基于DSP全數(shù)字式交流伺服與交流永磁同步電機(jī)在采油井的應(yīng)用研究

摘 要：針對(duì)采油井的實(shí)際應(yīng)用要求，提出了采用交流伺服和永磁同步電機(jī)的應(yīng)用方案。第一通過(guò)空間矢量的零矢量開(kāi)機(jī)和零矢量關(guān)機(jī)的方法，解決了反轉(zhuǎn)瞬時(shí)過(guò)快及泄能的問(wèn)題。第二通過(guò)對(duì)電機(jī)的短路電流的計(jì)算及電機(jī)短路時(shí)最大阻轉(zhuǎn)扭拒的計(jì)算，由此選擇適當(dāng)?shù)慕涣魉欧到y(tǒng)，避免同步電機(jī)的崩潰問(wèn)題的出現(xiàn)。由此成功解決了電機(jī)的帶載啟動(dòng)和帶載停機(jī)的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：零矢量；短路電流；短路最大扭拒；崩潰

1 引言

近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的加劇以及人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在整個(gè)各行各業(yè)內(nèi)都在提倡能源節(jié)約，在石油采油廠也同樣進(jìn)行節(jié)能方面的探索，經(jīng)歷了以下的發(fā)展歷程：首先是采用磕頭機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，功率大，使用壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是投資大，由于它的工作方式是活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，出油時(shí)間只有一半，工作效率非常低，同時(shí)磕頭機(jī)是采用異步電機(jī)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)（包括曲柄、連桿和游梁）等部件，功率損耗非常大，所以它耗電大，效率低。其次是采用異步電機(jī)加螺桿泵的方法，螺桿泵技術(shù)的發(fā)展為提高采油效率成為可能，螺桿泵連續(xù)做功，所以出油效率比磕頭機(jī)高一倍。由于異步電機(jī)本身的負(fù)載特性的原因，同時(shí)由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需要用皮帶輪、減速齒輪等進(jìn)行減速，因此在最終動(dòng)力系統(tǒng)效率比較低，能耗大，另外一個(gè)缺點(diǎn)是啟動(dòng)過(guò)載能力差。再次是最近提出的新方案：直接驅(qū)動(dòng)式螺桿泵采油機(jī)，它是采用永磁同步低速力矩電機(jī)加伺服驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)源，由于采用的是直接驅(qū)動(dòng)，在省去了很多復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)，降低了損耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2 新問(wèn)題的出現(xiàn)

眾所周知，石油一般都在地表以下幾百米到幾千米。螺桿泵的轉(zhuǎn)動(dòng)軸是靠S型的卡口一根根連接起來(lái)的，只有順時(shí)針?lè)较虺隽е輻U旋轉(zhuǎn)才不會(huì)脫鉤。同時(shí)，由于井太深，在正常抽油時(shí)螺桿必定產(chǎn)生周向的彈性形變，隨著井的深度和油液的粘稠度不同而形變程度不同，一般有幾十轉(zhuǎn)甚至上百轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)差，即電機(jī)帶著軸承轉(zhuǎn)了幾十甚至上百轉(zhuǎn)后，油泵才跟著轉(zhuǎn)起來(lái)，儲(chǔ)存了大量的彈性勢(shì)能。這樣當(dāng)電機(jī)剛停下來(lái)時(shí)螺桿還是保持著當(dāng)前的大扭矩狀態(tài)，螺桿就會(huì)帶著電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)反轉(zhuǎn)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，第一是安全問(wèn)題，由于儲(chǔ)存了大量的彈性勢(shì)能，停機(jī)時(shí)螺桿軸通過(guò)帶著電機(jī)反轉(zhuǎn)把勢(shì)能轉(zhuǎn)為動(dòng)能，在這過(guò)程中，存在一段較長(zhǎng)時(shí)間（3～10秒）電機(jī)是按恒角加速度來(lái)運(yùn)行的，速度上到3～4千轉(zhuǎn)每分鐘，這樣高的轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器高壓損壞進(jìn)而燒毀，同時(shí)有可能引起火災(zāi)，對(duì)井上工作人員造成安全隱患。第二是螺桿軸帶著電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺桿泵的軸是通過(guò)S形卡口連接的，所以有可能出現(xiàn)螺桿脫鉤的情況，而一旦脫鉤將給油田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，必須將連接軸一根根打撈起來(lái)重新連接。所以停機(jī)時(shí)一方面要求把彈性勢(shì)能放掉，另一方面要求彈性形變的能量的釋放過(guò)程能夠受控的，不能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)過(guò)程脫鉤。

3 解決的思路

近期采用的異步電機(jī)加變頻器的驅(qū)動(dòng)方式，采取了增加一個(gè)防反轉(zhuǎn)的機(jī)械手柄，電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，防止反轉(zhuǎn)，能量的泄放是靠手動(dòng)操作的方法解決，通過(guò)人工操作防反轉(zhuǎn)手柄間歇性泄放掉彈性形變勢(shì)能，恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種辦法的缺點(diǎn)是可操作性差，不好控制泄放能量的快慢，操作不好仍有可能出現(xiàn)脫鉤的情況。所以提出了采用永磁同步電機(jī)，當(dāng)停機(jī)時(shí)，通過(guò)永磁同步電機(jī)的發(fā)電原理，在反轉(zhuǎn)時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)為電能，把電機(jī)的電樞短接，通過(guò)電機(jī)的內(nèi)阻把電能變成熱能釋放掉。在此過(guò)程中，早期的通過(guò)在停機(jī)時(shí)把同步電機(jī)的電樞端用接觸器的方法短接實(shí)現(xiàn)緩慢泄能，但這種方法存在瞬時(shí)的速度失控，轉(zhuǎn)速有可能超出許可的范圍。在此，提出一種新方法：巧妙的利用SVPWM的零矢量可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶載啟動(dòng)和帶載停機(jī)，而這一方法的實(shí)施，則必須要求核算同步電機(jī)電樞端短路時(shí)最大阻轉(zhuǎn)扭矩和最大電流，防止同步電機(jī)的短路崩潰和大電流把驅(qū)動(dòng)器燒壞。

4 解決問(wèn)題

4.1 利用零矢量實(shí)現(xiàn)帶載啟動(dòng)和帶載停機(jī)

首先看看早期的方案，原理框圖如圖1所示，為了避免驅(qū)動(dòng)器輸出時(shí)輸出端被短路，驅(qū)動(dòng)器正常輸出時(shí)是禁止輸出端被短路的。而接觸器本身的切換時(shí)間是一個(gè)不確定的值，一般為20～40毫秒，所以為了安全，采取以下動(dòng)作過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)時(shí)，先把接觸器脫開(kāi)，經(jīng)過(guò)大概是50毫秒的時(shí)間，再開(kāi)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行，關(guān)機(jī)時(shí)，先把驅(qū)動(dòng)器關(guān)掉，經(jīng)過(guò)大概是50毫秒的時(shí)間，再把接觸器合上，所以出現(xiàn)電機(jī)不受控的時(shí)間大概是10～30毫秒的時(shí)間，這一過(guò)程雖然簡(jiǎn)單，但是當(dāng)電機(jī)帶載時(shí)應(yīng)考慮以下問(wèn)題：由于電機(jī)是帶載的，所以在啟動(dòng)的過(guò)程中，在這不受控的時(shí)間內(nèi)，在負(fù)載的帶動(dòng)下自由反轉(zhuǎn)，有可能已經(jīng)在最大扭矩下恒角加速運(yùn)行速度到達(dá)4000rpm，這是很危險(xiǎn)的。為了消除它的影響，現(xiàn)在使用零矢量進(jìn)行帶載啟動(dòng)，先來(lái)認(rèn)識(shí)矢量空間。

一般交流伺服主回路的電路如圖2所示。

圖3是三相電壓型PWM逆變器，V1～V6是六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，a，b，c分別代表3個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，每個(gè)橋臂有“0”和“1”兩種狀態(tài)，“1”代表上管開(kāi)通，下管關(guān)斷，“0”代表下管開(kāi)通，上管關(guān)斷，形成了'000''001' '010' '011' '100' '101' '110' '111'共八種狀態(tài)，其中'000'和'111'稱(chēng)為零矢量，在交流伺服中，常用來(lái)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在這里主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶載的無(wú)縫啟動(dòng)，過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)時(shí)，先開(kāi)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行，但此時(shí)的輸出是零電壓的零矢量，經(jīng)過(guò)大概是50毫秒的時(shí)間，驅(qū)動(dòng)器再進(jìn)行正常的速度閉環(huán)運(yùn)行，關(guān)機(jī)時(shí)，先把驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速降到零速，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入零矢量輸出，經(jīng)過(guò)大概是50毫秒的時(shí)間，再把接觸器合上，再把驅(qū)動(dòng)器關(guān)掉。這樣就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的帶載啟動(dòng)的問(wèn)題，不會(huì)存在電機(jī)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，克服了反轉(zhuǎn)瞬時(shí)過(guò)快和脫鉤的問(wèn)題。

4.2 電機(jī)的短路電流的計(jì)算

上述的零矢量解決電機(jī)的帶載啟動(dòng)和停機(jī)的方法，在停機(jī)時(shí)，負(fù)載帶著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，通過(guò)電機(jī)的內(nèi)阻把能量泄放掉，在這個(gè)過(guò)程中必須核算電機(jī)的短路電流，驅(qū)動(dòng)器輸出零矢量的時(shí)候，就是相當(dāng)于把電機(jī)的電樞短路，短路電流經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)管，如果電流超過(guò)功率管的電流將會(huì)燒壞驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)短路時(shí)的等效電路如圖3

為了方便說(shuō)明，只畫(huà)一相來(lái)進(jìn)行計(jì)算，R為電機(jī)的內(nèi)阻，L為電機(jī)的電感量，e為電機(jī)的反電勢(shì)，根據(jù)電機(jī)基礎(chǔ)和電路基礎(chǔ)可以得到以下的式子[1]：

e=n*Ke=（w/2∏*60）* Ke

i=e/（R+jwL）= （w/2∏*60）* Ke/（R+jwL）

極值為：i=e/jwL= （1/2∏*60）* Ke/jL

式中Ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，w為角頻率。電流隨轉(zhuǎn)速的變化而變化的軌跡圖如下圖4所示：

4.3 電機(jī)的短路最大扭矩的計(jì)算

采用零矢量解決電機(jī)的帶載啟動(dòng)和停機(jī)的方法，除了考慮在停機(jī)時(shí)負(fù)載帶著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的短路電流會(huì)燒壞驅(qū)動(dòng)器外，還要考慮電機(jī)的短路阻轉(zhuǎn)扭矩有多大，如果電機(jī)短路時(shí)能出的最大扭矩沒(méi)有負(fù)載扭矩大，將不能夠控制電機(jī)，這是電機(jī)處于崩潰狀態(tài)，轉(zhuǎn)速將會(huì)一直加速上升，出現(xiàn)危險(xiǎn)，所以為了保證電機(jī)電樞短路時(shí)速度是受控的，就必須要求電機(jī)電樞短路時(shí)的最大阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的扭矩。根據(jù)電機(jī)基礎(chǔ)有：

T=i*Kt

其中Kt是力矩系數(shù)，是正比于電流與永磁磁場(chǎng)的夾角的sin0

0=argtg（R/（R+jwL））

所以T如下圖所示：

所以兩個(gè)波形相乘有一個(gè)最大值；對(duì)應(yīng)的頻率和電流就是電機(jī)短路時(shí)能出扭矩最大時(shí)電流和電流的頻率。選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)根據(jù)允許的最大扭矩選擇驅(qū)動(dòng)器的最大輸出電流，同樣根據(jù)所對(duì)應(yīng)的電流來(lái)選擇功率開(kāi)關(guān)管的電流。這樣確保驅(qū)動(dòng)器的安全和電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)崩潰的狀態(tài)。

5 方案的驗(yàn)證

本方案通過(guò)星辰NAS4D2180AZ交流伺服和620B31K4-02交流力矩低速電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，在電機(jī)帶載的情況下進(jìn)行啟停，均達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論

本文通過(guò)零矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的帶載啟動(dòng)和帶載停機(jī)，達(dá)到了緩慢泄能和防止脫鉤的目的，說(shuō)明完全達(dá)到油田的使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[J].北京：清華大學(xué)出版社，2004 223-227.

作者簡(jiǎn)介：粟巧蘭（1978-），女，廣西資源人，桂林理工大學(xué)管理學(xué)院2012級(jí)碩士研究生。