抽油机直驱用低速大转矩永磁电机及其控制系统研究

论文摘要

石油是人类赖以生存的能源之一,对于进入开发的中后期油井,大多为低液井、稠油井,需要开采设备满足长冲程、低冲次,传统的采油方式都无法满足这样的要求。大部分的抽油机因为有减速机,使系统整体存在传动效率低与电机工作效率低两方面问题,而从驱动控制等方面都无法从根本上解决这些问题。只有使用无减速机的直驱结构,并且将电机做成低速大转矩永磁同步电机,才能从根本上解决传动效率低、电机耗电量大的问题。本文结合低速大转矩的传动特点,对低速大转矩永磁同步电动机的设计特点和方法进行研究。分析低速传动中产生转矩脉动的原因,并探讨采用分数槽绕组、合理设计极弧系数以及斜槽等削弱转矩脉动方法的有效性。用仿真软件分析电机的磁场分布、气隙磁密波形以及纹波转矩等。结合样机的实验结果,说明本文提出的低速大转矩永磁同步电动机的设计方法以及转矩脉动消除方法的有效性。通过对油田采油的实际工况及直驱结构运行特点的分析,在结合永磁同步电动机数学模型的基础上,设计出针对直驱低速大转矩永磁电机的配套控制系,采用高性能可编程变频器,取消PLC等控制元件。通过实验调试,对控制方案进行了优化,并应用于全平衡式抽油机。根据直驱螺杆泵工作特点采用无传感器矢量控制原理,减少了机械减速器和皮带减速器,增加了反转制动机构,可实现带电停机、断电制动的功能,降低系统控制复杂程度。对系统停机过程进了分析,通过实践的验证,设计方法简单可行、易于操作。最后经过样机制作与控制系统的安装调试。实现了长冲程、低冲次的控制功能,提高机械结构的传动效率以及电机的工作效率,大大降低了电能消耗,实现了科学、有效地开采地下原油,达到节能降耗、可持续的开发自然资源的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义及背景
• 1.2 石油开采技术发展现状
• 1.2.1 游梁式抽油机采油技术发展现状
• 1.2.2 螺杆泵采油技术发展现状
• 1.3 直驱结构与低速大转矩永磁电机介绍
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第二章 低速大转矩永磁同步电动机设计
• 2.1 低速大转矩永磁同步电动机概述
• 2.2 低速大转矩永磁电机的设计方法
• 2.2.1 电磁负荷的选择
• 2.2.2 定子冲片的设计
• 2.2.3 转子磁路结构设计
• 2.2.4 电枢绕组设计
• 2.2.5 电磁方案与工作特性
• 2.3 谐波分析及消除方法
• 2.4 磁场分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 卷扬平衡抽油机控制系统研究
• 3.1 抽油机直驱结构分析
• 3.1.1 卷扬平衡机械结构介绍
• 3.1.2 卷扬平衡结构工况分析
• 3.2 低速大转矩永磁电机传动特点
• 3.3 控制方案设计
• 3.3.1 控制原理设计
• 3.3.2 元件选择
• 3.4 系统安装与调试
• 3.5 全平衡式抽油机应用
• 3.6 系统抗干扰分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 直驱螺杆泵抽油机控制系统研究
• 4.1 无传感器矢量控制问题研究
• 4.1.1 永磁电机数学模型
• 4.1.2 无传感器矢量控制应用
• 4.2 控制系统设计
• 4.2.1 控制原理设计
• 4.2.2 停车制动问题研究
• 4.3 系统安装与测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢