专利名称：基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法
技术领域：
本发明涉及一种基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，属于热力学建模和 电机控制相结合的应用基础技术领域。
背景技术：
潜油电机一般在地下1. 0 3. 5km深处工作，通过铠装电缆与地面电源连接，井下 环境温度高达120°C，电机在井下工作时，势必会产生一定的热量引起电机发热，而井液由 离心泵排出时，又会带走热量使电机散热，不致使电机温升超过一定的限度，否则就会因温 升过高而烧毁电机。为了保证其安全、高效、稳定的运行，必须实施监测潜油电机井下温度 变化，以避免事故发生。为获取潜油电机的温度信息，最直接的方法是在电机上安装温度传感器，但由于 油井独特的高温高压特点，温度传感器的安装、信号传递等问题均制约着其在油井中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用温度传感器获取潜油电机的温度信息受井下环境 的制约的问题，提供一种基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法。本发明包括以下步骤步骤一采集所述潜油电机的三相定子电压和三相定子电流；步骤二 通过信号调理电路对三相定子电压和三相定子电流分别进行处理，并将 处理后的信号作为定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号；步骤三采用工控机根据定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号计算潜 油电机的总发热量U;步骤四在所述工控机内将所述潜油电机的总发热量U按照所述潜油电机中各部 件的几何尺寸及耗能比例分配到潜油电机的各部件中；同时将潜油电机的各部件等效电路 按照空间位置关系组合成整个潜油电机的等效电路，根据整个潜油电机的等效电路建立集 中参数热网络模型；步骤五求解集中参数热网络模型，获得潜油电机各部件的温度值。本发明的优点是本发明具有低成本、高可靠性的特点，它对电机参数信号的获取 是通过对电机定子电压、定子电流信号的检测以及相应计算来实现的。目前国内外关于无 传感器电机参数检测方法只限于地面工作电机的参数辨识，本发明通过对电机定子电压、 电流信号的检测及集中参数热网络模型的建立及分析，实现了对工作于地下1. 0 3. 5km 油井中潜油电机的温度的实时监测。集中参数热网络模型将经典热力学、非平衡热力学及 动力学理论通过电网络的结合，用于解决潜油电机温度辩识中的复杂非线性问题。集中参数热网络模型将网络热力学建模理论应用于潜油电机的热力学分析，实现 了网络热力学理论与电力电子拓扑分析的算法交叉。集中参数热网络模型作为一种涵盖了潜油电机的所有主要部件和热传导机构的精确热模型，能够较准确描述电动机的实际状 态，物理意义明确，计算量相对较小，直接逼近电机的热性能，可以快速评估潜油电机运行 过程的热性能，用于潜油电机温度的工程计算。本发明通过实测的电机定子电流值计算潜 油电机各部件的温度，实现了潜油电机温度的软测量。
图1为本发明的在线监测示意图2为机座的等效电路图3为定子轭的等效电路图4为定子齿的等效电路图5为定子绕组的等效电路图6为气隙的等效电路图7为端绕组的等效电路图8为端部气隙的等效电路图9为转子绕组的等效电路图10为转子轭的等效电路图11为轴的等效电路图12为整个潜油电机的等效电路图13为图12的简化等效电路图14为对潜油电机进行采样获得的电压及电流波形图
图15为采用本发明方法获得的定子温度曲线图16为潜油电机表面实测温度曲线图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式包括以下步 骤步骤一采集所述潜油电机的三相定子电压和三相定子电流；步骤二 通过信号调理电路对三相定子电压和三相定子电流分别进行处理，并将 处理后的信号作为定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号；步骤三采用工控机根据定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号计算潜 油电机的总发热量U;步骤四在所述工控机内将所述潜油电机的总发热量U按照所述潜油电机中各部 件的几何尺寸及耗能比例分配到潜油电机的各部件中；同时将潜油电机的各部件等效电路 按照空间位置关系组合成整个潜油电机的等效电路，根据整个潜油电机的等效电路建立集 中参数热网络模型；步骤五求解集中参数热网络模型，获得潜油电机各部件的温度值。本实施方式中对三相定子电压和三相定子电流进行采样，可通过电流传感器和电 压传感器来实现，信号调理电路处理后的定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号 可通过数据采集卡传递给工控机，然后通过温度巡检仪检测获得潜油电机的定子温度，并
11在工控机中与本发明方法最终获得的定子温度进行比较，根据比较结果对集中参数热网络 模型进行调整，验证模型的正确性。来验证本发明方法的准确度。可利用MATLAB编写程序对数据采集卡中采样数据进行调用。所述电流传感器和电压传感器为霍尔传感器，信号调理电路基于芯片AD623，工控 机为核心的数据处理平台，本发明只需要利用潜油电机的几何尺寸以及采样来的电压电流 数据，通过对模型的建立以及分析最终得到所需要的温度。本实施方式中，由电压传感器和电流传感器对潜油电机定子电压及电流采样后 均获得毫伏级的正弦波电流信号，采用信号调理电路分别将其转变成毫伏级的电压信号， 并进一步放大为0-1. 5V的交流电压信号，再由信号调理电路中1.8V直流电压源举升为 0-3. 3V的交流电压信号，送到数据采集卡输入端口，作为原始输入信号。对原始输入信号所进行的一系列算法过程，都在工控机中实现，及至最后实现对 转子的温度估算。电压传感器可以使用LEM公司的LM8-P型号的电压传感器，它具有出色的精度， 良好的线性，低温漂，很强的抗外界干扰能力，共模抑制比很强，反应时间很快和频带宽的 特点。电流传感器可以使用KEHAI公司的KT75A/P型号的电流传感器，它的测量范围宽，频 率特性好，反应速度快，过载能力强。
具体实施方式
二 下面结合图12和图13说明本实施方式，本实施方式为对实施方 式一的进一步说明，步骤三中采用工控机根据定子原始电流输入信号和定子原始电压输入 信号计算潜油电机的总发热量u的方法为所述潜油电机的总发热量u为铁损W”定子铜损 Ws和转子铜损I的和，其表达式为u = ffi+ff^ff,,
权利要求
1.一种基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于它包括以下步骤步骤一采集所述潜油电机的三相定子电压和三相定子电流；步骤二 通过信号调理电路对三相定子电压和三相定子电流分别进行处理，并将处理 后的信号作为定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号；步骤三采用工控机根据定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号计算潜油电 机的总发热量U;步骤四在所述工控机内将所述潜油电机的总发热量u按照所述潜油电机中各部件的 几何尺寸及耗能比例分配到潜油电机的各部件中；同时将潜油电机的各部件等效电路按照 空间位置关系组合成整个潜油电机的等效电路，根据整个潜油电机的等效电路建立集中参 数热网络模型；步骤五求解集中参数热网络模型，获得潜油电机各部件的温度值。
2.根据权利要求1所述的基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于 步骤三中采用工控机根据定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号计算潜油电机 的总发热量u的方法为所述潜油电机的总发热量u为铁损W”定子铜损Ws和转子铜损I 的和，其表达式为u = ffi+ff^ff,,1 cXm η τ2Ws=RiI2p,W =--^-V2 + ￡ χΛ I2，r 义(义+2、)p Xm + 2xsc p式中&为潜油电机的定子电阻、Rz为潜油电机的转子电阻、xs。为潜油电机的整体漏抗、 Xffl为潜油电机的激磁电抗、Rffl为潜油电机的激磁电阻、Vp为潜油电机定子的每相原始电压 输入信号值、Ip为潜油电机定子的每相原始电流输入信号值、c为常量。
3.根据权利要求2所述的基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于 步骤四中所述潜油电机的各部件等效电路为对其各部件的热对流和热接触电阻进行模拟 和归算，四一)将机座的热接触电阻归算为电阻队和&组成的电阻网络，其中电阻队和&串 联在节点Jtl和J2之间，R1和&的连接点为节点J1, R1为直接测量获得，R2nhcLrx式中h。为机座与铁芯的接触系数，L为定子长度，Γι为定子外径；将机座的热对流模拟为C1 cI =MeCe+\MfCf，式中Me为端盖质量，Mf为机座质量，ce为端盖比热，cf为机座比热；热对流C1从节点J1 流入该电阻网络；四二)将定子轭的热接触电阻归算为电阻民、礼、1 5和1 6组成的电阻网络，其中电阻& 和R6串联在节点J1和J4'之间，电阻R5和R6的连接点为节点J2'，电阻R4串联在节点J2'W= —---^- V2-‘cRm cXm(Xm+2xsc)“和J2之间，电阻R3串联在节点J2和J7之间，
4.根据权利要求3所述的基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于 所述步骤四中将潜油电机的各部件等效电路按照空间位置关系组合成整个潜油电机的等 效电路，并将位于一对节点之间的多个电阻进行等效替换，等效替换的电阻有节点J1与节点Jltl之间的等效电阻R' no' R' HC1 = R38 ；节点J1O与节点J9,之间的等 效电阻 R9, 1Q，R9, 10 = R36//R37 ；节点 J9,与节点 J8,之间的等效电阻 R8, 9' 'R8' 9' = R32//R35 ； 节点J8'与节点J5之间的等效电阻R58,，R58- = R18//R31 ；节点J5与节点J3'之间的等效电 阻民，5,R3- 5 = R11A7R16 ；节点J3,与节点J4,之间的等效电阻R3, 4' 'R3' 4' = R1。，节点J4,与 节点J2,之间的等效电阻R2, 4' ^R2' 4' = R6，节点J2,与节点J1之间的等效电阻R12,，R12,=r2//R5 ；节点J1与节点J7之间的等效电阻R' 71，R' 71 = I^22，节点J7与节点J2之间的等效电 阻R' 27，R' 27 = R3//%3，节点J2与节点J2,之间的等效电阻Ii22,，R22- = R4,节点J7与节点J3之间的等效电阻R' 37，R' 37 = R7//%4，节点J3与节点J3,之间的等 效电阻 R33,，R33' = R9 ；节点J7与节点J6之间的等效电阻R' 67，R' 67 = I 21//R2Q//%5，节点J6与节点J4之 间的等效电阻R' 46' R' 46 =队3//%9，节点J4与节点J4,之间的等效电阻R44,，R44' = R14, 节点J4与节点J3之间的等效电阻R' 34' R' 34 = IVVR12，节点J4节点J5之间的等效电阻 R' 45'R' 45 = IWVR17，节点J7与节点J8之间的等效电阻R' 78，R' 78 = R26//%9，节点J8 与节点J8,之间的等效电阻R88,，R88- = R3tl,节点J7与节点J9之间的等效电阻R' 79，R' 79 =R27//R28//R33，节点J9与节点J9,之间的等效电阻R99-，R99, = R34 ；上述等效电路结构中定子绕组的发热量为U4、端绕组的发热量为U6、定子齿的发热量 为U3、转子绕组的发热量为u8，所述四个发热量与潜油电机的总发热量u之间的关系式为U = U3+U4+U6+U8o
5.根据权利要求4所述的基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于 步骤四中所述的集中参数热网络模型为
6.根据权利要求5所述的基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于 所述步骤五求解集中参数热网络模型的方法为采用四阶经典龙格-库塔法求解集中参数 热网络模型，所述四阶经典龙格-库塔法的基本迭代过程公式为
7.根据权利要求6所述的基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，其特征在于 所述步骤五中获得潜油电机各部件的温度值的表达式为
全文摘要
基于集中参数模型的潜油电机温度辩识方法，属于热力学建模和电机控制相结合的应用基础技术领域。它解决了采用温度传感器获取潜油电机的温度信息受井下环境的制约的问题。它首先采集所述潜油电机的三相定子电压和三相定子电流；通过信号调理电路对三相定子电压和三相定子电流分别进行处理，并将处理后的信号作为定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号；采用工控机根据定子原始电流输入信号和定子原始电压输入信号计算潜油电机的总发热量u；将总发热量u分配到潜油电机的各部件中，并组合潜油电机的等效电路，再建立集中参数热网络模型，求解集中参数热网络模型，获得潜油电机各部件的温度值。本发明用于对潜油电机进行温度辩识。
文档编号G06F17/50GK102081685SQ201010580809
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者任翔, 吕琳琳, 夏禹, 张凤娜, 徐殿国, 李临春, 王立国, 董明轩, 郝宏海 申请人:哈尔滨工业大学