抽油机驱动用SRM的节能与振动抑制研究

发布时间：2017-03-27 23:04

  本文关键词：抽油机驱动用SRM的节能与振动抑制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着石油能源的日益减少和节能意识的逐步增强,提高抽油机工作效率和降低电能损耗是油田开采的发展趋势,抽油机与驱动电机的合理匹配是降低油田开采成本的有效措施之一。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)具有起动电流小、起动力矩大、功率因数高、结构牢固简单、易于调速等优点,适合用作抽油机驱动电机,越来越多的应用在油田开采场合。本文以游梁式抽油机用SR电机驱动系统为研究对象,介绍了游梁式抽油机的力矩特性和SR电机的电磁特性、力矩特性及控制特点,建立了游梁式抽油机与SR电机的耦合模型,制定了SR电机软起动策略,提出了一种无需外置传感器的抽油机负载转矩切换点检测方式,并在此基础上制定了分段式PI双闭环控制策略,当抽油机力矩处于不同分区时给予不同的PI参数和通电逻辑,使SR电机输出力矩能够很好的跟随抽油机负载力矩,在保证抽油机稳定运行的同时提高系统工作效率和节能效果。使用有限元分析软件FEMM对额定功率为11kW、额定电压为514V、额定转速为750r/min的SR样机进行了电磁场分析计算,得到了磁链-转子位置-电流-力矩的对应关系表格,在此基础上利用MATLAB/simulink软件对抽油机用SR电机驱动系统进行了建模和仿真,仿真结果显示,使用本文提出的系统控制策略时SR电机能够很好的和抽油机匹配,起动电流较小,电机转速稳定在命令值,电流能够实时跟随抽油机力矩变化,间接的提高了抽油机工作效率和节能性、降低了油田开采成本。为了提高SR电机使用寿命,本文对SR电机振动及电磁噪声抑制问题进行了研究,分析了振动及电磁噪声来源,进行了径向力解析计算,提出了利用换相期间处于电感下降区的相邻绕组来补偿径向力的DIFC控制策略,并利用Simulink对DIFC控制策略进行了建模和仿真,仿真结果验证了DIFC控制策略抑制SR电机振动的可行性。根据本文提出的系统控制策略分别进行了抽油机用SR电机驱动系统的硬件电路设计和软件编程设计,选用SR电机样机和型号为CYJ3-2.1-13HF的游梁式抽油机为对象进行了实验,实验结果显示,使用加制动通电逻辑的分段式PI双闭环控制策略时抽油机能够稳定工作,SR电机起动电流较小且体现出良好的转速响应；通过同样功率的SR电机与三相异步电机实验数据的对比可以看出,SR电机驱动系统具有较高的工作效率和显著的节能效果。
【关键词】：游梁式抽油机 SR电机 节能 振动抑制
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE933.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 课题的研究背景及研究意义9-10
• 1.2 抽油机用驱动电机的应用现状与发展趋势10-11
• 1.3 SR电机驱动系统在抽油机领域的研究现状11-13
• 1.4 本文的主要内容13-14
• 2 抽油机用SR电机驱动系统的控制策略及仿真14-41
• 2.1 游梁式抽油机的结构模型及扭矩特性14-16
• 2.2 SR电机结构模型及电磁转矩特性16-25
• 2.2.1 开关磁阻电机结构模型16-18
• 2.2.2 SR电机电磁转矩特性18-22
• 2.2.3 SR电机电磁场计算分析22-25
• 2.3 抽油机与SR电机的耦合模型25-26
• 2.4 抽油机用SR电机驱动系统控制策略26-31
• 2.4.1 系统匀加速起动策略26-27
• 2.4.2 抽油机负载转矩切换点检测策略27-29
• 2.4.3 分段式PI闭环控制策略29-31
• 2.5 基于Simulink的系统建模及仿真31-40
• 2.5.1 SR电机本体模型的建立32
• 2.5.2 抽油机力矩模型的建立32-33
• 2.5.3 电机转速计算及位置信号模型的建立33-34
• 2.5.4 转速环PI控制模型的建立34
• 2.5.5 电流环PI控制模型的建立34-35
• 2.5.6 PWM模型的建立35-36
• 2.5.7 功率变换器模型的建立36-37
• 2.5.8 仿真结果分析37-40
• 2.6 本章小结40-41
• 3 抽油机驱动用SR电机的振动与噪声抑制41-53
• 3.1 SR电机振动与电磁噪声来源41-43
• 3.2 SR电机定子振动模态分析43-44
• 3.3 径向力的解析计算44-46
• 3.4 基于径向力补偿的DIFC策略及仿真46-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 抽油机用SR电机驱动系统设计53-65
• 4.1 系统硬件设计53-59
• 4.1.1 功率变换器电路设计53-54
• 4.1.2 控制系统供电电路设计54-56
• 4.1.3 驱动电路设计56-57
• 4.1.4 信号采样电路设计57-58
• 4.1.5 保护电路设计58-59
• 4.2 系统软件设计59-64
• 4.2.1 主程序及其系统初始化59-60
• 4.2.2 转速计算及转子位置量化程序60-61
• 4.2.3 匀加速软起动程序61
• 4.2.4 抽油机负载转矩切换点检测程序61-62
• 4.2.5 基于分段式PI调节的双闭环控制程序62-63
• 4.2.6 故障保护程序63-64
• 4.3 本章小结64-65
• 5 抽油机用SR电机驱动系统实验分析65-70
• 5.1 实验平台介绍65-66
• 5.2 测试结果及分析66-69
• 5.2.1 转速响应66-67
• 5.2.2 电流波形67-69
• 5.2.3 SR电机与异步电机对比实验69
• 5.3 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75-76

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