一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置，包括DSP控制器、FPGA邏輯信號處理器、MCU控制顯示面板、邏輯變換電路、驅動器、功率變換電路、開關磁阻電機、抽油機、采樣電路、旋轉編碼器、編碼信號處理電路和流量檢測器。該裝置將抽油機流量、開關磁阻電機及控制裝置視為一個完整系統，進行整體設計，參數調整，可以使控制對象開關磁阻電機的工況隨抽油機流量的變化而變化，及時調節轉速，改變抽油機的沖次，實現基于流量和沖次的閉環控制，提高抽油機工作效率，節約電能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于油田抽油機電氣傳動及控制設備，特別是涉及一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置。
技術介紹
目前，在石油開采過程中，抽油機的動力主要采用以下兩種方案：一是交流異步電動機，電機工作效率低，在控制方法上，沒有采用機井出油流量-沖次閉環控制，電機的工作狀況與機井流量無關，長期全速運行能量損耗大；二是采用單片機作為控制器對抽油機用開關磁電機進行控制，但控制精度和效率低，無法精確實時檢測抽油機工況和機井流量的實際工況，直接影響經濟效益和設備壽命。
技術實現思路
針對以上不足，本專利技術的目的是提供一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置，該裝置采用DSP控制器，可以使控制對象-開關磁阻電機的工況實時隨抽油機流量的變化而變化，及時調節轉速，改變抽油機的沖次，使抽油機控制系統更加精準，更加高效節能，功能更加強大，可靠性更高。實現本專利技術目的采用的技術方案是：高效節能的抽油機控制裝置包括：一DSP控制器，用以存儲抽油機轉矩曲線數據和相關計算，采集流量、電壓電流和轉速信息，產生控制開關磁阻電機電壓、電流、轉速、轉矩以及開通角開通角θon和關斷角θoff的驅動信號；一與DSP控制器電連接的FPGA邏輯信號處理器，用以對控制信號、故障信號、通訊信號等進行邏輯處理，同時對相關信號進行數字信號濾波；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的MCU控制顯示面板，用以對整機進行面板控制以及與DSP控制器進行相關的數據交互，同時將整個設備的關鍵數據顯示在顯示屏上；一與DSP控制器電連接的采樣電路，用以采集功率變換電路和開關磁阻電機的電壓、電流、溫度信號，以及通過流量檢測器檢測到的抽油機的流量信號；一流量檢測器，安裝在抽油機進油管上并與采樣電路電連接，用以檢測抽油機井石油流量；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的邏輯變換電路，將從采樣電路和驅動電路等傳來的信號進行邏輯處理，變成FPGA邏輯信號處理器能夠識別的數字信號，用于對整個系統運行的故障和狀態采集；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的驅動器，用以將從DSP控制器輸出經過FPGA邏輯信號處理器處理的PWM脈沖變成滿足功率器件驅動要求的脈沖；一與驅動器電連接的功率變換電路，用以將驅動器的脈沖進行功率放大，以便驅動開關磁阻電機；一與功率變換電路電連接的開關磁阻電機，用以將電能轉換為機械能；一抽油機：在開關磁阻電機拖動下抽取井下石油；旋轉編碼器：其輸入端與開關磁阻電機電連接，輸出端與編碼信號處理電路電連接，用以產生位置脈沖，此脈沖作為控制開關磁阻電機時的開通角θon和關斷角θoff同步脈沖，同時通過些脈沖檢測開關磁阻電機的運行速度進行速度閉環；一與旋轉編碼器電連接的編碼信號處理電路，用以處理旋轉編碼器發出的編碼信號，并將處理后的信號傳遞給FPGA邏輯信號處理器。本專利技術還可以在上述技術方案的基礎上，增加了外部數據交互電路，整個系統同外部設備進行數據傳輸通過外部數據交互電路實現，外部數據交互電路與MCU控制顯示面板電連接，當MCU控制顯示面板對整個系統的數據采集和統計完成之后，可以通過外部數據交互電路將數據傳輸到計算機或云端進行數據統合統計和處理，從而實現對整個油田所有設備的監控。本專利技術的優點和積極效果在實際應用中充分體現在：1.將抽油機流量、開關磁阻電機及控制裝置視為一個完整系統，進行整體設計，參數調整，實現基于流量——沖次的閉環控制，達到系統工況隨機井流量變化而變化，提高抽油機工作效率，節約電能。2.開關磁阻電機在全速下，通過對電壓、電流、速度以及石油的流量的信號采集，計算出最優的電流、速度給定值以及最優開通角θon和關斷角θoff給定值，通過閉環控制獲取最大平均轉矩，提高開關磁阻電機的帶負載能力，充分利用輸入電能。3.DSP控制器根據開關磁阻電機的電流和速度反饋調節開通角θon和關斷角θoff，轉速增加，電流變大，負載功率變大，開通角θon就提前，反之則延后。由于關斷角θoff對系統功率和轉速影響有限，所以針對關斷角θoff我們僅僅只做一些微調。4.該控制裝置通過開關磁阻電機的轉子信號組成速度負反饋控制，采集的流量信號經DSP控制器線性處理后作為系統的速度給定信號，通過開關磁阻電機的相電流組成電流負反饋控制，使整個系統形成一個完整的閉環，提高傳動系統的機械特性，有益于提高系統效率。以下結合附圖進一步說明本專利技術的技術方案。附圖說明圖1是本專利技術的原理框圖。圖2是本專利技術中采樣電路圖。圖3是本專利技術中邏輯變換電路圖。圖4是本專利技術中驅動電路圖。圖5是本專利技術中開關磁阻電機的功率變換電路圖。圖6是本專利技術中系統控制框圖。圖7是本專利技術低速和低功率運行時的功率器件(如IGBT)驅動脈沖波形圖。圖8是本專利技術高速和高功率運行時的功率器件(如IGBT)驅動脈沖波形圖。具體實施方式本專利技術裝置是基于流量——沖次閉環抽油機SR電動機控制系統。它的實現方法很多，模擬的和數字的都能實現，現針對四相12/8極的開關磁阻電動機為控制對象，用一個數字控制的實施例來說明。如圖1所示，本裝置包括DSP控制器1、采樣電路2、流量檢測器3、邏輯變換電路4、MCU控制顯示面板5、FPGA邏輯信號處理器6、驅動器7、功率變換電路8、開關磁阻電機9、抽油機10、外部數據交互設備11、編碼信號處理電路12和旋轉編碼器13。DSP控制器1用以存儲抽油機控制參數和進行相關計算，DSP選用C2000系列數字信號處理器的TMS320F28335，它是一個由數字部件和模擬部件混合的微型控制器，Harvard結構內核，有4M×16位的程序存儲空間和4M×16數據存儲空間，片上有256K×16位的FLASH，頻率可用到150MHz；16路AD采樣通道，12路ePWM輸出，6路32位Ecap/eQEP輸入，6個DMA通道，1個I2C，3個SCI，3個SPI，2個Ecan。因此，選用該DSP可以很好的完成位置、轉速、流量檢測和轉速電流的閉環控制。在AD采樣通道中，ADCINA0、ADCINA1、ADCINA2采集開關磁阻電機9的相電流，ADCINA3采集功率變換電路8的輸入母線電壓，ADCINA4采集功率變換電路8的功率管的溫度信號，ADCINA5采集開關磁阻電機9內部線包的溫度信號，ADCINA6采集抽油機的流量信號。ePWM控制輸出口由Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B提供，用于驅動功率變換電路8以實現對開關磁阻電機9的控制。Ecap/eQEP編碼信號采集通道主要由ECAP1、ECAP2、ECAP3提供，用于采集開關磁阻電機9轉子位置和速度信號。DMA通道用來對AD采集和通訊進行硬件信號處理，以加快數據的處理速度。其余通訊接口的所有接口都和FPGA邏輯信號處理器相連接，以實現對外圍通訊以及存儲接口的連接，進而進行數據存儲和數據通訊。在抽油機上沖次階段，DSP控制器1控制開關磁阻電機9工作在電動狀態，向抽油機提供上升動能；在下沖次階段，DSP控制器1控制開關磁阻電機9工作在制動狀態，將抽油機上降的勢能轉化為電動回饋到母線中。FPGA邏輯信號處理器6與DSP控制器1電連接，用以對控制信號、故障信號、通訊信號等進行邏輯處理，同時對相關信號進行數字信號濾波。選用CycloneIII系列邏輯芯片EP3C10F256C本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置，其特征在于包括：一DSP控制器，用以存儲抽油機轉矩曲線數據和相關計算，采集流量、電壓電流和轉速信息，產生控制開關磁阻電機電壓、電流、轉速、轉矩以及開通角開通角θon和關斷角θoff的驅動信號；一與DSP控制器電連接的FPGA邏輯信號處理器，用以對控制信號、故障信號、通訊信號等進行邏輯處理，同時對相關信號進行數字信號濾波；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的MCU控制顯示面板，用以對整機進行面板控制以及與DSP控制器進行相關的數據交互，同時將整個設備的關鍵數據顯示在顯示屏上；一與DSP控制器電連接的采樣電路，用以采集功率變換電路和開關磁阻電機的電壓、電流、溫度信號，以及通過流量檢測器檢測到的抽油機的流量信號；一流量檢測器，安裝在抽油機進油管上并與采樣電路電連接，用以檢測抽油機井石油流量；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的邏輯變換電路，將從采樣電路和驅動電路等傳來的信號進行邏輯處理，變成FPGA邏輯信號處理器能夠識別的數字信號，用于對整個系統運行的故障和狀態采集；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的驅動器，用以將從DSP控制器輸出經過FPGA邏輯信號處理器處理的PWM脈沖變成滿足功率器件驅動要求的脈沖；一與驅動器電連接的功率變換電路，用以將驅動器的脈沖進行功率放大，以便驅動開關磁阻電機；一與功率變換電路電連接的開關磁阻電機，用以將電能轉換為機械能；一抽油機：在開關磁阻電機拖動下抽取井下石油；旋轉編碼器：其輸入端與開關磁阻電機電連接，輸出端與編碼信號處理電路電連接，用以產生位置脈沖，此脈沖作為控制開關磁阻電機時的開通角θon和關斷角θoff同步脈沖，同時通過些脈沖檢測開關磁阻電機的運行速度進行速度閉環；一與旋轉編碼器電連接的編碼信號處理電路，用以處理旋轉編碼器發出的編碼信號，并將處理后的信號傳遞給FPGA邏輯信號處理器。...

【技術特征摘要】
1.一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置，其特征在于包括：一DSP控制器，用以存儲抽油機轉矩曲線數據和相關計算，采集流量、電壓電流和轉速信息，產生控制開關磁阻電機電壓、電流、轉速、轉矩以及開通角開通角θon和關斷角θoff的驅動信號；一與DSP控制器電連接的FPGA邏輯信號處理器，用以對控制信號、故障信號、通訊信號等進行邏輯處理，同時對相關信號進行數字信號濾波；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的MCU控制顯示面板，用以對整機進行面板控制以及與DSP控制器進行相關的數據交互，同時將整個設備的關鍵數據顯示在顯示屏上；一與DSP控制器電連接的采樣電路，用以采集功率變換電路和開關磁阻電機的電壓、電流、溫度信號，以及通過流量檢測器檢測到的抽油機的流量信號；一流量檢測器，安裝在抽油機進油管上并與采樣電路電連接，用以檢測抽油機井石油流量；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的邏輯變換電路，將從采樣電路和驅動電路等傳來的信號進行邏輯處理，變成FPGA邏輯信號處理器能夠識別的數字信號，用于對整個系統運行的故障和狀態采集；一與FPGA邏輯信號處理器電連接的驅...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林軍木，羅強，李紅偉，
申請(專利權)人：成都署信科技有限公司，
類型：發明
國別省市：四川;51