摘要：本文從節能和提高能源利用率出發，分析了現行抽油機電機運行效率低問題的具體環節，經過分析抽油機運行過程的狀態結合開關磁阻電機的特性，以ARMS3C2410為核心控制部件，設計出了基于開關磁阻電機的抽油機的節能控制系統。解決了抽油機的轉矩檢測跟隨控制和沖次調節問題，設計出了高效率、穩定的開關磁阻電機控制系統，整個系統有效的提高了抽油機系統電能綜合利用率，具有良好的推廣應用價值。 關鍵字： 節能、開關磁阻電機、抽油機、ARMS3C2410 [align=center]Energy-saving Control System of Oil-pumping Unit Based on Switched Reluctance Motor 田景文1,2，吳浩1，高美娟2 1北京化工大學信息科學技術學院 北京 100029 ttjjww999@163.com 2北京聯合大學 北京市朝陽區北四環東路97號 北京 100101 ttgg500@163.com [/align] Abstract: The low efficiency of the motor of the current oil-pumping unit is analyzed from the point of energy-saving and increasing utilizes efficiency of energy source. An energy-saving control system for oil-pumping unit is designed which use switched reluctance motor based on ARMS3C2410 central processor via the characteristic of switched reluctance motor and oil-pumping unit. It solves the following problem: monitor the torque of oil-pumping unit and control the motor and adjust the stroke of oil-pumping unit. It is a stable control system for switched reluctance motor and has a high efficiency. The system can enhance the utilize efficiency of power in effect and have a good future for popularization. KeyWord: Energy-saving, Switched reluctance motor, Oil-pumping unit, ARMS3C2410 1 引言 目前國內廣泛使用的抽油機有游梁式和無游梁式兩類，以游梁式抽油機為主，其所配電動機大多數為Y系列電動機。游梁式抽油機采用帶載直接起動式，所需起動轉矩較大，電機起動電流為6-8倍額定電流。為滿足起動要求所配電機的功率較大，而該機在運行時所需轉矩較小，90%以上的電機負載率在50%以下。長期以來抽油機所配電機大都處于輕載運行狀態，負載率極低，功率損耗大，能源浪費嚴重。抽油機電耗在油田生產用電中占有很大比例，電費支出約占油田開發總成本的三分之一。 2 抽油機節能系統 目前各大油田為降低生產成本，都將節能增效作為首要目標，對抽油機要盡量降低電機的耗電量。根據抽油機的運行特點，為了實現這個目的，電機應具有以下特點：電機損耗小，在較寬的負載變化范圍內能夠保持較高的功率因數和效率；速度能夠平滑無級調節且調速范圍較寬，以適應不同井況的要求及其供排關系；能夠實現軟啟動，減少啟動時對抽油機的沖擊，降低選用電機及變壓器的容量。滿足上述要求的電機，一方面自身的功率因數和效率要較高，另一方面可以使抽油機的機、桿、泵整個系統達到較好配合，提高系統效率。因此研制具有上述特點的電機已成為必然趨勢，開關磁阻調速電機就是具有這些特點的一種新型電機。它結構簡單可靠、系統效率高、啟動轉矩大、可控參數多、控制方式簡單，綜合性能十分突出，是當前抽油機最為理想的動力系統，它的研制和生產對油田的節能生產具有里程碑的意義。 解決抽油機系統的節能問題，除了需要電機的功率因素和效率高，速度平滑大范圍調節，軟啟動以及系統保護功能外，還需要考慮抽油機電機功率尋優，解決“大馬拉小車”問題，提高整個系統的效率。進入中后期開采的油井，往往存在抽油泵充滿系數低，抽油機沖次很難確定也是一個比較難解決的問題[1]。 開關磁阻調速電機是一種新型調速電機系統。它是繼交流變頻調速電機之后，國際上又一種逐漸成熟的無極調速系統。它的出現，大大的提升了抽油機的效率。本文在基于ARMS3C2410嵌入式系統的基礎上設計出基于開關磁阻電機的抽油機節能控制系統。主要從電機和抽油機兩者出發解決節能問題[2]。 3 系統設計 本文基于ARMS3C2410嵌入式系統設計出整個節能控制系統，原理框圖如圖1所示： [align=center] 圖1 系統原理圖[/align] 3.1 抽油機轉矩測量 抽油機（如圖2所示）靠驢頭的上下運動帶動抽油桿，將原油吸到地面的管網中。抽油機的上沖程提起油柱時需要的功率大，而下沖程時無需動力就可自由下落。為了使負荷均勻，通常配有某種平衡機構，如平衡塊，電機軸上形成的總負載轉矩為油井負荷扭矩與平衡扭矩之和，圖3為一般的抽油機的負荷曲線。 由圖3可以看出抽油機的負荷是呈周期性波動的，要使抽油機電機在負荷曲線的每一點都工作最優，同時使抽油機的功率輸出在每個周期里跟隨負荷的變化，可以將抽油機的轉矩曲線存入系統。控制系統就可以通過曲柄轉角的檢測計算出相應轉矩，從而改變對電機控制，調節轉速，使輸出轉矩與實際相符，避免“大馬拉小車”問題的問題，大大的節省電能。同時抽油機運行平穩，可大大降低機械磨損，降低故障率，提高產量。理論上證明此種電機控制方式，較普通電機，能耗可降到60%，節能明顯。 3.2 沖次的無級可調 沖次是指抽油機驢頭每分鐘上下往復運行的次數，它表明抽油機的運行狀態。實際檢測時抽油機桿上下運動個一個沖程為一個沖次，用每分鐘完成上下沖程（沖程是指抽油機驢頭上死點與下死點之間的垂直距離）的次數來表示沖次。沖次的變化影響著抽油機懸點載荷變化的幅度和頻率，抽油機懸點載荷變化的幅度和頻率決定著抽油機桿柱、電動機、抽油機、抽油泵等設備的使用壽命和單井能耗、機采系統效率，從而決定了單井檢泵、大修周期及噸油生產成本。并且多次的試驗證明，調節沖次對高產井的產液量影響較大，對供液不足的井產量影響不大。 從上面的分析可以知道，研究抽油機沖次的變化規律，對降低能耗、特別是降低生產成本具有重要的意義。進入中后期開采的油井，往往就存在這樣的問題，抽油泵充滿系數低，抽油機沖次很難確定，且隨著動液面的不斷變化充滿度也在不斷變化，把抽油泵的充滿系數與沖次緊密結合起來形成閉環控制，一直是個難題。本文設計的智能控制系統可以跟蹤油井出液量的變化，判斷出充滿系數的大小，給出增加沖次或減少沖次的信號，調整抽油機的沖次，可以大大的節省電能。該開關磁阻電機控制系統可以保證沖次在0.8-8沖/min 之間無級可調，保證合理的抽油泵充滿度，減少抽油泵干磨。與此同時，設置相應的安全監控，當有井卡、桿斷或其它的故障，系統停抽報警。系統的設計使抽油機工作在最佳的工作狀態，延長了檢泵周期，降低了抽油機的能耗[3][4][5]。 3.3 電機控制策略 開關磁阻電機是20世紀70年代開始迅猛發展的一種較為新型的電機。與傳統的交流電動機（異步電動機和同步電動機）不同，開關磁阻電機（SR電機）采用定、轉子雙凸極鐵心結構，并且只在定子上安裝各相勵磁繞組.其工作原理就是使轉子位置趨于磁阻最小位置，而使電機進行旋轉。 根據抽油機的運行特點和開關磁阻電機的運行特性，針對電機的調速控制及電機的嚴重的非線性特性，本文設計出模糊控制策略。針對具體的調速方法，由于電機自身的特性，本文設計出低速定角度電流斬波控制——-高速變角度電壓斬波控制。當電機處于低速運行時，由于旋轉電動勢較小，電流峰值較大，采用定角度電流占波控制可有效保護功率開關器件，降低轉矩脈動。當電機處于高速運行時，因旋轉電動勢較大，電流較小，通過PWM波電壓調節，改變相相電壓平均值，有效的調整電流的波形和峰值，可使電動機出力最大，運行穩定，噪聲較小。由于SR電動機的特點，工作時希望盡量將繞組電流波形置于電感的上升段。由于電流的建立過程和續流消失過程是需要一定時間的，當轉速升高時通電區對應的時間越短，電流波形滯后的就越多，可以通過調節開關導通角的方法加以糾正。在這種工作方式下轉速和轉矩的調節范圍大，高速和低速均有較好的電動機性能。幾種控制方式各有優缺點，配合應用有利于揚長避短，充分發揮各自的優勢，在較寬調速范圍內使電機具有良好的性能指標[6][7]。 4 電機控制系統 4.1 功率變換器 功率變換器是SRD系統能量傳輸的關鍵部分，起到控制繞組開通和關斷的作用，也是影響系統性能價格比的主要因素。理想的SRD功率變換器應滿足如下設計要求：采用盡可能少的主開關元件，以降低系統的成本，且能將能量回饋給電源，避免系統損耗。系統可通過主開關器件進行調制，有效地控制相繞組電流的大小。功率電路要具備迅速增加相繞組電流的能力，延遲盡可能小。系統盡可能的減少損耗，使電源電壓盡可能的提供給電動機相繞組。 拓撲結構設計是SR電動機功率變換器設計的關鍵之一。圍繞處理放電繞組磁能量問題，現已經出現多種不同的主電路結構形式。本文在不對稱橋式電路的基礎上，研究開發了一種新型小功率開關器件的功率變換電路。功率變換器原理圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 功率變換電路[/align] 該功率變換器保留了橋式電路的全部優點，滿足上述理想功率變換器應具備的條件。采用雙相運行時，在控制方式上Ａ相和Ｃ相繞組不會同時導通，Ｂ相和Ｄ相繞組也不會同時導通，故他們的電流不會重疊，所以可保證任一時刻流過個主開關器件的電流僅是一相繞組電流。因此，在傳統不對稱半橋結構中，Ａ相和Ｃ相、Ｂ相和Ｄ相分別可共用一只主開關，從而使整個電路減少了２個開關器件，大大節約了成本，同時控制策略明顯降低。總的說來，這種簡化的電路方案既保留了不對稱半橋型的優點，又使開關器件降到最少，提高了行價比。 4.2 D/A轉換及低速斬波電路 當開關磁阻電機（SRM）低速運行時，電動機角速度ω值很小，繞組電流增長率很大。為了保護功率開關元件和電機，且同時具有效率高、出力大、轉矩脈動小等優良運行性能，低速運行時需以調幅方式進行斬波。 斬波限流值由ARM發出。由于ARM控制器自身沒有D/A單元，需用占空比可調的PWM信號經過外部轉換電路來轉換成相應的模擬電壓信號。本系統采用ARM的通用定時器1產生占空比可調的PWM信號，經過緩沖、濾波、放大等環節后得到平穩的0～5 V模擬電壓信號。D/A轉換電路如圖5所示。得到的電壓轉換成電流。斬波限流輸入到斬波電路的一端，另一端輸入實測的繞組電流，如圖6所示。 [align=center] 圖6 斬波電路[/align] 4.3 PWM電壓控制 在θ[sub]on[/sub]-θ[sub]off[/sub]導通區間內，使功率開關按PWM方式工作，其脈沖周期T固定，占空比T[sub]1[/sub]/T可調。在T[sub]1[/sub]內，繞組加正電壓，T[sub]2[/sub]內加零電壓，改變占空比，則繞組電壓平均值U將會變化，進而間接改變相繞組電流的大小，從而實現轉速和轉矩的調節。本文通過定時器輸出相應要求的PWM脈寬調制波。 4.4 位置檢測及角度控制 位置傳感器相關電路有兩部分，分別為位置傳感器輸入電路、位置信號處理及角度細分電路。主要完成位置信號處理，定轉子相對位置角度細分的功能。本文采用光電式，研究對象為 極SRM。 [align=center] 圖7 光電傳感器相對位置 圖8 傳感器的測量信號[/align] 4.4 模糊控制策略 由于開關磁阻調速電動機系統的顯著非線性，簡單的PID控制算法在調節范圍很寬時，不能在大范圍內完全適應，致使系統得不到良好的動態特性。為此在開關磁阻電動機調速系統中引入模糊控制。模糊控制的強魯棒性可以有效地解決開關磁阻電機的非線性。根據模糊控制基本理論，開關磁阻電動機模糊控制的分析如下： 5 結論 作為一種具有廣泛市場潛力的新型電機，開關磁阻調速電機成功地應用在抽油機上，可以作為油田抽油機節能的一種選擇，為油田節約成本、增加產量提供了堅實的基礎。經過多次結合現場工況的改進，可以適應油田工況的實際要求，其優良的綜合性能日益受到廣泛關注。 本文在基于ARMS3C2410的基礎上，從節能角度出發，設計出基于開關磁阻電機的抽油機節能控制系統，著重解決抽油機的扭矩檢測跟隨和沖次調節等問題。針對電機的運行特性，提出模糊控制策略和低速定角度電流斬波控制——-高速變角度電壓斬波控制方法。同時系統運行過程中若發生缺相、過流、欠壓等故障，系統會自動保護。整個系統方案切實可行，能有效的提高抽油機的效率，提高安全系數，節能明顯，有著非常長遠的經濟效益和現實意義。充分利用和挖掘其潛在特性，進一步完善系統，將能為油田節能增效做出更大的貢獻。 參考文獻 [1] 戴玉東. SRD在抽油機井中的應用[J].遼寧化工. 2004, 33（2） [2] 吳建華. 開關磁阻電機設計與應用[M]. 北京:中國標準出版社, 2000 [3] 魯曉軍, 王學峰. 開關磁阻調速電機在抽油機上的應用[J]. 石油礦場機械. 2006, 35（4） [4] 劉迪吉. 開關磁阻調速電動機[M]. 機械工業出版社. 1994 [5] 汪小軍. 開關磁阻電機調速系統研究[MA]. 西北工業大學. 2006, 3 [6] 孫長春. 開關磁阻電機控制系統新型設計[J]. 科技情報開發與經濟. 2005, 15 [7] 王宏華. 開關型磁阻電動機調速控制技術[M]. 機械工業出版社, 1995年 [8] 崔建鋒. 開關磁阻電機調速系統設計與研究[MA]. 西北工業大學. 2005, 3 [9] 陳昊. 開關磁阻調速電機系統研究[J]. 儀器儀表學報. 2001, 22（3） [10] 宋文超, 林永. 開關磁阻電機調速系統[J]. 煤炭科學技術. 2001, 29（9） [11] 陳新, 鄭洪濤, 蔣靜坪. 基于角度控制的開關磁阻電動機模糊控制系統[J]. 電力電子技術. 2004.4 [12] 王向. 基于模糊控制規則的開關磁阻電機控制系統特性研究[J]. 中國科技信息. 2006, 16