（电气工程专业论文）基于直流母线供电的抽油机群控系统研究.pdf

p 、。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：如fd 年6 月j 7 日 名：别男叫 导师签名：尹b 乃泸、m1 签字日期：力f ，d 年月少日 学位类别：工学学位级别：硕士 p u m p i n g 学科专业：电气工程研究方向：电力电子与电传动 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文是在导师刘志刚教授的悉心指导下完成的。在整个攻读硕士学位期间， 刘老师严谨求实的治学态度，丰富渊博的知识涵养，严肃认真的工作作风和兢兢 业业的敬业精神，给学生留下了深刻的印象。在刘老师的关怀和鼓励下，实验室 形成了一个良好的科研氛围，使我在实验室学到了很多实践知识，这在以后的工 作、学习和生活中都将是自己宝贵的财富。读研究生期间，刘老师给予了我很多 学业上的教诲和生活上的关心。在论文即将完成之际，谨向恩师刘志刚教授致以 深深的敬意，并表示衷心的感谢! 同时还要感谢刁利军师兄，在他的带领下，项目组里充满了浓厚的学术氛围， 他勤恳的工作作风与科学的工作方法为项目组的全体研究生树立了很好的榜样。 项目研发过程中，每次碰到难以解决的问题，他总是能够给予我极大的帮助，帮 助我分析问题，并耐心地给我讲解与指导，使我能够顺利完成自己的研发工作， 在此向刁师兄表示由衷的感谢! 感谢课题组的研究生韦中利与陈超，他们在我课题的完成过程中也给予了很 大的帮助，与他们及时的交流与沟通使课题得以顺利进展。 最后，我要感谢我的爸爸和妈妈，他们的关心、信任和支持使我能够在学校 专心完成研究生学业! 功率因数低和抽油机倒发电馈能处理不合理等。本论文针对这些问题，并根据各 油田采油区块多台抽油机集中分布的特点，研究开发了一种基于直流母线供电的 抽油机变频群控系统装置，不仅可以大幅度增产和节能降耗，而且使造价明显降 低，进一步提高系统的性能价格比。 本课题所研发的变频群控系统，采用了直流母线供电技术，并以高性能d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制核心。在原有单井抽油机变频节能装置的基础上，将多 台交直交变频控制柜的交直整流部分予以取消，改为由同一套整流器通过直流 母线统一供电。本文研究分析了系统的整流滤波器和各逆变控制柜终端的配置结 构组态，提出了一种适合于直流母线供电特点的特种开关电源构成方案，设计研 发了一种新颖的开关电源自启动方法和直流继电接触控制线路，对基于d s p 的控 制系统、隔离驱动单元和检测保护单元等进行了硬软件设计开发。 该群控系统装置将多台抽油机通过直流母线联系在一起，充分发挥抽油机的 群体优势，实现了多台抽油机倒发电能量的互馈共享和循环利用，改善了整流器 网侧电流波形，降低了对电网的谐波污染，提高了功率因数，并降低了网侧变压 器的容量，同时也可以避免抽油机现场的盗电现象。油田现场实验和检测结果表 明，该变频群控系统比常规的单井变频装置具备上述优点，明显提高了抽油机的 节能效益，证明了本系统方案的正确性与可行性。 关键词：抽油机；直流母线；d s p ；变频节能；群控 分类号：t m 9 2 1 5 s u p e r i o rp e r f o r m a n c ei nb o mo i lv o l u m ei n c r e a s ea n de n e r g y s a v i n gi m p l e m e n t a t i o n b u tt h e ya l s ob r o u g h tas e r i e so fq u e s t i o n s ，i n c l u d i n g ：h e a v i e rc u r r e n th a r m o n i ci n p o w e rs y s t e ms i d e ，l o wp o w e rf a c t o ra n du n r e a s o n a b l yd e a l i n gw i t hf e e d b a c ke n e r g y f r o mm o t o rr e g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y ，a n ds oo n i nr e s p o n s et ot h e s eq u e s t i o n si nt h i s p a p e r , a n di n a c c o r d a n c ew i t l lt h ef e a t u r eo fm a n yp u m p i n gu n i t sc o n c e n t r a t e d n e i g h b o u r l y ，w er e s e a r c ha n dd e v e l o pap u m p i n gu n i tv a r i a b l ef r e q u e n c yg r o u pc o n t r o l s y s t e mb a s e do np o w e r - f e dd cb u s 1 1 1 es y s t e mn o to n l yc a ni n c r e a s ep r o d u c t i o na n d s a v ee n e r g yd i s i p a t i o ng r e a t l y ，b u ta l s os i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ec o s tt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e - c o s t r a t i o ss y s t e mu s e sc o m m o nd cb u sp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y ，w h i c hl i n k sm a n y i n v e r t e rt e r m i n a l s ，a n dh i i g hp e r f o r m a n c ed s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa sc o n t r o lc o r e w i t h t h ea p p l i c a t i o no fc o m m o nd cb u sp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y ，t h eo r i g i n a la c d c - a c i n v e r t e rm a i nc i r c u i ti s s e p a r a t e di n t ob o t ha c d ca n dd c - a cp a r t , a n dm a n y t e r m i n a l su s et h es 锄t i eo n ea c d cp a r tt os u p p l yd cp o w e r i nt h i sp a p e r , t h e c o n f i g u r a t i o n so ft h er e c t i f i e ra n df i l t e ra n di n v e r t e rt e r m i n a l sa r er e s e a r c h e da n d a n a l y z e d ，a n db o t l lad cr e l a yc o n t r o lc i r c u i ta n dan e ws e l f - s t a r ts c h e m ef o rt h e s p e c i a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya r ep r o p o s e d a l lo ft h e s es u c ha st h ed s p b a s e d c o n t r o ls y s t e m ，i s o l a t e dd r i v eu n i t , d e t e c t i o na n dp r o t e c t i o nu n i t a r ed e v e l o p e di n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，n l es y s t e ml i n k st h em a n yp u m p i n gu n i t st o g e t h e rt h r o u g ht h ed cb u s ，c a nt a k e g r e a t e ra d v a n t a g eo ft h eg r o u p ，c i r c u l a t ea n ds h a r et h ee n e r g yr e g e n e r a t e d , r e d u c e h a r m o n i cp o l l u t i o na n dt h et r a n s f o r m e rc a p a c i t y ，i m p r o v et h ep o w e rf a c t o r , a n dc a n p r e v e n te l e c t r i c i t yt h e f t r u s u l t sf r o me x p e r i m e n ta n dt h ef i e l dt e s th a ss h o w nt h a tt h e s y s t e mc a ni m p r o v et h ep u m p i n gp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i lt h eo r i g i n a lv a r i a b l e f r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c e ，s a v ee n e r g y ，i n c r e a s et h ep r o d u c t i o no fc r u d eo i l ，a n d p e r f o r ma l lt h ea d v a n t a g e sa b o v e 1 1 l ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e ms c h e m e h a v e b e e nc o m f i e m e d k e y w o r d s ：p u m p i n gu n i t , d cb u s ；d s p , v a r i a b l ef r e q u e n c ya n ds a v i n ge n e r g y , g r o u pc o n t r o l c i 。a s s n o ：t m 9 2 1 5 1 1 2 游梁式抽油机的应用现状1 1 2 交流变频调速技术的发展及应用3 1 2 1 交流变频调速技术的发展3 1 2 2 交流变频调速技术的应用4 l - 3 抽油机节能研究背景及意义5 1 3 1 抽油机节能研究背景5 1 3 2 抽油机节能研究现状及意义6 1 4 课题研究目的和意义一7 1 5 本论文研究的主要内容。9 2抽油机变频群控系统方案设计1 0 2 1 游梁式抽油机的工作原理和控制要求1 0 2 1 1 游梁式抽油机的工作原理。1 0 2 1 2 抽油机的特殊工况及控制要求1 1 2 2 变频群控系统总体方案及优点。1 2 2 2 1 基于直流母线的变频调速技术。1 2 2 2 2 系统的总体方案设计1 3 2 3 变频终端控制系统方案的设计。14 2 3 1s p w m 技术1 4 2 3 2 异步电机压频协调控制时的机械特性1 6 2 3 3 变频终端的系统方案1 7 2 3 4 终端变频控制方法18 2 4 群控系统的谐波和功率因数1 9 2 4 1 谐波和功率因数的关系1 9 2 4 2 整流器的网侧谐波和功率因数。2 0 2 4 3 网侧整流器的仿真研究2 2 3变频群控系统的主电路及开关电源设计2 5 3 2 2 变频终端直流继电接触控制2 6 3 3 变频终端的特种电源设计一2 7 3 3 1 特种开关电源概述2 7 3 - 3 2 特种电源拓扑结构的设计一2 9 3 3 3 三电平b u c k 变换器控制系统的设计3 1 3 4 口m 接口电路的设计3 3 4变频终端d s p 控制及检测保护电路设计3 5 4 1d s p 控制单元_ 3 5 4 1 1d s p 控制单元的功能3 5 4 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 简介3 6 4 1 3 电源转换电路3 6 4 1 4 接口电平转换电路一3 7 4 2 检测与保护电路设计3 8 4 2 1 电压检测与保护电路一3 9 4 2 2 冲程切换检测一4 0 4 3 键盘及显示单元一4 1 5系统控制软件设计及实验结果4 3 5 1 系统控制软件的设计思路一4 3 5 2 系统控制软件流程分析一4 4 5 2 1 主程序控制流程一4 4 5 2 2 中断服务控制流程4 6 5 2 3 故障处理控制流程4 9 5 2 4 键盘处理控制流程一5 0 5 2 5 冲程切换控制流程5 0 5 3 系统实验结果及分析5 2 5 3 1 变频终端的实验波形及分析一5 2 5 3 2 群控系统的实验结果及分析一5 8 6结论6 l 参考文献6 3 作者简历6 6 独创性声明6 7 学位论文数据集6 8 在世界范围内，研究开发与应用抽油机己有1 0 0 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能耗高、系统效率低等缺点。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 1 1 2 1 。 2 0 世纪7 0 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。 2 0 世纪8 0 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。 1 1 2 游梁式抽油机的应用现状 游梁式抽油机俗称“磕头机 ，它由电动机、平衡块、游梁、支架、驴头、连 杆、齿轮、减速箱等部分组成。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是油田的首选采油设备，但是由于常规机本身的 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3 0 左右，年耗电量 占油田总耗电量的2 0 3 0 ，为油田电耗的第二位，仅次于注水。游梁式抽油机 抽油系统的总效率在国内一般地区平均只有1 2 - - 2 3 ，先进地区至今也不到 3 0 ，由此可见降低抽油系统高能耗的迫切与难度。自从1 9 8 5 年第一台异相曲柄 平衡游梁抽油机( 简称异相机) 应用以来，国内各大油田开始重视抽油机的节能工 作。1 9 9 1 年双驴头节能型抽油机的问世，开仓 j - 5 游梁式抽油机( 简称游梁机) 节能应 用研究工作的新局面，随后不断涌现出各种各样的新型节能抽油机。 游梁式抽油机采油是我国陆上采油的最主要方式，抽油机井约占我国油井的 8 0 。游梁式抽油机平衡效果不好，这使得抽油机的能耗加大，致使采油成本提高。 另外还严重影响曲柄连杆机构、减速器及电动机的效率和寿命，同时也降低了抽 油杆的可靠性。游梁式抽油机是惯性矩较大的机械设备，工作时带载启动，为了 满足启动要求，游梁式抽油机一般都配备额定功率较大的电机来拖动。另外，抽 油机的载荷是带有冲击性的交变载荷，为使拖动电机稳定运行并具有一定的过载 能力，需要按照抽油机的最大扭矩来选配电机，然而抽油机所需要的平均功率并 不大，因此，这使“大马拉小车的现象尤为严重。因此，拖动电机长期在低效 率、低功率因数的工况下运行，降低了整个抽油机系统的效率，浪费了大量的电 能，从而增加了油田建设的投资。 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，即使是同一口油井，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。在实际运行中，电机往往处于两种工作状态，即电机除工作在电动状态 之外，在每个冲次期间，电机都会进入再生倒发电反馈制动状态运行一定时间( 电 动状态和倒发电状态) 。而在现场实际运行的游梁式抽油机，几乎全都不同程度地 存在着电机再生倒发电现象，有的时间比较长，有的时间比较短。时间比较长的 几乎占去了整个运行周期的3 0 以上，倒发电能量也非常可观，如果可以将这部 分电能再利用，那将节约不少电能。短暂的发电运行是电动机的不良状态，在转 差率s 的绝对值较小时，效率和功率因数等较低，由于异步电动机的发电运行必 须从电网吸收滞后的无功功率用来励磁，因此，加重了电网的无功功率负担，降 2 低了电网的功率因数，浪费了变压器容量。 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 交流电动机特别是鼠笼异步电动机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且 坚固耐用、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中约 占电气传动总容量的8 0 ，且绝大部分为不调速传动。这里所说的不调速，并不是没 有这样的需要，只是由于调速困难且附加装置昂贵，所以只能退而求其次罢了。例如 风机、水泵等工业机械，按生产和工艺要求，需要调节风量与流量，理论上讲应该通过 调节电动机的转速来实现，但实际使用的却是利用挡板阀门或者放空的办法来调 节。这种方法带来的直接后果是极大地浪费了电力资源。我国风机、水泵的年耗 电量约占全部用电量的1 3 ，占全国工业用电一半左右，而如果能够对这类电动机进 行高效调速，至少可节约2 0 3 0 的电能，其中的经济效益是非常巨大的。 异步电动机早期的调速方法主要是调压调速、电磁转差离合器调速、绕线式 异步电动机转子串电阻调速，这些方法都是在电动机旋转磁场的同步转速恒定的情 况下调节转差率，效率都很低。另一类调速方法是调节电动机旋转磁场的同步速度， 可以通过变极或变频来实现，其中变极调速只能是有级调速，应用场合有限。 交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机，也适用 于同步电动机。采用变频调速不但能实现无级调速，而且根据负载的特性不同，通过 适当调节电压和频率之间的关系，可使电动机始终运行在高效区，并保证良好的动 态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电动机变压调速系统相似，机械特性基 本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电动机采用变频起动更能显著改善 交流电动机的起动性能，大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转矩。 变频调速系统目前广泛应用的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒 v f 控制。这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控 制系统结构简单、成本低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场 合。 转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有 限，要提高静、动态性能，首先要用带转速反馈的闭环控制。对此人们又提出了转速 闭环转差频率控制的变频调速系统。转差频率控制是从异步电动机稳态等效电路 和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。一般说来，它只适用 于转速变化缓慢的场合，而在要求电动机转速作出快速响应的动态过程中，电动机 除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电动机的动态转矩 和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电动机的转 矩，是影响系统动态性能的关键，人们经过深入的研究，提出了对异步电动机更有效 的控制策略。 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，对其最有 效的控制旨推2 0 世纪7 0 年代提出的矢量控制技术。1 9 7 1 年德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出的“感应电动机磁场定向的控制原理”和美国的p c c u s t m a n 和 a a c l a r k 申请的专利“感应电动机定子电压的坐标变换控制”，经过不断的实践和 改进，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。矢量控制技术的提出，使 交流传动系统的动态特性得到了显著的改善。但是经典的矢量控制方法还存在不 少问题，矢量控制要以转子磁链定向，然后才能把定子电流分解为磁化分量和转矩 分量，使两者互相垂直，处于解耦状态，因此要先求得转子磁链的相位，才能进行坐标 变换。但是异步电动机，特别是鼠笼式异步电动机的转子磁链是无法直接测量的，只 有实测电动机气隙磁链后再经过计算才能求得，而且气隙磁场本身也常由于齿谐波 磁场的影响而难以准确测量，这就影响了以转子磁链定向的矢量控制技术的可靠 性。 德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授1 9 8 5 年首先提出异步电动机直接转矩控制方 、 法( d t c ) 。直接转矩控制是一种更先进的控制技术，它不需要解耦电动机模型，强 调对电动机的转矩进行直接控制。在很大程度上克服了矢量控制的缺点，成为交流 电动机调速控制理论第二次质的飞跃。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交 流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不象矢量控制那样将交流电动 机与直流电动机作比较、等效和转化，避免了矢量控制中复杂的坐标变换和参数运 算，使系统结构变得十分简单，更容易实现。目前直接转矩控制理论已成为电力电子 与电力传动领域研究的热点。 1 2 2 交流变频调速技术的应用 2 0 世纪8 0 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。 4 ( 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。 ( 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g ( 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，6 0 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4 2 0 0 万台，装机容量约1 1 亿万千瓦， 然而实际工作效率只有4 0 - - 6 0 ，损耗电能占总发电量的4 0 。已有经验表明， 应用变频调速技术，节电率一般可达1 0 - 3 0 ，有的甚至高达4 0 ，节能潜力 巨大。 1 3 抽油机节能研究背景及意义 1 3 1 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 5 马拉小车”现象更加突出，造成设备的严重浪劐5 。 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，即使是同一口油井，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5 0 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 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 6 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、降压节能和州接法控 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 课题研究目的和意义 目前，游梁式抽油机不仅在国内各油田而且在世界各国的石油开采当中都得 到了十分广泛的应用。为了提高抽油机的工作效率和油井采收率，节能降耗，近 年来，人们已经研究采取了很多种措施，已开发的各种节能电机和控制装置多达 数十种，比如双功率电机、高转差电机、永磁同步电机、开关磁阻电机、直线电 机、可控硅调压控制、a y 接切换控制节能等等。从目前国内各油田及国外应用的 情况来看，围绕抽油机的节能增效，不外乎有两方面的措施：一是研发适合于抽 油机特点的高效节能电机；二是研发性能价格比高的抽油机电机控制装置。 针对抽油机大都工作于“大马拉小车 状态，电机的功率因数和效率很低的 问题，在多种多样的电机节能控制装置当中，综合比较而言，以抽油机专用变频 控制应用效果最好，这主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 通常低产油井供液不足、稠油井冲次极低等工况，使抽油机稳态负荷轻 而起动负荷重，加之井下供液量不稳，故选配电机容量较大，但大都运行于“大 马拉小车”状态。通过宽范围平滑变频降低冲次，使抽油泵的液充满度及电机负 载率增大，功效和功率因数大为提高，加之耗能频度减小，这对降低抽油机的吨 液生产耗电量十分有利。 ( 2 ) 通过检测抽油机的负载状况和上、下冲程位置，来调节电机运行频率或 7 者分别调节上、下冲程频率，可以改善抽油机的生产工艺和系统效率，提高油井 产液量，达到增产和节能的双重并举。 ( 3 ) 针对抽油机的“大马拉小车 状态，通过实时检测电机的负载轻重及负 载率高低，运用特定的p w m 动态调压优化控制算法，随着抽油机负载的周期性且 急剧的变化，实时对电机的工作电压进行动态跟踪调节，改善电机的工作状态， 提高电机的工作效率和功率因数，更进一步节能增效。 ( 4 ) 通常电机工频直接起动电流很大而转矩较小，故选配容量较大，起动过 程中对电网有很大冲击，电网电压会大幅度下跌。电机变频起动性能比其他各种 起动方式都要优越，起动转矩增大，而起动电流减小，可以实现抽油机的柔性软 起动，因而也可使所配电机的容量降低。 尽管抽油机变频控制具有诸多优点，但是目前仍普遍存在四个问题制约其上 述优点的充分发挥：一是网侧电流谐波和功率因数问题；二是对抽油机倒发电馈 能采用耗能电阻或倒灌冲击电网都不合理；三是缺乏针对抽油机负载特点的专用 节能控制算法；四是控制柜价格较高，已成为影响其大面积推广应用的主要制约 因素之一。其中前三方面直接决定着节能效益的高低。其网侧整流器若采用不可 控整流，则网侧电流波形畸变，导致功率因数不高且对电网有谐波污染，抽油机 的倒发电馈能只能通过直流侧耗能电阻得以释放，增加了无谓损耗；若采用p w m 可逆整流器，网侧电流波形较好，功率因数也较高，且倒发电能量可馈入电网， 但对电网有倒灌冲击，并且造价也高得多，对目前国情下的大面积推广不利。因 此，目前抽油机变频控制柜的配置组态和工作机理决定了上述四个方面的问题难 以得到根本解决。 本文的所提出的研究课题，在前人有关抽油机单井变频节能控制技术的基础 上，根据各油田采油区块多台抽油机集中分布的特点，研发一种基于直流母线供 电配置的抽油机变频群控系统装置，可以使上述问题从配置机理上得到根本解决， 利用采油区块多抽油机的群体优势，不仅可以大幅度增产和节能降耗，而且使造 价明显降低，进一步提高系统的性能价格比。 8 用1 6 位d s p ( t it m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 作为变频终端的系统控制核心，通过各变频 终端及抽油机的群控协调控制，使各抽油机始终运行于功率因数和效率最佳的工 作状态。 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 深入研究游梁式抽油机的工作机理和控制要求。 ( 2 ) 对变频群控系统方案进行理论分析和总体方案设计。 ( 3 ) 对群控整流电路进行了原理分析及仿真研究，为实际电路的参数选择奠 定了理论基础。 ( 4 ) 研究群控系统的谐波和功率因数问题，为实验数据的分析提供了理论依 据。 ( 5 ) 研究变频终端控制系统方案及变频控制方法，为终端控制系统设计奠定 基础。 ( 6 ) 研发并完成变频终端的d s p 控制、显示、键盘、检测与保护等硬件电路 设计与调试实验。 ( 7 ) 设计变频终端主电路及直流继电接触控制线路 ( 8 ) 研究并开发适用于变频终端的特种开关电源，给出设计方法和进行实验 研究。 ( 9 ) 结合抽油机的控制要求，设计变频终端系统的组合控制软件，搭建系统 样机，完成系统调试实验，对实验波形和现场试验数据进行综合分析。 9 游梁式抽油机采油系统主要由三部分组成：一是地面部分一游梁式抽油机， 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【l 】如图2 1 所示。 采油工作原理【2 】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 1 1 一底座；2 一支架；3 一悬绳器；4 一驴头；5 一游梁；6 一横梁轴承座； 7 一横梁；8 一连杆；卜曲柄销装置；l o 一曲柄装置；1 1 一减速器； 1 2 一刹车保险装置；1 3 一刹车装置；1 4 电动机；l 卜配电箱 图2 1 游梁式抽油机结构 f i 9 2 1t h es t r u c t u r eo f t h eb e a mp u m p i n gu n i t 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 1 0 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。目前，游梁式抽油机为了实现抽油机的平衡，广泛采用了曲柄平衡方式。 在普遍应用的游梁式抽油机当中，曲柄平衡扭矩不能与抽油机的载荷扭矩很好地 平衡，使得抽油机在一个工作循环内的曲柄轴净扭矩仍有较大的波动。扭矩的大 幅度波动，抽油机平衡效果不佳，这都造成抽油机对驱动电机有着不寻常的要求。 2 1 2 抽油机的特殊工况及控制要求 目前，驱动抽油机运行的动力机构通常都 是电动机，比如三相异步电动机、永磁同步电 动机或者开关磁阻电动机等。无论采用何种电 机驱动，抽油机及其驱动电机的工况和控制要 求都存在着一些特殊性： ( 1 ) 抽油机的井下供液和柱塞泵工作机理 决定了其驱动电机的起动转矩很大，而对于目 前各油田占大多数的非高产井而言，起动后的 运行转矩较小。因而需要配备较大功率的驱动 电机，并且电机稳定运行往往处于“大马拉小 车 工作状态，致使电机的功效和功率因数很 低。 ( a ) 上冲程( b ) 下冲程 l 爿 出阀2 柱塞3 衬套4 吸入阀 图2 2 柱塞泵的工作原理 f i 9 2 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f p l u n g e rp u m p ( 2 ) 在每个运行周期的下冲程阶段，由于抽油杆的重力作用和抽油机配重块 的调平衡困难，往往导致抽油机电机会有一定时间运行在倒发电反馈制动状态， 其不平衡馈能需要进行合理地处理。 ( 3 ) 抽油机的负载始终处于不断的动态变化之中，甚至正负交替，剧烈波动； ( 4 ) 抽油机往往根据采油工艺要求电机在上冲程和下冲程阶段速度不同，比 如控制抽油杆“快提慢放 ，以提高泵的充满度和油井采收率。 ( 5 ) 通常抽油机及其控制装置在油田野外露天基本无人值守的条件下，春夏 秋冬连续运行，高温高寒环境恶劣，要求可靠性要高，并且最好能够进行远程监 控管理。 根据要求l 我们可以选用功率较大的电机，但是运行效率会很低。要求2 和 要求3 更是电机自身无法满足，只有给电机加以控制。变频调速控制就能够满足 其各种要求，而且可以使得电机启动时的转矩较大，因此不用大马拉小车就能解 决电机的启动问题。况且变频调速控制能够非常平滑的调节抽油机的冲次以及上、 下冲程的速度，能够提高泵的充满度，进而提高产量。采用公共直流母线技术实 现了电机倒发电能量的处理，以及对多台抽油机的集中统一群控，使得多台抽油 机驱动电机的倒发电能量互馈共享，抽油机倒发电馈能得以合理利用，同时提高 了系统可靠性且降低了系统成本。想要满足要求4 ，可通过变频终端控制完成，还 可以利用网络化的无线通讯管理方式，通过监控中心的上位机监控系统来完成对 多台抽油机的群控协调和远程监测管理。综合以上几种技术，便可构成抽油机变 频群控系统的方案，有关其方案设计将在第二节中进行介绍。 2 2 变频群控系统总体方案及优点 2 2 1 基于直流母线的变频调速技术 公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流滤波装置为 各电机调速装置提供具有一定电压和功率的公用直流电源母线。 电机调速用逆变器直接挂接于直流母线上。当电机工作在电动状态时，逆变 器从母线上汲取电能；当电机工作在倒发电状态时，能量即时馈入母线为其他逆 变器及电机所共享，以达到节省电能、提高设备运行可靠性等目的。 完整的公共直流母线供电系统包括：电力变压器、进线开关、进线快熔、网 侧整流滤波器等。基于公共直流母线构成的变频调速系统通常由整流滤波单元、 公共直流母线、变频终端单元等组成。 整流滤波单元把电网交流电压转换为比较稳定的直流电压，即便在逆变器能 量回馈到直流母线时，该电压应保持在规定的范围内。网侧整流器可分为二极管 不可控整流、晶