新型低速抽油机驱动系统

摘要：采用最新变频控制技术和新型低速永磁同步电动机完成抽油机采油工作，以此达到技能减排的效果，并且实现采油工艺参数软调节，达到完美采油工况。

关键词：柔性控制 冲次

近几十年，广大科技工作者在油田抽油机电机节能领域，做了大量具有实际意义的工作。像异步电机“星-三角转换技术”、可控性电子调压技术、工频运行永磁同步电机技术、变频调速控制永磁同步电机或异步电机技术、超高滑差电机技术等。这些技术在一定工况下应用，节能或采油工艺要求方面得到了采油管理部门的认可。但随着国际国内节能压力的越来越大，油田渴望有一种适用范围更广、节电率更高、满足生产工艺要求更好、可靠性及性价比更高的产品。

我们利用当代新材料、新工艺、新设计技术研发出了该套抽油机高效智能低速驱动系统。该装置电机为高效永磁同步电机，控制器采用伺服控制技术、矢量控制方式。产品为油田采油专用，具有博众技术之长、可靠性高、适用范围广和性价比高等优势。

一、控制系统

为了克服现有的采油柱塞式抽油泵地面驱动系统惯性冲击载荷较大、调节冲次工作繁琐和系统的发电问题，我们提供了一种采油柱塞式抽油泵地面永磁电机专用调速系统，该系统不仅能实现力矩与速度的柔性控制，减小系统惯性冲击载荷，很好的解决PWM控制器发电问题造成的危害。

该系统中的控制器采用先进的开环矢量控制方式，专门根据抽油泵的力矩特点设计，通过下垂控制功能，分别设置系统发电时和电动时的下垂控制量大小，能够满足抽油泵力矩与速度的软特性要求，即电机输出力矩大时，速度降低；反之，速度升高。而且对每一口油井都具有很好的适应性，能够使力矩和速度更适应，降低系统运行时的最大力矩，减小电机发热。采用电机发电时升高输出转速的方式把发电产生的能量转换成动能，从而把母线电压值控制在通用变频器硬件所要求的安全范围内。

整个系统中电机控制器是技术含量最高的部分，而控制器的柔性控制和抑制母线电压过高技术是核心。该系统能实现柔性控制，减小系统惯性冲击载荷，以降低对光杆施加力矩的冲击，延长光杆使用寿命；而且能方便的调节冲次，很好的通过软件解决系统的发电问题，使硬件结构更简单同时减少了系统成本。

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

本控制器电路结构主要有DSP控制核心、电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路、故障保护电路、数字量及模拟量输入输出电路、驱动电路和通讯接口电路等组成。电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路、故障保护电路、数字量及模拟量输入输出电路、驱动电路和通讯接口电路都是通过数字模拟量输入输出管脚与DSP连接。控制核心是TI公司的TMS320F28332芯片。

在图1中，DSP控制核心通过母线电压采样和电流采样获得电机的实际运行情况，再通过软件的计算和特殊处理，最后由驱动电路实现对电机的有效控制，从而达到最终期望的控制目标。图1中，温度采样用来采集模块温度，了解运行温度并防止控制器过温；温控I/O接口是通过埋在电机线圈内部的温度开关来控制电机启停，从而防止电机过温；故障保护电路在控制器和电机发生故障时起到保护控制器和电机的作用；数字量和模拟量的输入输出用来实现外部信号和控制系统的组合控制；人机界面和通讯接口用来读取运行参数和实现对控制器的调参。

二、电机

为了克服普通永磁电机在变频情况下运行实际效率会降低，同时不能超过额定扭矩启动，缺少温度保护等的不足，我们提供了一种新型永磁同步电机，该电机可以在启动过程中产生大于额定扭矩数倍的启动扭矩，无须考虑启动扭矩对电机选型的影响。在75%额定负载下效率高达95%，节能效果显著，同时具有温度保护功能，很好的保护电机，减少电机故障。

图2是本实用新型一种实施例的结构截面示意图。

参照图2，该低速永磁同步电动机，包括定子1和转子2，所述定子1为绕线式定子，转子2为外圆周上设有鼠笼条的鼠笼式转子，转子2通过外壳安装在定子1内。所述转子2为外圆周上设有凹槽4，该凹槽4内镶嵌有永磁体3。其中，所述凹槽4及镶嵌在其内部的永磁体3均设为14—30组（图中为24组），并均匀分布在转子中心轴。

采用专用控制器控制的永磁同步电机作为驱动电机，通过控制器软件控制电机启动，在电机启动过程中控制器可以根据井况扭矩的大小给电机提供一个适当的转矩电流，这样电机就可以输出比额定转矩大数倍的启动扭矩，只要短时间内电机的温升在额定范围内，电机都可以正常运行，从而可以很好的满足油井启动转矩大的要求。电机内部埋有温度开关，当电机内部温度超出设计的额定温度时，温度开关断开，此时控制器收到信号就会停机，从而保护电机不会因为过温损坏。

这样就可以按照油井的实际运行扭矩选型电机，无须因为启动扭矩太大而选择大功率的电机，此种电机推广实施，可促进当前有限电能合理有效利用，减少发电设备投资，将为工厂、企业节约大量电费，降低生产成本，具有较好的市场应用前景和较好的社会经济效益。该电机的负载效率高，选型方便，可无级调速；过载能力大；运行平稳且保护功能完善。

三、现场应用

我们在胜利油田三口不同井况的油井进行了运行，其中两口井是游梁式抽油机系统，一口井是皮带式抽油机系统。并主要在控制效果和能耗方面做了实验和测试，具体实验测试数据如下表：

通过上面的表格我们可以明显的发现，更换拖动形式后整个系统有了明显的节能效果，根据不同的井况和拖动形式节电率可达10%～20%。

四、结论

通过分析现场运行情况可以发现，高效智能低速驱动系统与其它电机驱动系统相比，配电容量最小，效率更高，机械冲击最小，节电效果更好，回收投资更快，性价比高，在技术上和经济上都是切实可行的。