基于开关磁阻电机的抽油机调速系统设计与研究

论文摘要

长期以来抽油机所配电机大都处于轻载运行状态,负载率低,功率损耗大,能源浪费严重,且冲程冲次调节不便。对于低采液井、稠油井和边缘地区的非注水井,开关磁阻电机是兼备节能与调速功能的抽油机理想的驱动设备,所以本论文研究设计了一种基于开关磁阻电机的游梁式抽油机调速装置,提高油井的采收率和节能效率,从而达到增产降耗的目的。本课题在分析抽油机系统的工作原理及存在的问题和SR(SwitchedReluctance)电机调速系统的工作原理的基础上,重点研究了开关磁阻电机与抽油机的匹配关系,设计了起动过程采取渐增上限值的电流斩波控制方式和运行过程采取上下冲程分别控制方式。并从抽油机的运行特点考虑,以“快提慢放”为例进行设计。上冲程时系统处于电动运行状态,采取调制PWM占空比的电压斩波控制方式;下冲程时系统处于倒发电状态,采取调节上限值的电流斩波控制方式。调速系统的硬件部分包括功率变换主电路和以DSP为主的控制电路。功率变换主电路包括功率变换器(主开关器件采用IGBT模块),不可控全桥整流电路,驱动电路和保护电路。控制电路包括DSP芯片(TI公司的TMS320LF2407A),电源转换电路和接口电平转换电路,逻辑输出电路,位置信号输入电路,显示电路和脉冲封锁电路等。在完成硬件部分的基础上,设计系统软件程序,包括初始化程序、PWM输出程序、脉冲封锁程序、换相程序、测速程序和显示程序等,能够保证SR电机正常运转。为了解决开关磁阻电机与抽油机的匹配问题,设计了软起动程序和上下冲程分别控制程序。为了优化控制效果,引入基于自整定模糊控制技术的转速闭环控制,设计出一种以转速为被控量、以转速偏差和偏差变化率为输入量,以PWM占空比为输出量的比例子增量式模糊调节器。完成以上设计方案后,在实验室搭建实验平台进行联机调试,实现了电机的正常运行。由于实验条件的限制,只能在MATLAB中,编程仿真转速闭环。仿真实验验证了基于模糊控制技术的转速闭环控制方案的可行性和优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 抽油机用电机的发展进程和应用现状
• 1.3 开关磁阻电机的发展状况及性能特点
• 1.3.1 开关磁阻电机的发展进程
• 1.3.2 开关磁阻电机的研究现状
• 1.3.3 SR 电机调速系统的性能特点
• 1.4 课题研究解决的主要问题
• 第2章 抽油机调速系统方案设计
• 2.1 游梁式抽油机的工作原理和负载特性
• 2.1.1 游梁式抽油机的工作原理
• 2.1.2 游梁式抽油机的负载特性
• 2.2 开关磁阻电机的工作原理及控制方式
• 2.2.1 SR 电机的基本结构和工作原理
• 2.2.2 SR 电机相电流的线性分析
• 2.2.3 SR 电机的运行特性分析
• 2.2.4 SR 电机的起动和换相策略原理
• 2.2.5 调速控制策略研究
• 2.3 控制方式选择
• 第3章 抽油机调速系统硬件电路设计
• 3.1 功率变换单元
• 3.1.1 主电路元器件选型
• 3.1.2 功率变换电路结构设计
• 3.2 DSP 控制单元
• 3.2.1 DSP 控制单元的功能
• 3.2.2 DSP 功能分析
• 3.2.3 电源转换电路
• 3.2.4 接口电平转换电路
• 3.3 检测保护单元
• 3.3.1 电机位置检测电路
• 3.3.2 倍频信号检测电路
• 3.3.3 直流侧电流检测电路
• 3.4 逻辑输出及脉冲封锁单元
• 3.4.1 逻辑输出电路
• 3.4.2 脉冲封锁电路
• 3.5 显示单元
• 3.6 驱动单元
• 3.7 硬件调试注意事项
• 第4章 抽油机调速系统软件设计
• 4.1 软件设计思想
• 4.2 各程序模块设计
• 4.2.1 主程序模块设计
• 4.2.2 起动程序设计
• 4.2.3 中断程序设计
• 4.2.4 上下冲程独立控制程序设计
• 4.2.5 事件处理程序设计
• 4.3 软硬件联合调试的注意事项
• 第5章 自整定模糊控制在抽油机调速系统中的应用
• 5.1 模糊控制在游梁式抽油机上的应用
• 5.2 自整定模糊控制器的设计
• 5.2.1 精确量的模糊化
• 5.2.2 模糊控制器的设计
• 5.2.3 模糊量的反模糊化
• 5.3 SRD数学模型的建立及仿真实验
• 5.3.1 SRD 的基本方程
• 5.3.2 SRD 小信号线性化动态模型
• 5.3.3 仿真实验
• 5.4 改进的模糊控制器
• 5.4.1 比例因子自调整模糊控制器
• 5.4.2 仿真实验
• 第6章 实验结果及分析
• 6.1 实验装置与实验原理
• 6.1.1 实验装置介绍
• 6.1.2 实验原理
• 6.2 实验波形与分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢