一种针对抽油机电机的调压节能控制系统及控制方法与流程

本发明属于电机控制领域，涉及一种针对抽油机电机的调压节能控制系统及控制方法。

背景技术：

世界各国都普遍重视能源的高效利用和节能减排的工作，当前我国的大部分工况生产都是由异步电动机来拖动负载。对于风机水泵类的负载，变频调速技术是一种有效的节能途径，但是对于在油田采油作业中的周期性变工况势能负载，变频调速并不能很好适用。

目前油田大量使用游梁式抽油机进行采油作业，由异步电动机带动运行。由于抽油机的负载启动比较困难，所以采用的异步电动机的额定功率一般都会显著大于实际运行的功率，造成“大马拉小车”的现象比较严重。抽油机的冲次一般在每分钟3到10次，一个工作循环的周期在6到20秒之间。异步电动机带动抽油机驴头向上运动的抽油过程称为上冲程，此时异步电动机运行在电动工况；异步电动机带动驴头向下运动的抽油过程称为下冲程，如果驴头的下落拖动异步电动机的转速超过异步电动机的同步转速，此时机械力矩转为驱动转矩，电磁转矩为负，异步电动机运行在发电工况。根据抽油机的工作原理，异步电动机还会出现若干重载、轻载和空载工况。由此可知在一个工作周期中异步电动机的运行工况在重载、轻载、空载、发电之间不断变化，其中相当大的部分时间处于空载、轻载和发电工况下。

已知异步电动机的损耗和异步电动机的输入电压和负载转矩有关，在满足转矩平衡的条件下，异步电动机的输入电压越小，异步电动机的损耗会越少。如果异步电动机输入电压降为零，此时异步电动机的所有损耗都为零。由于抽油机的异步电动机“大马拉小车”的情况严重，且异步电动机相当大的部分时间处于空载、轻载和发电工况下，所以可以根据负载转矩的变化，相应的降低异步电动机的输入电压，减少异步电动机的损耗。

对于周期性变工况负载，目前一般采用的调压节能方法有三种：

(1)星角变换控制

抽油机电动机启动时绕组采用三角型连接，当周期性负载正常运行时负载机械功率的最大值小于星接的最大电磁功率，可以控制绕组转换为星型接法，其不变损耗降为原来的1/3。

(2)最优调压控制

最优调压控制可以通过控制器实时跟踪负载和工况的变化，根据检测到的输入量(输入功率、负载转矩或者转速)，利用电力电子器件实现对电源电压的变换和调节。

(3)断续供电控制

对于游梁式抽油机这种变工况势能负载，其发电工况和控制工况是由势能块的下落和惯性带来的，期间不需要电源提供功率。在发电工况和空载工况期间断电运行，异步电动机和供电线路将没有损耗，在动能释放完毕的恰当时刻可以重新控制通电运行。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种针对抽油机电机的调压节能控制系统及控制方法，能够根据抽油机负载的变化，动态调节异步电动机的输入电压，使异步电动机的功率降低，损耗减少。与基于模糊控制的调压节能技术相比，该方法能够在抽油机的发电工况更好的减少损耗；与基于断续供电控制的调压节能技术相比，该方法能够在抽油机的发电工况之外调节电压，减少异步电动机的损耗。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种针对抽油机电机的调压节能控制系统，包括三相供电电源、调压电路、异步电动机、抽油机负载和控制电路，其中，三相供电电源与调压电路连接，调压电路与异步电动机连接，异步电动机输出与抽油机负载连接，控制电路输入与异步电动机相连，控制电路输出与调压电路连接。

可选的，调压电路为三相晶闸管调压电路，其a、b、c三相电路中每一相均包括一组反向并联的正向晶闸管和反向晶闸管；每一相的正向晶闸管vt1、vt3、vt5的触发信号相位相差120°，反向晶闸管vt4、vt6、vt2的触发信号相位也相差120°，而同一相中反并联的两个晶闸管触发脉冲相位相差180°，晶闸管脉冲的序列按照vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6的顺序，触发信号相位差60°。

可选的，控制电路包括模糊控制器、转速检测电路和触发电路，其中转速检测电路将检测到的异步电动机转速处理后输入至模糊控制器，模糊控制器进行模糊处理后通过触发电路控制调压电路晶闸管的通断。

可选的，模糊控制器的输入为异步电动机的转速与给定的转速的偏差值δn、异步电动机的转速与上个周期的转速变换值δn'，模糊控制器的输出为调压电路的关断角增量δδ；每个周期将检测到的异步电动机转速n通过模糊控制器进行计算，输出关断角的增量δδ，再与上个周期的关断角相加得到该周期关断角的大小δ，通过调节调压电路晶闸管的关断角，改变的输出电压，从而调节异步电动机的输入电压。

本发明还提供了一种针对抽油机电机的调压节能控制方法，包括以下步骤：

(1)检测异步电动机的转速nk，将转速nk分别与同步转速ns、额定转速nn和空转转速n0比较；

(2)通过异步电动机的转速nk，判断异步电动机的工作状态，并采用不同的控制方法控制异步电动机；

当异步电动机处在轻载工况，对异步电动机采用模糊控制；当异步电动机处在重载工况，对异步电动机采用正常供电；当异步电动机处在发电工况，对异步电动机采用断续供电控制。

进一步的，步骤(2)具体为：

(21)如果转速nk大于额定转速nn且小于空载转速n0，即nn<n<n0，则异步电动机处于轻载工况下；

计算转速nk与额定转速nn的偏差值δn，δnk＝nk-nn；计算转速nk与上个周期检测的转速nk-1的变换值δn'k＝nk-nk-1，采用模糊控制，并通过查询模糊控制表得到这个周期关断角增量δδk，其中将关断角增量δδk与上个周期的关断角δk-1相加得到这个周期的关断角δk＝δδk+δk-1，根据得到的关断角改变三相晶闸管调压电路的输出电压，从而调节异步电动机的输入电压；

(22)如果转速nk小于等于额定转速，即nk≤nn，则异步电动机处于重载工况下；

每个电源周期都将三相晶闸管调压电路的关断角δk减小7°，直至关断角δk为零，此时三相晶闸管调压电路的输出电压为标准的三相工频正弦电压，从而控制异步电动机为正常供电；

(23)如果转速nk大于等于空载转速，即nk≥n0，则异步电动机处于发电工况下；

将三相晶闸管调压电路的驱动信号关闭，调节三相晶闸管调压电路的输出电压为零，从而断开异步电动机的输入电压，且将断开供电标志置1；

(24)如果转速nk大于同步转速且小于同步转速的1.05倍，即ns<n<1.05ns，同时检测到断开供电标志置1，则判断异步电动机处于发电工况快结束且已经断开供电；

使用断续供电控制的软投入技术，通过控制三相晶闸管调压电路的驱动信号，使异步电动机的输入电压在两相电压和三相电压之间不停变化，经过5个电源周期后恢复正常供电。

进一步的，模糊控制具体为：

(a)定义模糊控制器输入变化量和输出变化量

输入1为：异步电动机的转速与给定的转速的偏差值δnk；

输入2为：异步电动机的转速与上个周期的转速变换值δn'k；

输出为：三相晶闸管调压电路的关断角增量δδk；

(b)建立输入和输出的论域

将得到转速偏差值δnk和转速变化值δn'k除以10，对应的语言变量为和其基本论域为[-6，6]和[-12，12]；语言值为{pl，pm，ps，0，ns，nm，nl}，论域为x、y，量化等级为13个，有：

x＝y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

输出变量关断角增量δδk的语言变量为基本论域为[-7°，7°]；语言值为{pl，pm，ps，0，ns，nm，nl}，论域为z，量化等级为15个，有：

z＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}；

(c)计算模糊关系

通过模糊控制关系式分别计算每条模糊规则的模糊关系整个系统的控制规则的总的模糊关系为：

其中，m为模糊规则的数量；

(d)模糊判决采用最大隶属度法，通过matlab计算最终建立模糊控制查询表，通过采样计算得到转速偏差值和转速变化值，并通过查询表获得δδk。

进一步的，断续供电控制的软投入具体为：以线电压ubc峰值点为基准延迟α0，触发晶闸管vt3和vt2导通bc两相，此时异步电动机处于bc两相通电运行状态；当b、c相的电流ib、ic未过零之前，以同一ubc峰值点为基准延迟α1，触发晶闸管vt4导通a相，此时异步电动机处于abc三相通电运行状态；在半个周波内，分别以uab和uca峰值点为基准延迟α1，触发晶闸管vt6和vt5，使c相、b相电流过零关断变为两相通电后，重新变为三相运行，异步电动机在半个周波内经历bc-abc-ab-abc-ca-abc的两相和三相交替通电状态；在下半周波分别以ubc、uab、uca的负峰值点为基准延迟α2，先后触发vt1、vt2、vt3，异步电动机在反相的半个周波内重复经历bc-abc-ab-abc-ca-abc的两相与三相交替通电的状态；每半个周波给定一组新的触发角，重复上述步骤，直到最终的触发角αn使三相晶闸管同时触发导通；设αk＝αk-1-α1/6(k＝2-n)，所以软投入经过5个电源周期后就能恢复正常供电。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明增加了异步电动机的转速检测电路，异步电动机的负载大小和转速成反比，通过检测转速可以判断异步电动机负载的大小，从而判断异步电动机的工况；

(2)本发明将抽油机负载的运行情况分成三个部分，通过异步电动机的转速来判断异步电动机的运行工况，并对不同的运行工况采用最合适的调压节能控制方法，同比节约电能在20％左右；

(2)本发明使异步电动机在轻载工况下，在保证异步电动机的稳定运行下，通过降低输入电压，减少异步电动机的损耗；

(3)本发明使异步电动机在发电工况下，通过断开供电，使异步电动机的损耗降为零。

附图说明

图1是本发明控制系统原理图；

图2是三相晶闸管调压电路示意图；

图3是异步电动机电磁转矩波形示意图；

图4是晶闸管调压波形示意图；

图5是模糊控制原理示意图；

图6是模糊控制器输入变量隶属函数语言变量赋值示意图；

图7是模糊控制器输出变量隶属函数语言变量赋值示意图；

图8是本发明控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种针对抽油机电机的调压节能控制系统，包括三相供电电源、三相晶闸管调压电路、异步电动机、抽油机负载和控制电路，其中，三相供电电源与三相晶闸管调压电路连接，三相晶闸管调压电路与异步电动机连接，且三相晶闸管调压电路通过调节驱动信号的关断角来控制异步电动机的输入电压；异步电动机输出与抽油机负载连接，同时异步电动机通过控制电路反馈控制三相晶闸管调压电路；抽油机负载是异步电动机拖动的抽油机的机械转矩。

该系统可以通过异步电动机的转速来判断抽油机负载的变化。当异步电动机运行在重载工况下，异步电动机的转速比较低，抽油机负载越大，转速越低；当异步电动机运行在轻载或空载工况下，异步电动机的转速比较高，但低于空载转速；当异步电动机运行在发电工况下，由于机械力矩的拖动，异步电动机的转速要高于空载转速。

如图2所示，异步电动机的交流调压电路使用三相晶闸管调压电路，为了保证输出电压三相对称并有一定的调压范围，要求晶闸管的触发信号，除了必须与相应的三相供电电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须严格的保存一定的相位关系。如图2所示，晶闸管三相交流调压电路的a、b、c三相电路中每一相均包括一组反向并联的正向晶闸管和反向晶闸管；且要求a、b、c三相电路中的正向晶闸管vt1、vt3、vt5的触发信号g1、g3、g5相位相差120°，反向晶闸管vt4、vt6、vt2的触发信号g4、g6、g2相位也相差120°，而同一相中反并联的两个晶闸管触发脉冲相位相差180°，晶闸管触发脉冲的序列按照vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6的顺序，触发信号相位差60°。

如图3所示，是一个周期内异步电动机电磁转矩波形示意图，当电磁转矩是负时，此时异步电动机处于发电工况；当电磁转矩为正但小于额定转矩时，此时异步电动机处于轻载工况；当电磁转矩大于额定转矩时，此时异步电动机处于重载工况。

如图4所示，其中ua为相电压波形，ia为相电流波形，g为触发脉冲。触发角α是一个周期内从晶闸管承受电压到加触发脉冲为止的电角度；导通角θ指一个周期内晶闸管导通的时间对应的角度；续流角指一个周期内定子相电流滞后于对应的相电压的角度；关断角δ是指一个周期内晶闸管关断的时间对应的角度。可以通过调节关断角δ和续流角可以控制晶闸管的输出电压。

电机控制是一个非线性控制问题，若采用传统控制方法，首先要建立系统的数学模型，然后根据非线性控制理论和电机特点设计一个理想的控制规律。但由于影响节电的因素很多，这样对控制造成极大的不便。因此采样模糊控制方法可以避免各种非线性因素的影响，实现有效地节能控制。模糊控制的原理图如图5所示。

如图5所示，控制电路包括模糊控制器、转速检测电路和触发电路，其中转速检测电路将检测到的异步电动机转速处理后输入至模糊控制器，模糊控制器进行模糊处理后将输出通过触发电路输入至三相晶闸管调压电路用于控制晶闸管通断。

根据模糊控制，首先构建一个二维模糊控制器，选取异步电动机的转速与给定的转速的偏差值δn、异步电动机的转速与上个周期的转速变换值δn'为输入变化量，三相晶闸管调压电路的关断角增量δδ为输出变量，设定给定的转速为额定转速nn。

将得到转速偏差值δn和转速变化值δn'除以10，对应的语言变量为和其基本论域为[-6，6]和[-12，12]。语言值为{pl，pm，ps，0，ns，nm，nl}，论域为x、y，量化等级为13个，如下：

x＝y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

隶属函数对应的语言变量赋值示意图都如图6所示。

输出变量关断角增量δδ的语言变量为基本论域为[-7°，7°]。语言值为{pl，pm，ps，0，ns，nm，nl}，论域为z，量化等级为15个，如下：

z＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}；

隶属函数对应的语言变量赋值示意图分别如图7所示。

针对模糊控制器的输入输出量的变化规律。建立如表1所示模糊控制规则表：

表1模糊控制规则表

建立了49条模糊控制规则，通过模糊控制关系式可分别计算每条规则的模糊关系整个系统的控制规则的总的模糊关系为：

模糊判决采用最大隶属度法，通过matlab计算最终建立模糊控制查询表，如表2所示。这样通过采样计算得到的转速偏差值和转速变化值，可以通过查询表获得δδ。

表2模糊控制查询表

每个周期将检测到的异步电动机转速n通过二维模糊控制器进行计算，输出关断角的增量δδ，再与上个周期的关断角相加得到该周期关断角的大小δ，通过调节三相晶闸管调压电路的关断角，调节三相晶闸管调压电路的输出电压，从而调节异步电动机的输入电压，降低异步电动机的损耗，达到节能的效果。

在发电工况下，如果给异步电动机施加零电压，则所有的损耗都变为零，此时电磁转矩变为零，异步电动机由负载机械力矩拖动，转速发生变化进行加速。当异步电动机从发电工况进入电动工况，异步电动机的转速会降低。如果在异步电动机的转速降到同步转速附近的时候再恢复通电继续运行，这样异步电动机有较长时间内不用电源供给有功功率和无功功率，不仅节省掉异步电动机内的铜耗和铁耗，还能节省供电线路上的损耗。

如果异步电动机突然恢复供电时，会产生电流峰值，产生电磁转矩和功率的冲击，所以对于断续供电控制的恢复供电，需要使用软投入技术。断续供电控制的软投入电路还是采用三相晶闸管调压电路，通过控制三相晶闸管调压电路的驱动信号，将异步电动机的输入电压在两相电压和三相电压之间不停变化，直到恢复到三相电压正常供电。通过软投入技术，可以保证异步电动机在5个工频周期后恢复正常供电。

也可以通过三相晶闸管调压电路控制异步电动机的断电，只要三相晶闸管调压电路的驱动信号关闭，就能三相晶闸管调压电路的输出电压为零，从而控制异步电动机断电。

断续供电控制选择负载转矩为零，即异步电动机空转的时候断电，在异步电动机转速在同步转速附近时恢复供电。

如图8所示，本发明的针对抽油机电机的调压节能控制方法，在一个工作周期内的控制方法如下：通过检测异步电动机的转速来判断异步电动机的工作工况，如果异步电动机工作在轻载工况下，则通过调节三相晶闸管调压电路降低异步电动机的输入电压；如果异步电动机工作在重载工况下，则通过调节三相晶闸管调压电路使异步电动机的输入电压为工频电压，保证异步电动机的正常运行；如果异步电动机工作在发电工况下，则通过调节三相晶闸管调压电路使异步电动机的输入电压为零，使异步电动机断电运行；如果检测到异步电动机的转速接近于同步转速，则通过软投入技术恢复异步电动机的正常供电。采用本控制方法能够根据抽油机负载在一个工作周期内的变化情况，采用不同的控制方法，进一步降低异步电动机的损耗，节约电能，且不增加成本。

本控制方法包含两种控制：模糊控制和断续供电控制。通过检测异步电动机运行在不同工况，对异步电动机采用不同的控制方法：当异步电动机处在轻载工况，对异步电动机采用模糊控制；当异步电动机处在重载工况，对异步电动机采用正常供电；当异步电动机处在发电工况，对异步电动机采用断续供电控制。

具体为：

1、每个电源周期检测异步电动机的转速nk，将转速nk分别与同步转速ns、额定转速nn和空转转速n0比较；

2、通过异步电动机的转速nk，判断异步电动机的工作状态，并采用不同的控制方法控制异步电动机；

(21)如果转速nk大于额定转速且小于空载转速，即nn<n<n0，则判断异步电动机处于轻载工况下；

计算转速与额定转速的偏差值δnk＝nk-nn；计算转速与上个周期检测的转速nk-1的变化值δn'k＝nk-nk-1。通过查询模糊控制表得到这个周期关断角增量δδk，其中将关断角增量与上个周期的关断角δk-1相加得到这个周期的关断角δk＝δδk+δk-1，根据得到的关断角改变三相晶闸管调压电路的输出电压，从而调节异步电动机的输入电压；

(22)如果转速nk小于等于额定转速，即nk≤nn，则判断异步电动机处于重载工况下；

当异步电动机转速在额定转速附近时，通过调节三相晶闸管调压电路的关断角为零，使异步电动机的输入电压为正常的工频电压，保证异步电动机在重载下能够正常运行；具体为：

每个电源周期都将三相晶闸管调压电路的关断角δk减小7°，直至关断角δk为零，此时三相晶闸管调压电路的输出电压为标准的三相工频正弦电压，从而控制异步电动机为正常供电；

(23)如果转速nk大于等于转速，即nk≥n0，则判断异步电动机处于发电工况下；

关断三相晶闸管调压电路的驱动信号，使三相晶闸管调压电路的输出电压为零，从而断开异步电动机的输入电压，且将断开供电标志置1；

(24)如果转速nk大于同步转速且小于同步转速的1.05倍，即ns<n<1.05ns，同时检测到断开供电标志置1，则判断异步电动机处于发电工况快结束且已经断开供电；

使用断续供电控制的软投入技术，以线电压ubc峰值点为基准延迟α0，触发晶闸管vt3和vt2导通bc两相，此时异步电动机处于bc两相通电运行状态；当b、c相的电流ib、ic未过零之前，以同一ubc峰值点为基准延迟α1，触发晶闸管vt4导通a相，此时异步电动机处于abc三相通电运行状态；在半个周波内，分别以uab和uca峰值点为基准延迟α1，触发晶闸管vt6和vt5，使c相、b相电流过零关断变为两相通电后，重新变为三相运行，异步电动机在半个周波内经历bc-abc-ab-abc-ca-abc的两相和三相交替通电状态；在下半周波分别以ubc、uab、uca的负峰值点为基准延迟α2，先后触发vt1、vt2、vt3，异步电动机在反相的半个周波内重复经历bc-abc-ab-abc-ca-abc的两相与三相交替通电的状态；每半个周波给定一组新的触发角，重复上述步骤，直到最终的触发角αn使三相晶闸管同时触发导通。设αk＝αk-1-α1/6(k＝2-n)，所以软投入经过5个电源周期后就能恢复正常供电。