摘要：本文從節(jié)能和提高能源利用率出發(fā)，分析了現(xiàn)行抽油機電機運行效率低問題的具體環(huán)節(jié)，經(jīng)過分析抽油機運行過程的狀態(tài)結(jié)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(jié)能控制系統(tǒng)。解決了抽油機的轉(zhuǎn)矩檢測跟隨控制和沖次調(diào)節(jié)問題，設計出了高效率、穩(wěn)定的開關磁阻電機控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)有效的提高了抽油機系統(tǒng)電能綜合利用率，具有良好的推廣應用價值。 關鍵字： 節(jié)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(lián)合大學 北京市朝陽區(qū)北四環(huán)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(nèi)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)，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(chǎn)用電中占有很大比例，電費支出約占油田開發(fā)總成本的三分之一。 2 抽油機節(jié)能系統(tǒng) 目前各大油田為降低生產(chǎn)成本，都將節(jié)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(jù)抽油機的運行特點，為了實現(xiàn)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(nèi)能夠保持較高的功率因數(shù)和效率；速度能夠平滑無級調(diào)節(jié)且調(diào)速范圍較寬，以適應不同井況的要求及其供排關系；能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)和效率要較高，另一方面可以使抽油機的機、桿、泵整個系統(tǒng)達到較好配合，提高系統(tǒng)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(diào)速電機就是具有這些特點的一種新型電機。它結(jié)構簡單可靠、系統(tǒng)效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大、可控參數(shù)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(tǒng)，它的研制和生產(chǎn)對油田的節(jié)能生產(chǎn)具有里程碑的意義。 解決抽油機系統(tǒng)的節(jié)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(diào)節(jié)，軟啟動以及系統(tǒng)保護功能外，還需要考慮抽油機電機功率尋優(yōu)，解決“大馬拉小車”問題，提高整個系統(tǒng)的效率。進入中后期開采的油井，往往存在抽油泵充滿系數(shù)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(diào)速電機是一種新型調(diào)速電機系統(tǒng)。它是繼交流變頻調(diào)速電機之后，國際上又一種逐漸成熟的無極調(diào)速系統(tǒng)。它的出現(xiàn)，大大的提升了抽油機的效率。本文在基于ARMS3C2410嵌入式系統(tǒng)的基礎上設計出基于開關磁阻電機的抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)。主要從電機和抽油機兩者出發(fā)解決節(jié)能問題[2]。 3 系統(tǒng)設計 本文基于ARMS3C2410嵌入式系統(tǒng)設計出整個節(jié)能控制系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示： [align=center] 圖1 系統(tǒng)原理圖[/align] 3.1 抽油機轉(zhuǎn)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(wǎng)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(zhuǎn)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(yōu)，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(zhuǎn)矩曲線存入系統(tǒng)。控制系統(tǒng)就可以通過曲柄轉(zhuǎn)角的檢測計算出相應轉(zhuǎn)矩，從而改變對電機控制，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使輸出轉(zhuǎn)矩與實際相符，避免“大馬拉小車”問題的問題，大大的節(jié)省電能。同時抽油機運行平穩(wěn)，可大大降低機械磨損，降低故障率，提高產(chǎn)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(jié)能明顯。 3.2 沖次的無級可調(diào) 沖次是指抽油機驢頭每分鐘上下往復運行的次數(shù)，它表明抽油機的運行狀態(tài)。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(shù)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(tǒng)效率，從而決定了單井檢泵、大修周期及噸油生產(chǎn)成本。并且多次的試驗證明，調(diào)節(jié)沖次對高產(chǎn)井的產(chǎn)液量影響較大，對供液不足的井產(chǎn)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(guī)律，對降低能耗、特別是降低生產(chǎn)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(shù)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(shù)與沖次緊密結(jié)合起來形成閉環(huán)控制，一直是個難題。本文設計的智能控制系統(tǒng)可以跟蹤油井出液量的變化，判斷出充滿系數(shù)的大小，給出增加沖次或減少沖次的信號，調(diào)整抽油機的沖次，可以大大的節(jié)省電能。該開關磁阻電機控制系統(tǒng)可以保證沖次在0.8-8沖/min 之間無級可調(diào)，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(jiān)控，當有井卡、桿斷或其它的故障，系統(tǒng)停抽報警。系統(tǒng)的設計使抽油機工作在最佳的工作狀態(tài)，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(fā)展的一種較為新型的電機。與傳統(tǒng)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(zhuǎn)子雙凸極鐵心結(jié)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(zhuǎn)子位置趨于磁阻最小位置，而使電機進行旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動。當電機處于高速運行時，因旋轉(zhuǎn)電動勢較大，電流較小，通過PWM波電壓調(diào)節(jié)，改變相相電壓平均值，有效的調(diào)整電流的波形和峰值，可使電動機出力最大，運行穩(wěn)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(xù)流消失過程是需要一定時間的，當轉(zhuǎn)速升高時通電區(qū)對應的時間越短，電流波形滯后的就越多，可以通過調(diào)節(jié)開關導通角的方法加以糾正。在這種工作方式下轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)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(yōu)缺點，配合應用有利于揚長避短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在較寬調(diào)速范圍內(nèi)使電機具有良好的性能指標[6][7]。 4 電機控制系統(tǒng) 4.1 功率變換器 功率變換器是SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P鍵部分，起到控制繞組開通和關斷的作用，也是影響系統(tǒng)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(tǒng)的成本，且能將能量回饋給電源，避免系統(tǒng)損耗。系統(tǒng)可通過主開關器件進行調(diào)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(tǒng)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(jié)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(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)多種不同的主電路結(jié)構形式。本文在不對稱橋式電路的基礎上，研究開發(fā)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(yōu)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(tǒng)不對稱半橋結(jié)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(jié)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(yōu)點，又使開關器件降到最少，提高了行價比。 4.2 D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)良運行性能，低速運行時需以調(diào)幅方式進行斬波。 斬波限流值由ARM發(fā)出。由于ARM控制器自身沒有D/A單元，需用占空比可調(diào)的PWM信號經(jīng)過外部轉(zhuǎn)換電路來轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓信號。本系統(tǒng)采用ARM的通用定時器1產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號，經(jīng)過緩沖、濾波、放大等環(huán)節(jié)后得到平穩(wěn)的0～5 V模擬電壓信號。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。得到的電壓轉(zhuǎn)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(qū)間內(nèi)，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(diào)。在T[sub]1[/sub]內(nèi)，繞組加正電壓，T[sub]2[/sub]內(nèi)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(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。本文通過定時器輸出相應要求的PWM脈寬調(diào)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(zhuǎn)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(diào)速電動機系統(tǒng)的顯著非線性，簡單的PID控制算法在調(diào)節(jié)范圍很寬時，不能在大范圍內(nèi)完全適應，致使系統(tǒng)得不到良好的動態(tài)特性。為此在開關磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)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(jù)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(jié)論 作為一種具有廣泛市場潛力的新型電機，開關磁阻調(diào)速電機成功地應用在抽油機上，可以作為油田抽油機節(jié)能的一種選擇，為油田節(jié)約成本、增加產(chǎn)量提供了堅實的基礎。經(jīng)過多次結(jié)合現(xiàn)場工況的改進，可以適應油田工況的實際要求，其優(yōu)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(jié)能角度出發(fā)，設計出基于開關磁阻電機的抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)，著重解決抽油機的扭矩檢測跟隨和沖次調(diào)節(jié)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(tǒng)運行過程中若發(fā)生缺相、過流、欠壓等故障，系統(tǒng)會自動保護。整個系統(tǒng)方案切實可行，能有效的提高抽油機的效率，提高安全系數(shù)，節(jié)能明顯，有著非常長遠的經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義。充分利用和挖掘其潛在特性，進一步完善系統(tǒng)，將能為油田節(jié)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(diào)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(diào)速電動機[M]. 機械工業(yè)出版社. 1994 [5] 汪小軍. 開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)研究[MA]. 西北工業(yè)大學. 2006, 3 [6] 孫長春. 開關磁阻電機控制系統(tǒng)新型設計[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟. 2005, 15 [7] 王宏華. 開關型磁阻電動機調(diào)速控制技術[M]. 機械工業(yè)出版社, 1995年 [8] 崔建鋒. 開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)設計與研究[MA]. 西北工業(yè)大學. 2005, 3 [9] 陳昊. 開關磁阻調(diào)速電機系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)[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(tǒng)[J]. 電力電子技術. 2004.4 [12] 王向. 基于模糊控制規(guī)則的開關磁阻電機控制系統(tǒng)特性研究[J]. 中國科技信息. 2006, 16