智能抽油機控制器的研究

高 宇

（沈陽職業技術學院，沈陽 110045）

0 引言

在石油工業中，抽油機電機的電能消耗約占石油領域總電能消耗的40%。因為抽油機的負載轉矩隨著其上下行程而波動，抽油機電機的負載率周期性變化，而且，抽油機電機需要一個大的起動轉矩用于抽油機的操作需求。通常，抽油機電機的平均負載率小于額定值的30%，因此電能浪費相當巨大。

為了節約能源實現自動控制，在本文中重點論述一種抽油機智能控制器。

智能控制器具備如下功能：

1）能夠優化抽油機電機的功率因數和性能，自動調整負載波動的抽油機電機端電壓。

2）抽油機的占空比能夠按照不同油井的不同儲量的實際情況設定。

3）抽油機的停止位置能夠選擇在最接近負載轉矩平均測量點游梁擺動的角度，以便軟啟動器能夠進行再一次的啟動。

4）抽油機電機的超載，丟相及其他故障，能夠被檢測以便于保護電機。

5）抽油機電機能與中控計算機通信，抽油機電機的運行狀態能被中控計算機所監控。

1 抽油機電機負載性和節能原理

如圖1所示，很明顯，抽油機電機負載轉矩在上沖程和下沖程之間有很大的不同。實際上，負載轉矩在不同的油井中特性并不相同，抽油機電機負載轉矩有以下特性：

1）抽油機電機負載轉矩是每分鐘6－12次的

圖1 抽油機電機負載轉矩特性隨時間變化曲線

頻率波動的。

2）平均負載轉矩通常是最大轉矩的1/3在貧油井中會更少。

3）因為經常重載啟動，抽油機電機需要一個啟動轉矩裕量。

由于上述規定和限制，抽油機電機的平均負載率僅僅達到20%，極少的富油井中也不超過30%。抽油機電機的效率和功率因數非常低，因為它們多數時間在低負載條件下運行。

按照抽油機電機的負載轉矩分析，我們能夠制定新的能源節約策略。為了提高效率和功率因數，可以使用可控硅調節電壓的方法。

圖2所示為電壓調整電路示意圖。已知電機參數，功率因數、負載率、晶閘管的觸發角之間的關系，如圖3所示。圖中可以看出，這里有一個最佳觸發角，產生最佳的觸發電壓，以使功率因數達到最大。在不同的負載條件下保持功率因數為常量是不可能的，為了在不同負載轉矩下使功率因數達到最大，我們必須小心控制晶閘管的觸發角。當功率因數增加時，效率也因為定子電流和電壓改善而提高。

一些石油含量較少的老油井，抽油機的占空比可以進行調整，以保持最佳的系統效率和更加節能。

圖2 電壓調整電路示意圖

圖3 功率因數、負載率、晶閘管的觸發角之間的關系

2 智能控制器配置和控制策略

圖4 智能控制器原理框圖

圖4所示為抽油機智能控制器的原理框圖。在主電路中，三組雙向晶閘管和抽油機電機串聯連（如圖2所示）。電機端子電壓能通過晶閘管觸發角進行調整。霍爾電流傳感器用于檢測軟件啟動器和過載保護時的電機電流。

零電壓檢測電路可以檢測每相電壓的過零點，它使用了同步信號觸發電路和缺相保護電路。

顯示電路用于顯示設定值和系統工作狀態。

鍵盤電路用于輸入設定值和系統必須的參數（如：占空比、啟動時間和控制參數等）。

當軟啟動器失效或需要快速啟動時可以通過接觸器直接啟動。

數字觸發電路產生移相觸發脈沖，可以調整抽油機電機終端電壓。

游梁角度測量電路通過旋轉變壓器測量游梁擺角。瞬時負載轉矩可以通過游梁擺角的測量進行估算。

調制解調器用于與中控計算機進行通信，以監控抽油機狀態。

MCS-51單片是抽油機智能控制器的核心，所有保護和控制均由MCS-51單片機執行。

控制策略和智能控制器流程如下：

正常電機軟啟動電流和啟動時間均按設定值進行限定。當電機轉速在限定的啟動時間內不能達到正常值時，電機將由直接啟動電路重新進行啟動。

啟動以后經過幾個行程，抽油機電機按規范運行，游梁擺角和負載轉矩的關系能夠通過自學習算法進行估算。控制參數可能依不同的電機有所不同，并且，控制參數可由輸入電路進行設定，一些應用在石油領域的典型電機的參數可以存在單片機系統中。

按照游梁擺角的測量值，晶閘管的觸發角可以由計算機中的控制方法得出，所以可以獲得不同負載率下的最大功率因數。

電機的工作和停止時間可以按照占空比的設置自動控制。計算機系統可以達到使電機下次啟動僅用最小的負載轉矩而確定游梁停止位置。

計算機系統可以按照定子電流和電機溫度模型估算電機的溫度。當電機溫度超過設定值時，計算機將發出過載報警信號并使保護繼電器動作。

3 仿真結果

為了估算智能控制器的節能效果，我們使用了SIMULINK軟件對系統性能進行了仿真。在仿真中用了一個 8-pole 45 kw油泵電機。平均負載率采用20%，負載波動周期6秒。

因為使用晶閘管調節端電壓，電機的電流和電壓波形為非正統波。為了評估節能效果，一些參數被定義在非正弦波供電條件下。

其中：TL是負載波動周期

T是電壓周期

Mn是額定轉矩

圖5 電機相電壓波形

圖6 電機相電流波形

抽油機電機電壓和電流的仿真波形如圖5和圖6所示，它們的觸發分別是96度。從中可以看出，電機的相電壓和相電流的波形與正弦波區別較大。

不同負載條件下，限制電流在400A以下的軟啟動進程仿真如圖7所示。圖7a 中為定子電流（有效值），它反映了第一種情況，電機在最小負載啟動的情況下，電機轉速和負載轉矩的變化；圖7b反映了第二種情況，電機在最大負載啟動的軟啟動特性。顯然，電機在第一種情況比第二種情況下啟動的更容易、更快。

圖7 啟動電流、電機轉速、負載扭矩

圖8所示為，具有電壓調節和無電壓調節時的抽油機電機功率因數對比。a圖是沒有電壓控制器時的電機功率因數曲線，圖b是使用電壓控制器時的功率因數曲線。由表1可以看出，使用電壓控制器后，油泵電機的平均功率因數從0.33提高到0.47，同時電機電流和輸入的有功功率和無功功率同時減少。

圖8 有無電壓控制器時的功率因數對比

表1 仿真結果

有功功率節能率：

無功功率節能率：

這里，P和Pru分別是有、無電壓控制器時有功功率的平均值。Q和Qru分別是有、無電壓控制器時無功功率的平均值。

4 結論

通過以上的分析和仿真，可以得出如下結論：

1）由于游梁的周期性擺動使負載轉矩發生變化，抽油機電機的功率因數不能獲得預期的動態常數。

2）使用智能控制器可以調節電機的終端電壓，實現最佳功率因數和最有效的控制。

3）這種新型的控制功率因數和節能的控制策略，是通過檢測游梁擺角來確定瞬時負荷。

4）系統仿真顯示，在使用智能控制器的情況下，無功和有功功率的節能率大約是37%和3.7%。

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