[发明专利]游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统

说明书

技术领域

 本发明涉及游梁式抽油机用电机控制系统，特别是涉及游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，属于电机转速闭环控制、负载做不规则变动的宏观稳速控制技术。

背景技术

游梁式抽油机占机械采油设备的70%以上。在启动游梁式抽油机时，电动机需输出大启动转矩，以便使包括平衡配重在内的抽油机系统加速。游梁式抽油机每个冲次的负载都可能不同，而且，在一个冲次当中负载转矩时刻都在变化。

长期以来，绝大多数游梁式抽油机采用通用型3相笼形异步电动机（例如Y系列异步电动机）作为动力。这就带来了一系列动力源与负载特性不匹配的问题。3相笼形异步电动机的启动转矩大约是其额定转矩的2倍左右，所以，抽油机选择电动机容量时，不是以等效输出功率为准则，而是以满足启动转矩为前提，这就造成了“大马拉小车”现象。因此，电动机启动电流很大，电动机工作在低负载率下，造成电动机工作在效率和功率因数都低的工作状态。3相笼形通用异步电动机的转差率大约在5%以内，其机械特性很硬，这就造成了动力源与负载的不匹配，降低了系统效率。

为了降低单位产液量的能耗和增加产油量，国内外研究和试验过多种类型的电动机，例如：高转差和超高转差3相笼形异步电动机、变频调速3相笼形异步电动机、3相笼形异步电动机加电磁离合器、3相线绕转子异步电动机、稀土永磁同步电动机、开关磁阻电动机等等，实验效果都还不够理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，该系统在保证游梁式抽油机每分钟冲次数前提下，使其拖动电动机的工作点随负载大小在下垂的机械特性曲线上滑动，以达到电动机、抽油杆和油泵活塞运动的良好匹配，因而减小了冲程损失。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，由永磁无刷直流电动机、转子位置传感器和控制器构成，其所述控制系统是以抽油机每个冲次的时间t^*=60/N，s，为指令时间和采样周期控制的，其中，N是抽油机每分钟的冲次数；通过强制改变电压型逆变器输出的PWM占空比D，使电动机在一个冲次当中工作在某一机械特性曲线上；在一个采样周期t^*内，电动机每分钟平均转数n=iN被定为控制目标，其中i是抽油机减速比；在t^*时间内，电动机的工作点随负载转矩的变化，在由PWM占空比D确定的下垂机械特性曲线上滑动，使得抽油机在保证每分钟冲次数前提下得到电动机、抽油杆和活塞运动的配合，电动机在恒功率和高效区运行。

所述的游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，其所述每个冲次的指令t^*是来自对地面示功图数据处理的上位机输出，或来自根据经验的人为设定。

所述的游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，其所述的指令时间t^*，s，用每个冲次的脉冲数60f/N来表达，其中，f=3piN/60，Hz，p为电动机的极对数；电动机在一个冲次时间t^*内的平均每分钟转数n，用转子位置传感器U、V、W上跳沿脉冲数3pn/N来计数，并以⊿n=60f-3pn为强制改变电压型逆变器输出的PWM占空比D的依据。

所述的游梁式抽油机用永磁无刷直流电机宏观自适应控制系统，其永磁无刷直流电动机系统组成，包括有3相交流电源电压； 3相全桥整流器；滤波电容器；直流母线上电流传感器；电压型3相逆变器；控制器； p对极永磁无刷直流电动机定子；p对极永磁无刷直流电动机转子；转子位置传感器。

本发明的优点与效果是：

本发明在保证游梁式抽油机每分钟冲次数前提下，使其拖动电动机的工作点随负载大小在下垂的机械特性曲线上滑动，以达到电动机、抽油杆和油泵活塞运动的良好匹配，因而减小了冲程损失。电动机的工作点在下垂机械特性曲线上滑动，使电动机近于恒功率运行，这就提供了电动机始终工作在高效区的条件。这种控制系统与3相笼型异步电动机相比，游梁式抽油机生产每吨米液体的能耗可以减少30%左右。

附图说明

图1为游梁式抽油机的传动链图；

图2为电动机转速恒定时，悬点的位置、速度、加速度和曲柄负载图；

图3为下垂的电动机机械特性图；

图4为电动机驱动系统结构框图；

图5为驱动游梁式抽油机的永磁无刷直流电动机实施框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。