智能抽油機(jī)控制器的研究

高 宇

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110045）

0 引言

在石油工業(yè)中，抽油機(jī)電機(jī)的電能消耗約占石油領(lǐng)域總電能消耗的40%。因?yàn)槌橛蜋C(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著其上下行程而波動(dòng)，抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)載率周期性變化，而且，抽油機(jī)電機(jī)需要一個(gè)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩用于抽油機(jī)的操作需求。通常，抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載率小于額定值的30%，因此電能浪費(fèi)相當(dāng)巨大。

為了節(jié)約能源實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在本文中重點(diǎn)論述一種抽油機(jī)智能控制器。

智能控制器具備如下功能：

1）能夠優(yōu)化抽油機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)和性能，自動(dòng)調(diào)整負(fù)載波動(dòng)的抽油機(jī)電機(jī)端電壓。

2）抽油機(jī)的占空比能夠按照不同油井的不同儲(chǔ)量的實(shí)際情況設(shè)定。

3）抽油機(jī)的停止位置能夠選擇在最接近負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均測量點(diǎn)游梁擺動(dòng)的角度，以便軟啟動(dòng)器能夠進(jìn)行再一次的啟動(dòng)。

4）抽油機(jī)電機(jī)的超載，丟相及其他故障，能夠被檢測以便于保護(hù)電機(jī)。

5）抽油機(jī)電機(jī)能與中控計(jì)算機(jī)通信，抽油機(jī)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)能被中控計(jì)算機(jī)所監(jiān)控。

1 抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載性和節(jié)能原理

如圖1所示，很明顯，抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在上沖程和下沖程之間有很大的不同。實(shí)際上，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同的油井中特性并不相同，抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩有以下特性：

1）抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩是每分鐘6－12次的

圖1 抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性隨時(shí)間變化曲線

頻率波動(dòng)的。

2）平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常是最大轉(zhuǎn)矩的1/3在貧油井中會(huì)更少。

3）因?yàn)榻?jīng)常重載啟動(dòng)，抽油機(jī)電機(jī)需要一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩裕量。

由于上述規(guī)定和限制，抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載率僅僅達(dá)到20%，極少的富油井中也不超過30%。抽油機(jī)電機(jī)的效率和功率因數(shù)非常低，因?yàn)樗鼈兌鄶?shù)時(shí)間在低負(fù)載條件下運(yùn)行。

按照抽油機(jī)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分析，我們能夠制定新的能源節(jié)約策略。為了提高效率和功率因數(shù)，可以使用可控硅調(diào)節(jié)電壓的方法。

圖2所示為電壓調(diào)整電路示意圖。已知電機(jī)參數(shù)，功率因數(shù)、負(fù)載率、晶閘管的觸發(fā)角之間的關(guān)系，如圖3所示。圖中可以看出，這里有一個(gè)最佳觸發(fā)角，產(chǎn)生最佳的觸發(fā)電壓，以使功率因數(shù)達(dá)到最大。在不同的負(fù)載條件下保持功率因數(shù)為常量是不可能的，為了在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下使功率因數(shù)達(dá)到最大，我們必須小心控制晶閘管的觸發(fā)角。當(dāng)功率因數(shù)增加時(shí)，效率也因?yàn)槎ㄗ与娏骱碗妷焊纳贫岣摺?/p>

一些石油含量較少的老油井，抽油機(jī)的占空比可以進(jìn)行調(diào)整，以保持最佳的系統(tǒng)效率和更加節(jié)能。

圖2 電壓調(diào)整電路示意圖

圖3 功率因數(shù)、負(fù)載率、晶閘管的觸發(fā)角之間的關(guān)系

2 智能控制器配置和控制策略

圖4 智能控制器原理框圖

圖4所示為抽油機(jī)智能控制器的原理框圖。在主電路中，三組雙向晶閘管和抽油機(jī)電機(jī)串聯(lián)連（如圖2所示）。電機(jī)端子電壓能通過晶閘管觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整?；魻栯娏鱾鞲衅饔糜跈z測軟件啟動(dòng)器和過載保護(hù)時(shí)的電機(jī)電流。

零電壓檢測電路可以檢測每相電壓的過零點(diǎn)，它使用了同步信號(hào)觸發(fā)電路和缺相保護(hù)電路。

顯示電路用于顯示設(shè)定值和系統(tǒng)工作狀態(tài)。

鍵盤電路用于輸入設(shè)定值和系統(tǒng)必須的參數(shù)（如：占空比、啟動(dòng)時(shí)間和控制參數(shù)等）。

當(dāng)軟啟動(dòng)器失效或需要快速啟動(dòng)時(shí)可以通過接觸器直接啟動(dòng)。

數(shù)字觸發(fā)電路產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖，可以調(diào)整抽油機(jī)電機(jī)終端電壓。

游梁角度測量電路通過旋轉(zhuǎn)變壓器測量游梁擺角。瞬時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以通過游梁擺角的測量進(jìn)行估算。

調(diào)制解調(diào)器用于與中控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以監(jiān)控抽油機(jī)狀態(tài)。

MCS-51單片是抽油機(jī)智能控制器的核心，所有保護(hù)和控制均由MCS-51單片機(jī)執(zhí)行。

控制策略和智能控制器流程如下：

正常電機(jī)軟啟動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間均按設(shè)定值進(jìn)行限定。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在限定的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到正常值時(shí)，電機(jī)將由直接啟動(dòng)電路重新進(jìn)行啟動(dòng)。

啟動(dòng)以后經(jīng)過幾個(gè)行程，抽油機(jī)電機(jī)按規(guī)范運(yùn)行，游梁擺角和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系能夠通過自學(xué)習(xí)算法進(jìn)行估算?？刂茀?shù)可能依不同的電機(jī)有所不同，并且，控制參數(shù)可由輸入電路進(jìn)行設(shè)定，一些應(yīng)用在石油領(lǐng)域的典型電機(jī)的參數(shù)可以存在單片機(jī)系統(tǒng)中。

按照游梁擺角的測量值，晶閘管的觸發(fā)角可以由計(jì)算機(jī)中的控制方法得出，所以可以獲得不同負(fù)載率下的最大功率因數(shù)。

電機(jī)的工作和停止時(shí)間可以按照占空比的設(shè)置自動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以達(dá)到使電機(jī)下次啟動(dòng)僅用最小的負(fù)載轉(zhuǎn)矩而確定游梁停止位置。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以按照定子電流和電機(jī)溫度模型估算電機(jī)的溫度。當(dāng)電機(jī)溫度超過設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)將發(fā)出過載報(bào)警信號(hào)并使保護(hù)繼電器動(dòng)作。

3 仿真結(jié)果

為了估算智能控制器的節(jié)能效果，我們使用了SIMULINK軟件對系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真。在仿真中用了一個(gè) 8-pole 45 kw油泵電機(jī)。平均負(fù)載率采用20%，負(fù)載波動(dòng)周期6秒。

因?yàn)槭褂镁чl管調(diào)節(jié)端電壓，電機(jī)的電流和電壓波形為非正統(tǒng)波。為了評估節(jié)能效果，一些參數(shù)被定義在非正弦波供電條件下。

其中：TL是負(fù)載波動(dòng)周期

T是電壓周期

Mn是額定轉(zhuǎn)矩

圖5 電機(jī)相電壓波形

圖6 電機(jī)相電流波形

抽油機(jī)電機(jī)電壓和電流的仿真波形如圖5和圖6所示，它們的觸發(fā)分別是96度。從中可以看出，電機(jī)的相電壓和相電流的波形與正弦波區(qū)別較大。

不同負(fù)載條件下，限制電流在400A以下的軟啟動(dòng)進(jìn)程仿真如圖7所示。圖7a 中為定子電流（有效值），它反映了第一種情況，電機(jī)在最小負(fù)載啟動(dòng)的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化；圖7b反映了第二種情況，電機(jī)在最大負(fù)載啟動(dòng)的軟啟動(dòng)特性。顯然，電機(jī)在第一種情況比第二種情況下啟動(dòng)的更容易、更快。

圖7 啟動(dòng)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載扭矩

圖8所示為，具有電壓調(diào)節(jié)和無電壓調(diào)節(jié)時(shí)的抽油機(jī)電機(jī)功率因數(shù)對比。a圖是沒有電壓控制器時(shí)的電機(jī)功率因數(shù)曲線，圖b是使用電壓控制器時(shí)的功率因數(shù)曲線。由表1可以看出，使用電壓控制器后，油泵電機(jī)的平均功率因數(shù)從0.33提高到0.47，同時(shí)電機(jī)電流和輸入的有功功率和無功功率同時(shí)減少。

圖8 有無電壓控制器時(shí)的功率因數(shù)對比

表1 仿真結(jié)果

有功功率節(jié)能率：

無功功率節(jié)能率：

這里，P和Pru分別是有、無電壓控制器時(shí)有功功率的平均值。Q和Qru分別是有、無電壓控制器時(shí)無功功率的平均值。

4 結(jié)論

通過以上的分析和仿真，可以得出如下結(jié)論：

1）由于游梁的周期性擺動(dòng)使負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，抽油機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)不能獲得預(yù)期的動(dòng)態(tài)常數(shù)。

2）使用智能控制器可以調(diào)節(jié)電機(jī)的終端電壓，實(shí)現(xiàn)最佳功率因數(shù)和最有效的控制。

3）這種新型的控制功率因數(shù)和節(jié)能的控制策略，是通過檢測游梁擺角來確定瞬時(shí)負(fù)荷。

4）系統(tǒng)仿真顯示，在使用智能控制器的情況下，無功和有功功率的節(jié)能率大約是37%和3.7%。

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