朱拾東，張建軍，師俊峰，劉 猛，趙瑞東，舒 勇

（中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083）①

直線電機(jī)抽油泵直接利用直線電機(jī)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抽油桿上下運(yùn)動(dòng)，舉升井下原油，其結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，系統(tǒng)效率高，節(jié)能效果顯著［1－4］。由于直線感應(yīng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)柱塞泵工作，電機(jī)長期運(yùn)行于井下狹小空間，直線電機(jī)尺寸及排量受到限制，沖程長，沖次低，需要對(duì)抽油泵進(jìn)行調(diào)參，在直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的兩極點(diǎn)需要快速響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的快速調(diào)參和快速換向，有必要對(duì)直線電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

直線潛油電泵舉升技術(shù)主要包括直線潛油電機(jī)、井下泵和地面控制系統(tǒng)3部分。

直線潛油電機(jī)由普通平式油管下到設(shè)計(jì)泵深，地面電源通過智能控制柜將交流電變頻后用潛油電纜輸送到井下直線電機(jī)。當(dāng)電流進(jìn)入定子繞組，產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過變頻方式實(shí)現(xiàn)磁極的交變，與永磁動(dòng)子上固定磁場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)永磁動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，從而使懸浮的永磁動(dòng)子帶動(dòng)柱塞限位往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

井下采油泵主要由直線電機(jī)、保護(hù)器和泵本體3部分組成，其裝配關(guān)系如圖1所示［5］。柱塞通過柱塞接頭與直線電機(jī)動(dòng)子相連，直線電機(jī)動(dòng)子和定子為圓筒形。2個(gè)小端蓋安裝在保護(hù)器外管的兩端，套管內(nèi)裝有預(yù)緊彈簧、內(nèi)錐和外錐，并安裝在拉桿上；儲(chǔ)液腔內(nèi)裝有預(yù)緊彈簧；在保護(hù)器外管的內(nèi)部及套管的一端裝有填料、雙向動(dòng)壓軸承、墊片、隔環(huán)等；填料、雙向動(dòng)壓軸承、墊片、隔環(huán)安裝在拉桿上；油管接頭連接在隔膜泵體上，隔膜泵體上裝有單向進(jìn)油閥和單向出油閥，金屬薄膜擠壓在隔膜泵體、波紋管和腔體之間，波紋管固定在腔體上，波紋管、柱塞之間和儲(chǔ)油腔內(nèi)封裝潤滑油，儲(chǔ)液腔內(nèi)裝有氟油；根據(jù)不同作業(yè)要求，可以將砂帽與分離器安裝在油管接頭和隔膜泵體之間；隔膜泵體也可以裝配多個(gè)單向進(jìn)油閥和單向出油閥。采用多個(gè)圓筒直線電機(jī)串聯(lián)時(shí)，需增加扶正器，以提高柱塞的推力，并保證電機(jī)定子位置固定［6－7］。

圖1 新型直線電機(jī)采油泵結(jié)構(gòu)

受井下空間限制，兼顧工作效率與出力要求，直線電機(jī)抽油泵的結(jié)構(gòu)一般采用圓筒形動(dòng)鐵式或動(dòng)磁式中空結(jié)構(gòu)［8］。圖2為直線抽油泵用圓筒形直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)，定子繞組為餅式環(huán)形繞組，同時(shí)設(shè)有霍爾傳感器，動(dòng)子上設(shè)有齒和齒槽。

圖2 圓筒形直線電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了便于分析，不考慮邊端效應(yīng)；忽略鐵芯飽和及溫度對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響；不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗；不考慮溫度等因素對(duì)永磁材料的影響。根據(jù)文獻(xiàn)可推導(dǎo)出直線電機(jī)d－q坐標(biāo)下的電壓和磁鏈方程［9］，其方程如下。

電壓方程為

磁鏈方程為

式中，ψd、ψq為d、q軸磁鏈，Ld、Lq為d、q軸電感；ψf為永磁體等效磁鏈；R為每項(xiàng)繞組電阻；ω為永磁同步直線電機(jī)平移速度折算成的旋轉(zhuǎn)電機(jī)角速度，ω＝（π／τ）v，v為平移速度；τ為磁極中心距。

由式（1）可推導(dǎo)出其推力方程為

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

式中，F(xiàn)e為電磁推力；FL為負(fù)載阻力；Bv為粘性摩擦因數(shù)；m為運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量，m＝mr＋mL；mr為動(dòng)子質(zhì)量；mL為動(dòng)子帶動(dòng)的負(fù)載質(zhì)量。

由式（1）～（4）構(gòu)成了往復(fù)抽油泵直線電機(jī)d－q坐標(biāo)系下的電機(jī)模型。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

經(jīng)典PID控制器離散的控制算法為

式中，u（k）為控制器的輸出信號(hào)；e（k）為控制器的輸入信號(hào)；Kp、Ki、Kd為控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制，由于Kp、Ki、Kd的數(shù)值固定，即使將這3個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)得很好，但還是很難滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。

本文結(jié)合模糊控制和傳統(tǒng)PID控制，采用模糊推力思想，根據(jù)不同的誤差e和誤差率ec對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。該控制由模糊推力部分和常規(guī)PID部分2部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立的速度PID控制機(jī)構(gòu)如圖4所示［9］。

圖4 往復(fù)潛油電泵直線電機(jī)速度PID控制結(jié)構(gòu)

對(duì)于本系統(tǒng)的模糊控制器，選取速度偏差e和ec為輸入語言變量，其語言值的模糊子集為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，并記為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，同樣，對(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行模糊［10－11］。Kp模糊控制規(guī)則如表1所示，其他Ki、Kd省略。

表1 Kp的模糊規(guī)則

4 仿真分析

采用Matlab中的FIS編輯器與Simulink相結(jié)合的方法進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)為：永磁體等效磁鏈ψf＝0.1Wb，動(dòng)子電樞電阻Rs＝1.8Ω，動(dòng)子d－q軸電感Ld＝Lq＝18.2mH，動(dòng)子質(zhì)量m＝30kg，粘性摩擦因數(shù)Bv＝0.2N·s／m，極距τ＝18mm，電流放大倍數(shù)Ki＝600，其效果圖如圖5～7所示。

由圖5可明顯看出，模糊PID控制的超調(diào)量與調(diào)整時(shí)間明顯低于PID控制；由圖6～7可以看出，在不同負(fù)載下PID控制有明顯的影響，而模糊PID其抗干擾性比較強(qiáng)。

圖5 PID與模糊PID控制比較

圖6 模糊PID負(fù)載2kN與20kN時(shí)的比較

圖7 PID控制負(fù)載為2kN與20kN時(shí)的比較

5 結(jié)論

1）通過對(duì)模糊控制與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模糊控制比傳統(tǒng)PID性能好，超調(diào)量小，震蕩較小，控制效果更好。

2）對(duì)往復(fù)潛油電泵控制系統(tǒng)的改進(jìn)有很大的指導(dǎo)作用，為以后的研究奠定了基礎(chǔ)。

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