新型无齿轮曳引式抽油机的研制

论文摘要

无需减速机直接驱动的低速电机是研究节能型抽油机领域的热点之一。这种无需减速机的抽油机的研究具有重要的科学意义和实用价值。国内对于无需减速机的抽油机的研究尚处于起步阶段。本文分析了新型无齿轮曳引式抽油机的机械结构,根据抽油机系统的主要功能和技术指标,提出了低速大转矩稀土永磁同步电动机的技术要求。该电机采用SPWM变频电源供电,直接带动曳引轮曳引抽油杆和配重,完成抽油做功。不需要机械减速机构,使得新型无齿轮曳引式抽油机的机械结构变得非常简单,大大减轻了繁重的日常维护工作,使系统的可靠性也大为增高。而且由于没有了减速机构,从而没有了相应的机械损耗,较大地提高了系统的机械传动效率。另一方面,由于使用了高效的永磁同步电动机,减少了电机损耗,也提高了系统的总体效率。本文利用Matlab计算软件编制程序计算油田抽油机用20kW低速大转矩稀土永磁同步电动机的设计方案,然后应用Maxwell2D二维电磁场有限元分析软件,对永磁同步电动机进行了磁场分析,分析了它们在空载时的反电动势、气隙磁密。本文对抽油机变频控制系统采用机电一体化设计,以PLC作为控制核心,通过变频器控制低速大转矩永磁同步电动机调速。本文研究了电动机转速控制模式,解决了抽油机换向时的机械冲击问题,减少机械磨损。设计了抽油机变频控制系统的PID闭环控制,实现了冲程、冲次、上下冲程时间在额定范围内连续可调,使该抽油机适用于不同工况的油井。对新型无齿轮曳引式抽油机变频控制系统进行了实验。实验的结果表明所设计的变频控制系统是正确的,控制方法是可行的,为该抽油机控制系统的硬件参数设计提供了良好的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题的目的和研究意义
• 1.3 国内外抽油机技术的发展趋势
• 1.3.1 国内抽油机技术的发展
• 1.3.2 国外抽油机技术的发展
• 1.4 本课题的内容
• 第二章 抽油机系统的研究
• 2.1 新型无齿轮曳引式抽油机工作原理和设计原则
• 2.2 新型无齿轮曳引式抽油机驱动用低速大转矩稀土永磁同步电动机
• 2.2.1 低速大转矩永磁同步电动机
• 2.2.2 低速大转矩永磁同步电动机的设计特点
• 2.3 抽油机变频控制系统设计方案
• 2.4 抽油机的机械结构设计方案
• 2.5 新型无齿轮曳引式抽油机的主要指标
• 2.6 本章小结
• 第三章 永磁同步电动机电磁计算和电磁场有限元分析
• 3.1 基于MATLAB软件的电磁设计程序
• 3.2 研究电机电磁场有限元分析基本原理
• 3.2.1 电磁场有限元分析基本原理
• 3.2.2 条件变分问题及其离散化
• 3.2.3 边界条件的确定
• 3.3 永磁电机电磁场有限元分析数学模型
• 3.3.1 建立永磁同步电动机几何模型
• 3.3.2 指定材料属性
• 3.3.3 设定边界条件和激励源
• 3.3.4 设置几何模型网格剖分
• 3.3.5 求解
• 3.4 后处理仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 抽油机变频控制系统的设计
• 4.1 抽油机变频控制系统设计思想
• 4.2 控制系统硬件结构的设计
• 4.2.1 基本工作原理
• 4.2.2 磁极位置闭环控制系统的设计
• 4.2.3 PLC模块的设计
• 4.2.4 变频器与PLC之间的通讯
• 4.3 抽油机变频控制系统软件设计
• 4.3.1 上电初始化子程序设计
• 4.3.2 自检子程序设计
• 4.3.3 延时停车子程序设计
• 4.3.4 正常运行子程序设计
• 4.3.5 自动复位子程序设计
• 4.4 系统调试
• 4.5 本章小结
• 第五章 抽油机机械结构的设计
• 5.1 新型无齿轮曳引式抽油机机械结构概述
• 5.2 新型无齿轮曳引式抽油机机械结构各个部分的设计
• 5.2.1 移动让位装置的设计
• 5.2.2 主塔架结构的设计
• 5.2.3 配重箱及导轨的设计
• 5.2.4 底座部分的设计
• 5.3 曳引机结构
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢