游梁式抽油机变频控制研究与仿真.pdf

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1、第lO期丁洪霞等．游梁式抽油机变频控制研究与仿真游梁式抽油机变频控制研究与仿真丁洪霞宋艳荣缴立立(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)摘要对游梁式抽油机的工作原理和系统设计进行了研究。根据异步电机的负载变化，改变抽油机的冲程次数，从而达到智能控制的目的。主要运用集成屯路HEF4752作为主控制芯片，它产生的三相SPWM信号经隔离放大后驱动三相逆变器，使之输出正弦电压波形，实现抽油机的电动机变频调速。并通过MATLAB／sIMuLINK进行仿真，取得了满意的效果。关键词游梁式抽油机变频技术SPWM仿真中图分类号TH89文献标识码A文章编号1000．3932(2012)10．1331-

2、04游梁式抽油机因其结构简单、工作平稳及性能可靠等优势在各油田广泛应用。但由于采油过程中，油井生产是通过电动机举升的方式将油提升至地面的，因此多采用活塞式抽油工艺，其电机为24h不问断运行设备，无功运行时间的增加，造成电能消耗多、维护费用高，由于抽油机过度不间断运行造成的机械设备损耗相应上升，用于维护抽油系统的费用也不断增加。笔者应用变频技术、单片机技术及电力电子等高新技术，通过负载变化来控制电机，达到节能的目的。1工作原理和系统设计1．1工作原理游梁式抽油机的智能控制系统由转差频率给定和充满度反馈环两部分组成。充满度的选择可以根据具体的油井选定(一般是在75％一85％)，给定的转速信号与

3、反馈的速度之差得到转差率信号∞。，定子输入频率信号Z随着反馈速度信号的变化而变化。给定的恒充满度信号与反馈的充满度信号作比较，根据比较结果来调节电压。反馈的充满度信号=反馈的有功功率／该冲程下的满负荷功率，该冲程下的满负荷功率存储在内存单元中，与冲程次数一一对应，而冲程次数是通过平均速度得到的。若反锁的充满度信号大于给定的恒充满度信号，则提高电压，即提高电机的输出功率，也就是提高抽油机的冲程次数；若反馈的充满度信号等于给定的恒充满度信号，则保持电压不变，即保持电动机的输出功率不变，也就是保持抽油机的冲程次数不变；若反馈的充满度信号小于给定的恒充满度信号，则降低电压，即降低电动机的输出功率，

4、也就是减少抽油机的冲程次数；当电机的有功功率低于空载的阀值功率值时，可判断油已抽空，电动机停止运行。如此循环，实现游梁式抽油机的智能控制⋯。1．2系统设计随着电力、电子技术和大规模集成电路的发展，基于集成SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著以及性价比高等优点得到广泛应用。本系统主要以大规模集成电路HEF4752产生SPWM，A／D采集电流、电压信号，单片机计算出冲程的平均功率，再与给定的冲程阀值功率进行比较，决定给集成电路HEl74752提供时钟信号口’，时钟信号FCT决定电机输出频率，VCT决定电机输出的电压，OCT决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间，

5、RCT决定逆变器的最大时钟，通常把OCT和RCT连在一起。根据负载的变化，就可以输出变化的SPWN波形，该波形经过光电隔离放大，去驱动三相逆变器，使之输出正弦波形，从而实现异步电动、机变频调速，其结构框图如图1所示。当出现过流、欠压、短路或过热等故障时，故障信号变为低电平，封锁HEF4752所有的脉宽调制驱动输出，起到保护变频器的作用。在无故障的情况下，L为高电平，解除封锁。收稿日期：2012-03-261332化工自动化及仪表第39卷电图1变频控制结构框图80C51系列单片机的时钟最大能取24MHz，单指令为0．5¨s，计数频率为2MHz。当输出为2999、3000Hz时，若采用80C5

6、1CPU内部计数器来计数，根本无法区别。而在本设计中，由于8254-2最高计数频率可达为10MHz，能满足以上设计的要求，因此采用外部定时器／计数器8254—2。2抽油机的仿真根据上面介绍的理论，笔者用MATLAB的SIMULINK软件对游梁式抽油机电机调速系统进专艘浆锚妪珀6050i。40：30姻20僻100—10行仿真。这里以Y255M-6电机为例，其额定功率为20kW、相数m=3、U=380V。抽油机负载的情况复杂，考虑到曲柄所能承受的旋转转矩，悬点负荷及其波动和平衡转矩等影响，取电动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，用两组周期性负载来模拟电机负载(图2)，其周期为

7、5s，即lmin内冲程数为12。图3、4分别为抽油机的转速波形和抽油机输出的转矩波形。Z捌蜱销g硇图2抽油机负载波形605040302010O—lO图3抽油机转速波形第10期丁洪霞等．游梁式抽油机变频控制研究与仿真1333图4抽油机输出的转矩波形从图形中可以看出：异步电机启动时，从零速到微速的过程中，转矩的幅值较大；在加速过程中，转矩脉动幅值减小，转矩迅速增加，但其幅值高于负载转矩；转速缓慢增加可抑制电机的启动电流，实现