔ，ａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｇｅｓｔｅｄｓｃｈｅｍｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｎｓｙｓｔｅｍｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ａｉｍｅｄａｔｅｘｔｅｎｓｉｖｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｆＡＣｐｏｗｅｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｓｅｐａｒａｔｅⅡＩ

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ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔ，ＤＳＰ，Ｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ，Ｌｏｗ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｓａｖｉｎｇｅｎｅｒｇｙ

独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：钞７年６月７’Ｅｔ

关于论文使用授权的说明

本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

导师签名：—互抛刁矿哆年６月，夕日学生签名：了气．戈、懈７年６月一日

中国石油大学（华东）硕士论文第ｌ章前言

第１章前言

１．１国内外抽油机的发展及现状

１．１．１抽油机技术的发展进程

在世界范围内，研究开发与应用抽油机己有１００多年的历史。最早大规模应用于采油的是常规游梁式抽油机，它以特别能适应野外恶劣环境等明显优势，一直占据着有杆泵采油地面设备的主导地位。但由于其结构上的不合理性，使得常规游梁式抽油机无法解决“大马拉小车”、能耗高的缺点。因此这种结构延续了几十年之后，国内外各生产厂家先后研制出前置式、异相曲柄、空气平衡等多种型号的抽油机，不同程度地克服了常规游梁式抽油机的一些缺点。但是，仍然脱离不了利用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，造成了抽油机平衡效果没有得到根本的改善，因而没有解决根本问题…”１。

２０世纪７０年代以来，各种形式的无游梁抽油机应运而生。无游梁抽油机的最大优点是不用四连杆机构将旋转运动变为往复运动，其运动规律除上、下死点有短时间的加、减速运动外，大部分时间是匀速运动，使得惯性载荷大幅度下降，抽油机性能得到较大的改善。无游梁抽油机容易实现长冲程，相对冲程损失小，有效冲程长，如链条抽油机、皮带抽油机等。目前，无游梁抽油机还存在一些较大的问题亟待解决，如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大多数采用软连接，摆动轮直径不可能过大，使钢丝绳（链条）使用寿命短。

２０世纪８０年代，人们又回到了四连杆机构，创造出可变四连杆机构，改变连杆和后臂长度，达到调整力臂使净扭矩平稳，降低了启动扭矩，“大马拉小车”现象得到进一步改善。但是仍然没有脱离电能转变为旋转运动，再用四连杆机构将旋转运动转变为直线往复运动，虽然启动扭矩有一定程度的降低，装机容量低了一个档次，但还是有一定的潜力可挖。目前，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等。

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言１．１．２游梁式抽油机的应用现状

在这百余年的采油实践中，抽油机在最初的雏形上得到了长足的发展，特别是近２０年来，世界抽油机技术发展很快，先后出现了多种新型抽油机。但是在采油中应用最多的仍是有杆泵采油，美国有杆泵抽油井占总机械采油井８５％左右，俄罗斯所占比例在７５％左右，我国所占比例在８９％左右”１，而有杆泵采油又以游梁式抽油机应用最为普遍，数量也最多，历经百年使用，经久不衰。

游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等明显优点，在采油机械中占有举足轻重的地位，在今后相当长的时间内仍将是油田的首选采油设备。但是由于游梁式抽油机本身的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费占３０％左右，年耗电量占油田总耗电量的２０％～３０％，为油田电耗的第二位，仅次于注水。自从１９８５年第一台异相曲柄平衡游梁抽油机应用以来，国内各大油田开始重视抽油机的节能工作。１９９１年双驴头节能型抽油机的问世，开创了游梁式抽油机节能应用研究工作的新局面，不断涌现出各种各样的新型节能抽油机。

我国目前抽油机数量在１０万台以上，电动机装机总容量在３５００ＭＷ，年耗电量已逾百亿千瓦 时。抽油机的运行效率特别低下，国外平均效率为３０．０５％，我国仅为２５．９６％，年节能潜力可达几十亿千瓦 时“１。抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素。人们普遍认为，游梁式抽油机工作效率低的主要原因是其载荷特性与所用异步电机的工作特性不匹配。游梁式抽油机带有周期性的交变载荷，而通用电机是按恒定负荷设计制造的，两者工作特性的不匹配造成了效率低下。

为了提高游粱式抽油机的工作效率，人们进行了大量的研究工作，

取得了相应的成果。这些研究工作一方面从载荷出发，通过加平衡块、惯性轮、弹簧等储能装置，调节负荷接近恒定，使其与恒定输出的电动机特性一致；另一方面从电动机出发，通过调节电机的输入电压、频率，使其输出功率具有波动性，与具有波动性载荷的特性相匹配，都能达到２

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言有效节能的目的。而针对抽油机的驱动电机，出现了一系列新技术０１，诸如Ｙ一△转换调压技术、可控硅调压技术、变频调压技术、节能电机（如双功率电动机“”）等，都不同程度地提高了抽油机的工作效率。

１．２交流变频调速技术的发展及应用

１．２．１交流变频调速技术的发展

过去，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统，因此直流调速系统～直在调速领域内居首位。但由于直流电动机具有机械整流器和电刷，因而存在着维护保养工作量大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高转速及高电压方向发展等缺点。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子器件的出现，历来阻碍交流调速技术发展的一些因素相继被克服，原直流调速系统领先的一些技术性能，如宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应和四象限运行等方面，交流调速系统都能与之相媲美。由于交流电动机本身具有结构简单、坚固耐用、运行可靠和惯性小等优点。还适用于直流调速无法比拟的场合，如化纤纺丝机等高精度、高速化的生产机械，泵、空压机和电梯等无齿轮化的生产机械以及冶金等大容量的生产机械。因此，交流变频调速在电气传动领域中越来越占有重要的地位，它已成为机电一体化的电气传动技术…３。

１９６４年，德国的Ａ．Ｓｃｈｏｎｕｎｇ等人率先提出了脉宽调制（ＰＷＭ）变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频器。以这种技术组成的Ｐ州型逆变器，调压和调频同在逆变器内部完成，二者始终配合一致，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅、不等宽的脉冲只需恒定直流电源供电，可用不控整流取代相控整流，使电网侧的功率因数大为改善。采用ＰＷＭ逆变器，能够抑制甚至消除低次谐波，加上使用自关断器件，开关频率的大幅度提高，输出波形可以非常逼近正弦波。也正是因为其输入功率因数高、输出波形好的特点，才为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。

由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相３

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言比，转矩控制要困难得多。７０年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为二楣系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的励磁和转矩分别控制的目的。其调节器设计方便、动态性能好、调速范围宽，使交流变频调速系统的静、动态性能完全能够与直流调速系统相媲美，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。但控制性能受电机参数变化的影响较大，各种智能控制方法在提高系统的鲁棒性能上有很好的应用前景。

８０年代中期又提出另～种转矩控制方法——直接转矩控制，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用电压空间矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型ＰｗＭ逆变器的开关状态直接控制转矩，而且采用在转速环内设置转矩内环的方法抑制磁链变化对转速子系统的影响。因此，无须对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。

当前，交流变频调速技术仍在迅猛发展，采用微机、超大规模集成电路和新型电力电子器件，以及矢量交换控制为核一１５的新控制技术是变频调速技术的发展方向，变频调速装置正朝着高频化、小型化、智能化和高精度化方向发展。

１．２．２交流变频调速技术的应用

２０世纪８０年代以来，人们把交流变频调速技术这一先进技术应用于工业领域，对于可调速的拖动系统，采用变频调速可取得显著的节能降耗效果。同时具备以下优点：

（１）使标准电动机连续调速，即在不更换原有电动机的条件下可以

调速，并可选择最佳转速。

（２）电动机启动电流小，启动转矩大，系统电气及机械冲击小。能

显著延长电控元件及电动机的寿命。

（３）低速时有转矩提升的功能，确保低速恒转矩输出。

（４）电动机最高转速不受电源影响，以及最大工作能力不受电源频

率影响。４

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言

（５）采用鼠笼型异步电动机，维护方便，可以使用在具有爆炸性气体的危险场合。

这些特点使变频调速技术得到广泛应用，特别是在风机、泵类负载应用中，节能效果更为显著。可根据负载调节转速，通常是额定转速向下调速，同时减少机械和风的噪音，延长风机、泵类负载的使用寿命；对输送机可实现平滑加、减速，产生性能优良的软启动效果，特别是重负载启动时，可提升输出转矩，产生普通软启动器所不能达到的效果。

交流调速系统的应用，在工业上大体有三大领域““：

（１）凡是能用直流调速的场合，都能改用交流调速。

（２）直流调速达不到要求的场合，如大容量、高电压以及环境恶劣的场合，都能使用交流调速。

（３）原来不调速的风机、泵类负载，采用交流变频调速改造后，可以大幅度实现节能降耗。

目前，国外已普遍采用交流调速节能技术。纵观我国变频调速技术的应用，总的说来走的是一个由实验到实用，由零星到大范围，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节能到全面改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由低压中小容量到高压大容量。我国是一个能耗大国，６０％的发电量被电动机消耗掉。据有关资料“”统计，我国大约有风机、水泵、空气压缩机４２００万台，装机容量约１．１亿万千瓦，然而实际工作效率只有４０％～６０％，损耗电能占总发电量的４０％。已有经验表明，应用变频调速技术，节电率一般可达１０％～３０％，有的甚至高达４０％，节能潜力巨大。１．３游梁式抽油机节能研究背景及意义

１．３．１游梁式抽油机节能研究背景

游梁式抽油机是一种惯性矩较大的机械设备，工作时都是带载启动，因而启动比较困难。为了满足启动的要求，不得不选配额定功率较大的电动机来拖动。另外，游梁式抽油机的载荷是带有冲击性的交变载荷，为使拖动游梁式抽油机的电动机稳定运转，并具有一定的过载能力，需按游梁式抽油机的最大扭矩来选配电动机，而游梁式抽油机所需的平均５

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言功率并不大。为了防止蜡卡、砂卡等异常工况而导致烧毁电动机，还有意识地选择更大容量的电动机来驱动抽油机，这使“大马拉小车”现象更加突出，造成设备的严重浪费““。

另外，游梁式抽油机在完成一个抽油周期（冲次）的过程中，上、下冲程的负荷也不平衡，并且差别较大。为了改善这种不平衡状态，减小工作电机的容量，提高工作效率，节约电能，游梁式抽油机都设计有配重悬锤。尽管如此，由于配重悬锤的配重是固定的，而油井的工况是变化的，即使是同一１３油井，随着开采过程的进行，井下液位也会发生较大变化，这些都直接影响着电机的运行工况。再加上配重悬锤机构的机械调整受到现场诸多条件的限制，使抽油机不能完全达到平衡。经过曲柄平衡块和游梁平衡块的共同平衡效果后，抽油机的悬点净载荷交变程度得到一定程度的缓解，但是，悬点净载荷的交变程度还是比较大的。这种不平衡的负载，由基于恒定负荷设计的电机拖动，势必造成电机运行中的能量浪费。

实际运行中，电机往往处于两种工作状态，即除电动状态之外，在每个冲次期间，电机都会进入倒发电状态运行一定时间。现场实际运行的游梁式抽油机，几乎全都不同程度地存在电机“倒发电”现象。“倒发电”现象主要发生在抽油杆下落的过程中，随着抽油杆下落速度的不断增大，到油杆下落的中后期，油杆反拖“驴头”使交流电机处于发电状态。向电网回馈电能，这样一部分油杆下落时的能量被交流电机吸收。到油杆上升时，电机需再次做功补偿油杆下落时被自己吸收的能量，因而加大了交流电机的动载负荷及转换损失，这种转化损耗可达５０９６左右。由于“倒发电”现象使电机与电网之间发生了能量交换，无用功增大，降低了电机的功率因数，恶化了电网的品质。对单变压器单井回路，倒发电的能量几乎全部损耗；对单变压器多井回路，虽然倒发电能量能在油井之间调峰消耗一部分，但平均利用率也不高。

１．３．２游梁式抽油机节能研究现状及意义

按消耗大部分能量的要素，可以把抽油机系统分成以下几个子系统：电动机及控制装置、四连杆机构、悬点载荷平衡装置和传动元件。提高６

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言这些子系统的效率就是寻找节能途径的“突破口”，不同节能机理的产生也缘于此，因此改变或调整载荷扭矩曲线和平衡扭矩曲线的形状和相位差，减小净扭矩曲线的波动变化幅度和上下峰值，消除负扭矩，减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的负荷率及工作效率，应用变频调速技术等，均可达到节能的目的。显然，对于大量的油田在役游梁式抽油机，只有针对驱动电动机的节能方式是经济可行的。

目前国内有关抽油机及驱动电机的检测与控制方式多种多样，比如，

以改善工艺、提高采收率为目的而为抽油机配备的变频调速器、示功图测试分析仪、滑差电机、变极调速；针对抽油机由于长期处于“大马拉小车”状态所致的效率低、功率因数低的问题，为了节能降耗而采用的节能控制电机、降压节能和Ａ／Ｙ接法控制，以及对抽油机通过间歇式控制来实现节能的超级节能器等。国外围绕抽油机的控制主要采用比较完善的变频调速装置，和与之配套的示功图测试分析仪等，通过变频调速器及多功能控制系统，既可以较好地满足采油工艺的要求，又能达到有效的节能目的。

由于有杆抽油装置的大量采用，各油田用于采油的电能消耗量很大，

抽油装置的节能问题已引起了广泛的注意。鉴于游梁式抽油机突出的“大马拉小车”和运行效率低等问题，本课题所提出的变频调速系统直接面向游梁式抽油机的驱动电机进行控制，并且具有较大容量的有功和无功能量的处理规模。就发展的趋势而言，本课题所研究的变频调速系统，可以进一步弥补游梁式抽油机自身存在的上述不足，具有明显的经济意义和重要的现实意义。‘

１．４本论文研究和解决的问题

基于上述普遍情况的具体现状，特别针对“大马拉小车”问题、“倒

发电”问题、以及油泵充满度低问题，运用新型电力电子技术和计算机控制技术，研究开发了一种基于ＤＳＰ的抽油机专用变频节能控制装置，提高抽油机的采收率和节能效率。一方面改善抽油机驱动电机的工作状态，解决游梁式抽油机电机由于“大马拉小车”和负载交变特性而带来７

中国石油大学（华东）硕士论文第１章前言的功率因数和效率较低的问题；另一方面针对游梁式抽油机由于运转不平衡而造成的电机倒发电问题，实现对倒发电能量的自动吸收，以避免由于倒发电现象给油田带来的经济损失，并消除其对电网的影响。从根本上说，课题的研究目的就是提高抽油机电机的功率因数，节能降耗，提高采收率，降低生产成本。

系统采用全控型电力电子器件ＩＧＢＴ等快速模块及高频Ｐ删控制方式，用１６位ＤＳＰ（ＴＩＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ）完成电机工作电压的寻优控制算法，并进行自动控制（即动态调压），使抽油机电机始终运行于功率因数和效率最佳的工作状态。

所做的具体工作总结如下：

（１）深入研究游梁式抽油机的工作机理和负载特性。

（２）对变频节能控制系统方案进行理论分析和仿真研究，为控制系统设计奠定理论基础。

（３）设计系统软件和控制电路，进行电路板设计、制板和焊接工作，搭建系统样机，进行大量系统调试实验，对实验波形及数据进行综合分析，并在调试中解决了电机低频震颤问题。

（４）油田现场长期试验，检测装置的节能、增产性能，提高电网侧功率因数，验证系统的可行性及可靠性。

（５）为了追求更高性能，对双ＰｗＭ变频调速系统进行了理论分析，

提出了针对整流侧的简化的整流逆向ＰｗＭ控制方案，并进行了实验研究。８

中国石油大学（华东）硕士论文第２章抽油机变频调速系统方案设计

第２章抽油机变频调速系统方案设计

２．１游梁式抽油机的工作原理和负载特性

２．１．１游梁式抽油机的工作原理

游梁式抽油机采油系统主要由三部分组成：一是地面部分——游梁式抽油机，它由电动机、减速箱和四连杆（包括曲柄、连杆和游梁）等组成：二是井下部分——抽油泵（包括吸入阀、泵阀、柱塞和排出阀等），它悬挂在套管中油管的下端；三是联接地面抽油机和井下抽油泵的中间部分——抽油杆柱，它由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。地面部分基本结构“１如图２一ｌ所示。。

ｌ一底座：２－－支架：３－－悬绳器；４一驴头；，一谫粱：６－－横粱轴承座

７一横粱；３一连杆；９－－曲柄销装置：１０一曲柄装置；１１一减速器；１２一刹车保险装置：Ｉ卜刹车装置；１４一电动机；Ｉ卜配电箱

图２－１游梁式抽油机结构

采油工作原理０１是：电动机通过皮带和减速器带动曲柄作匀速圆周运动，曲柄通过连杆带动四连杆机构的游梁以支架上中央轴承为支点，做上下摆动，带动游梁前端的驴头悬点连接抽油杆柱、油泵柱塞做上下往复直线运动，实现机械采油。

当悬点（抽油杆）上冲程时，如图２－２（ａ）所示，抽油杆柱带动油泵活塞上行，油泵的游动阀（排出阀）受阀自重和油管内液柱压力的作９

中国石油大学（华东）硕士论文第２章抽油机变频调速系统方案设计用而关闭，并提升柱塞上部的液体。

与此同时，柱塞下面的泵筒空间内的

压力降低，当其压力低于套管压力

时，该空间的液体将顶开油泵固定阀

（吸入阀）而进入抽油泵活塞上冲程

所让开的泵筒空间；当悬点（抽油杆）

下冲程时，如图２—２（ｂ）所示，泵内

的压力不断增高，当泵内压力增至超

过油管内液柱压力时，将顶开油泵的

游动阀使泵筒内的液体进入油管内。

由于油泵柱塞在抽油机的带动下，连（ａ）上冲程（ｂ）下冲程１－ｔｉｅ出阔２．柱塞３－村套４．吸入调图２－２泵的工作原理

续做上下往复运动，因而油泵的固定阀和游动阀也将交替地关闭和打开，完成抽油泵的抽吸工作循环。

２．１．２游梁式抽油机的负载特性

目前，游梁式抽油机广泛采用曲柄平衡方式实现抽油机的平衡”１。

这种平衡方式中，平衡重块在曲柄轴上所产生的平衡扭矩，随曲柄的转动按正弦规律变化，即：正＝ＧＲｓｉｎａ。受其实际结构的制约，曲柄不可能无限短，连杆也不可能无限长，致使在这种抽油机中悬点载荷作用到曲柄轴上的载荷扭矩并不按正弦规律变化，即其随曲柄转动而变化的规律偏离了正弦规律；加上因悬点运动的速度和加速度所带来的附加动载荷的影响，使这种“偏离”越发加剧。因此在常规游梁式抽油机中，这种曲柄平衡扭矩ｒ并不能与抽油机的载荷扭矩７＿很好地平衡，使抽油机在一个工作循环中曲柄轴净扭矩Ｌ仍有较大的波动。

图２—３是常规游梁式抽油机的典型扭矩图。可见，一个工作循环中，

净扭矩在有较高的“峰值”和较深的负向“谷值”，即有较大的“负扭矩”。扭矩波动很大，抽油机平衡效果不佳。从能耗角度讲，净扭矩波动大势必加大功率而增大能耗；从动力角度讲，峰值扭矩高，为了保证抽油机１０

的正常运转，势必要选用较大的动力机，这种大电机、大峰值电流的配套方案，必将导致电机自身损耗和电路损耗的增加。

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矩．

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ｌ一译授ｊ电；２一搐井负荷扭建ｉ３ 曲柄平衡｛丑矩＼＼７＼／却

图２－３游梁式抽油机典型扭矩

２．２系统的理论基础及方案提出

２．２．１ｓＰ删技术

脉宽调制（Ｐ＿ＩｊｙＭ）技术，是利用半导体器件的导通和关断，把直流电

压变成一定形状的电压脉冲列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的的一门技术。正弦脉宽调制ＳＰＷＭ（ＳｉｎｕｓｏｉｄａｌＰ州）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的ＰＷＭ法，其波形就是与正弦波等效的一系列等幅、不等宽的矩形脉冲波形。从ＳＰＷＭ调制脉冲的极性看，ｓＰｗＭ可分为两点式与三点式两种控制模式㈨。

（ａ）两点式ＳＰＷＭ（ｂ）三点式ＳＰＷＭ

图２－４ＳＰＷＭ相电压波形

（１）两点式ＳＰＷＭ模式：也称双极性ＳＰ州模式，如图２—４（ａ）所示。每个半周都是双极性跳变脉冲，每个等分上的正负面积之和（平均

面积）按正弦规律变化，两电平跳变，即脉冲的占空比按正弦规律变化。

（２）三点式ｓＰ删模式：也称单极性ＳＰｗＭ模式，如图２—４（ｂ）所

示。整个波形包含有三种电平，ＨＩＩ＋Ｕｄ／２，０，－Ｕｄ／２。正半周均为正脉冲，负半周均为负脉冲，没有正、负两极性间的跳变。

对于两种ＳＰＷＭ波形，每半周所包含的脉冲个数Ｎ越多，正弦脉宽变化越平滑，逼近正弦的程度越好，谐波的幅度越小。但脉冲个数Ｎ过大。则要求功率半导体器件的开关频率很高，器件发热严重。两点式ＳＰｗＭ模式控制电路和主电路比较简单，三点式ｓＰ踟模式要比两点式ＳＰ９４模式输出电压中高次谐波分量小得多，因此当谐波分量相同时，三点式ＳＰＷＭ开关管的开关频率可以降低，开关损耗小，适合大功率负载。

ＳＰＷＭ控制信号可通过模拟、数字电路或微机等多种方法实现。模拟

或数字电路中，所用元件较多，控制线路复杂，精度也较差。采用微机数字控制可以克服这些缺点。微处理器产生ＳＰＷＭ波时，为了降低变频器输出ｓＰ＿｜ｖＭ电压波形所包含的谐波成分，需要解决两方面的协调控制问题，一是ＳＰＷＭ波所包含的基波电压的幅值与频率的协调控制；二是载频三角波比较法所涉及的载波频率ｆｃ与调制信号频率ｆｒ之间的协调控制。通常将载波频率ｆｃ与调制波频率ｆｒ之比称为载波比，即Ｎ＝ｆｃ／ｆｒ。根据载频三角波和调制波是否同步及载波比的变化情况，ＳＰＶＣＮ｛控制方式可分为同步调制、异步调制和分段同步调制。

载频三角波变化一个周期，它与正弦调制波有两个交点，控制逆变

器中开关元件导通和关断各一次。要准确生成ＳＰｗＭ波形，就要精确计算出这两点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲的间隙时间。正弦波的频率和幅值不同时。这些时间也不同，对计算机（微处理器）来说，时间的计算由软件实现，时间的控制由定时器完成非常方便，关键在于采样方法”３“”３。

（１）自然采样法：以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，

在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所碍ｓＰ删波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，１２

中国石油大学（华东）硕士论文第２章抽油机变频调速系统方案设计计算繁琐，难以实时控制，因而难以用于实时控制中，只适用于调速范围有限的场合。

（２）规则采样法：规则采样法是一种应用较广的工程实用方法。当

三角波只在其顶点（或底点）位置对

正弦波进行采样时，由阶梯波与三角

波的交点所确定的脉宽，在一个载波

周期（即采样周期）内的位置是对称

的。如图２—５所示，在三角波负峰底

点（三角波周期中点）时刻对“。采样

得Ｄ点，此时采样值作为整个三角波

周期的调制电压值，所得阶梯波“。。更

贴近Ｕ。，它与三角波比较得Ａ、Ｂ点，芝毪８ｉ三｜｜８￡芝；；占ｉ３；｝￡兰Ｆ１三∑。一％一：｝’图２－５规则采样法

仍关于中心线对称，但Ａ、Ｂ点分别在‰线两侧，相对于自然采样情况，一，；Ａ点提前，Ｂ点也提前，脉宽生成误差小。

设正弦波与三角波的幅值比值为常数ｍ，周期分别为Ｂ和瓦，则由

‘

图２—５的几何关系得：

［！｛丝：％一ｌ＋ｍ２％ｓｉｎ

％２（２－Ｉ）

由式（２一Ｉ）整理得：

艿＝％（ ＋枷ｎ２毵）

儿％一万＝％（－…ｉｎ：毵）

１３∽ｚ，伢ｓ，以上为对称规则采样法，还有非对称规则采样法，即在三角波的顶

中国石油大学（华东）硕士论文第２章抽油机变频调速系统方案设计点和底点时刻均对Ｕ月米样，米样点多一倍，能史好的逼近正弦。２．２．２异步电机恒压频比控制时的机械特性

恒压频比控制实际是恒磁通控制的一种简化形式∞１。异步机每项绕组定子电压Ｕｉ“Ｅｌ＝４．４４ｆ。Ⅳｌ毛①。，式中，七。为定子基波绕组系数。若保持巨／Ｘ恒定，则可以保证磁通恒定。由转矩的物理表达式丁＝坼①。１２ｃｏｓ％，若ｏ。不变，变频调速前后输出转矩保持恒定，故允许恒转矩调速。

异步电机的机械特性表达式：ｎ丽‰

１２萌［（‘＋，２／ｓ）２＋ｘ；】沼。，其中，坼是短路电抗。令＿ｄＴ：０求最大转矩：乙２丽丽３ｐＵ］＾２焘沼ｓ，（２．６）在Ｚ较高时，以＞＞，１，式（２－５）简化为：Ｌ。地：●！出２＿：牟ｆ堕１２８万２Ｌｋｌ石Ｊ４顽ｈ４顽 ２顽厶…。

可见，电源频率较高时，乙＊㈢２，若鲁…脚褓持不变’贝ＩＪＬ近似恒定。在Ｚ较低时，‘＞＞矗，贝，Ｕｘｋ可以忽略，式（２—５）简化为：

Ｌ＊器＝等阿 ｚ１

１４４斫 ２１慨ｌＺＪ“沼，，…’若保持恒压频比控制，则Ｌ随厅下降而减小。其物理概念如下：在

中国石油大学（华东）硕士论文第２章抽油机变频调速系统方案设计恒压频比控制下的机械特性在低频区Ｌ下降，因为在低频区，Ｉ引起的压降相对增大，不可再忽略，故虽然恒压频比控制，乙减小；低频启动时，Ｌ也减小。欲保持①，恒定，应对低频区进行补偿，随Ｚ下降，适当提高ｕ，／Ｚ，从而使Ｅ／Ｚ基本恒定。恒压频比控制时电机的机械特性如图２—６所示，图中的曲线部分对应Ｚ＜．，；，时的机械特性，实线为对应低频转速下进行补偿后的机械特性。

图２－６恒压频比控制时电机的机械特性

２．２．３系统设计原理及方案提出

针对游梁式抽油机急需解决的问题，设计开发专用于抽油机的变频节能控制装置。该装置具有软启动的特性，通过对电机负载参数的自动检测和综合分析，实现系统的动态负载跟踪寻优节能和上、下冲程独立变频控制，改善电机的工作状态，提高系统的节电效率，抽油机增产节能效果明显。运行中对倒发电能量及时处理，并具有足够容量的有功和无功处理能力。

与传统的可控硅移相控制方式不同，系统采用全控型电力电子器件ＩＧＢＴ等快速模块及高频ＰＷＭ控制方式，用１６位ＤＳＰ自动完成电机工作电压的寻优控制，不存在可控硅相控角所带来的功率因数变差的问题，１５

中国石油大学（华东）硕士论文第２章抽油机变频调速系统方案设计真正提高抽油机电网侧的功率因数，使抽油机电机始终运行于功率因数和效率最佳的工作状态；并通过独特的上、下冲程分别控制，有效提高油井采收率。

针对电机倒发电问题，考虑将这部分能量消耗于大功率电阻或回馈电网两种方式，设计两种方案，分别是抽油机变频节能系统和双ＰｗＭ变频节能系统。

图２—７抽油机变频节能系统原理

图２—７为抽油机变频节能系统方案的原理，主要包括交一直一交变频主电路、检测与保护控制单元、ＤＳＰ控制单元、倒发电耗能单元、隔离驱动单元以及键盘、显示单元等部分。ＤＳＰ控制单元作为整个系统的智能化控制核心，连续不断地通过检测与保护控制单元进行系统的故障检测，对系统直流侧的电压、电流等参数进行实时监测，进而对电机的工作状态进行综合判断，并通过电源控制功率模块，实现对电机绕组工作电压的平滑控制。

本系统的自动控制作用应该具有快速的动态响应特性，因为抽油机在每一个冲程周期当中，电机处于倒发电状态的时间毕竟是短暂而且断续的，因此，后一个冲程中的自动调节作用总是在前一个冲程己完成的调节基础上连续进行。

图２—８为双Ｐ州系统的原理框图…””１，与抽油机变频节能系统相比，主要在整流侧进行了改动，使用了可逆整流器和进线电感。由于常规双１６

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