李付龍　盧正通（山東科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院）

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷模擬仿真優(yōu)選技術(shù)研究

李付龍盧正通（山東科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院）

根據(jù)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷的工況，建立了異步電動(dòng)機(jī)仿真模型，采用PID算法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)扭矩使電動(dòng)機(jī)優(yōu)化運(yùn)行，通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)建模的特例對(duì)常用四種電動(dòng)機(jī)的恒功率和恒扭矩動(dòng)態(tài)載荷能耗情況進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：在含少量倒發(fā)電的正常油井工況下，永磁電動(dòng)機(jī)在功率因數(shù)上有明顯的優(yōu)勢(shì)，而開(kāi)關(guān)磁阻和高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)具有更高的效率及性能。該仿真控制模型驗(yàn)證了抽油機(jī)動(dòng)態(tài)載荷的電動(dòng)機(jī)性能，為油井電動(dòng)機(jī)的優(yōu)選與改造提供了依據(jù)。

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷仿真實(shí)驗(yàn)研究

在油田生產(chǎn)過(guò)程中，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)是油田主要的電力拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備，由于抽油機(jī)的載荷周期劇烈波動(dòng)，在分析和計(jì)量時(shí)較為復(fù)雜，這種工況給油井電力系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)功耗匹配帶來(lái)了困難，甚至抽油機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)倒發(fā)電狀況［1］，針對(duì)同樣工況的油井選擇更合適的電動(dòng)機(jī)才是節(jié)能的關(guān)鍵。

1　抽油機(jī)工況模型

油田生產(chǎn)中以游梁式抽油機(jī)為主，從功能上包含原動(dòng)機(jī)、減速器和抽油機(jī)主體三部分。這里主要分析抽油機(jī)主體模型來(lái)體現(xiàn)抽油機(jī)工況特性［2］。

游梁式抽油機(jī)主體為四連桿機(jī)構(gòu)［3］，如圖1所示。圖中F為曲柄銷所受的連桿拉力，P為懸點(diǎn)載荷，抽油過(guò)程中減速器輸出軸的扭矩Tro等于曲柄半徑r與作用在曲柄銷處的切線力T的乘積，即

Tro=rT（1）

只要確定出曲柄銷處的切線力T就可算出曲柄軸扭矩Tro。將平衡塊重折算到曲柄半徑r處的平衡重，可得：

式中：Wcb為曲柄平衡塊總重；Wc為曲柄重；R為曲柄平衡半徑； Rc為曲柄重心半徑。對(duì)曲柄軸中心o′取力矩平衡，可得：

Tr+Wc′rsinφ=Frsinα（3）

由式（1）～（3）可得曲柄平衡游梁式抽油機(jī)的曲柄軸扭矩為

公式的第一項(xiàng)表示懸點(diǎn)載荷P在曲柄上造成的扭矩MP，稱為油井負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，即

第二項(xiàng)表示曲柄及其平衡重在曲柄軸上造成的扭矩Mc，稱為曲柄平衡扭矩，即Mc=Wc

'rsinφ（6）

式（4）可寫(xiě)成 Mcr=MP+Mc，所以直接調(diào)用油井負(fù)荷扭矩和曲柄平衡扭矩即可構(gòu)建四連桿數(shù)學(xué)模型。

圖1　抽油機(jī)四連桿

2　電動(dòng)機(jī)模型與PID調(diào)節(jié)原理

對(duì)于一個(gè)特定工況下的抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)，設(shè)給定扭矩和實(shí)際扭矩分別為T和T1，兩者的偏差量為e（t）=T-T1，e（t）經(jīng)過(guò)PID控制器的控制算法調(diào)整后輸出信號(hào)至電動(dòng)機(jī)的測(cè)量模塊，改善輸出性能（見(jiàn)圖2）。

圖2　PID控制圖

PID控制器主要是依據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，假設(shè)輸入為e（t），用公式表示：

以下分析理想異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型［4］，下標(biāo)α、β分別代表α、β軸分量，下標(biāo)s、r代表定子和轉(zhuǎn)子上的量；Te、T1分別為電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度； Msr為定轉(zhuǎn)子互感；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

電壓方程：

電磁扭矩方程：Te=npMsr（isβisα-isαisβ）

運(yùn)動(dòng)方程：

3/2相電壓變換：

2/3相電壓變換：

3　建模仿真驗(yàn)證

了解電動(dòng)機(jī)的所有額定參數(shù)就可以仿真抽油機(jī)的工況，電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)得到。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的扭矩為0時(shí)，即可得到電動(dòng)機(jī)的空載特性。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)公式搭建異步電動(dòng)機(jī)仿真模型，其內(nèi)置的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換模塊、異步電動(dòng)機(jī)測(cè)量模塊。此外還有構(gòu)建的PID控制模塊、抽油機(jī)特定工況扭矩加載模塊T、定子側(cè)有功測(cè)量模塊以及功率因數(shù)和效率計(jì)算模塊，見(jiàn)圖3。

其中加載扭矩模塊T是抽油機(jī)特定工況的S函數(shù)，factor是根據(jù)有功與無(wú)功的關(guān)系編寫(xiě)的功率因數(shù) S函數(shù)，有。效率模塊η=P2/P1，輸出功率P2=T×n/9.55。

圖3　仿真模型

將異步電動(dòng)機(jī)替換為永磁電動(dòng)機(jī)、高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，為對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)仿真模型，異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YX280M-12，永磁電動(dòng)機(jī)型號(hào)為TYC280M-16，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YCCH250-8，定子為Y型接法，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)型號(hào)為KCT250M-10。經(jīng)過(guò)調(diào)試PID參數(shù)分別為Kp=0.03，Ti=20，Kd=1。見(jiàn)表1。

表1　電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖4、圖5、圖6、圖7為輸入功率保持一致時(shí)的仿真結(jié)果。

圖4　輸入功率與扭矩的關(guān)系

圖5　輸入功率與定子電流的關(guān)系

仿真結(jié)果表明，在給定加載扭矩經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后曲線性能沒(méi)有較大的改善，載荷依然周期劇烈波動(dòng)。在功率保持一致的情況下，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)除了功率因數(shù)比永磁電動(dòng)機(jī)差些，其余參數(shù)都有很大的優(yōu)勢(shì)，例如電動(dòng)機(jī)效率是最高的（表2）。在保持電動(dòng)機(jī)扭矩一致的情況下，同樣的工況高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)的效率最高，電動(dòng)機(jī)的輸入輸出性能最好（表3）。

圖6　輸入功率與功率因數(shù)的關(guān)系

圖7　輸入功率與效率的關(guān)系

表2　輸入功率一致仿真結(jié)果平均值

表3　扭矩一致仿真結(jié)果平均值

4　結(jié)論

針對(duì)同樣的油井抽油機(jī)工況，建模仿真分析輸入功率一致和輸出扭矩一致時(shí)的電動(dòng)機(jī)性能，仿真結(jié)果表明，在含有少量倒發(fā)電的正常井工況下，永磁電動(dòng)機(jī)在功率因數(shù)上更具有優(yōu)勢(shì)，高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在效率方面更具有推廣使用的價(jià)值，特別是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的效率一致保持在高位，為油田拖動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)節(jié)能優(yōu)選提供了重要參考依據(jù)。

［1］孫明施.基于MTALAB的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真［J］.中小型電動(dòng)機(jī)，1999，26（4）：30-31.

［2］宋邵樓，丁永峰，范永峰.三相異步電動(dòng)機(jī)的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21（7）：119-122.

［3］尹君馳，劉克毅.基于MATLAB的PID控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)［J］.電子測(cè)試，2014（3）：61-63.

［4］賈立輝，鄭申白，張榮華.模糊PID控制的異步電機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)仿真［J］.微特電機(jī)，2008（7）：47-49.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.005

2015-01-09）

李付龍，碩士研究生，就讀于山東科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：1060329435@ 163.com，地址：山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號(hào)，266590。