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新风光电子 直线电机抽油机专用变频器的应用

--山东风光电子有限责任公司 李瑞来 山东大学 韩文昭

供稿:新风光电子科技股份有限公司 2003/5/21 23:57:00

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摘要:本文描述了当直线感应电动机用到油田抽油机上时,其驱动装置----变频器应具备怎么样的特性。对设计、制造这种变频器的一些技术关键性问题进行了讨论。样机正在油田试运行,变频器运转良好。引言
我们是研究和制造变频器的专业公司,产品主要为交流异步感应电动机服务,这儿指的电动机是旋转式的。去年接到客户订单,要求研制直线电机专用变频器。为此只好学习一些直线电机的基本知识。直线电机的发展有一百多年的历史,实用阶段是近30~40年的事,如今美、英、日、德等发达国家的直线类电机的应用范围已经相当广泛,我国还处在起步阶段。过去直线电机主要用在控制领域的执行机构上,功率很小。由于直线类电机的应用前景相当好,所以目前这方面的研究十分活跃,在性能上、功率上都有了很大进展。我们很愿意为直线感应式电动机研发适用的交流调速变频器。
一、 直线电机的特点及对变频器的要求
油田的油井在停止自喷之后,还要用抽油机继续开采。目前各国的油田大都采用游梁式抽油机开采,这类设备十分笨重(自重数十吨)、体积庞大,安装调试困难,耗能高、冲程短,不适应采油工业的发展。在科学技术高度发达的今天,各种能耗低、体积小、重量轻的新型抽油机相继问世。直线电机抽油机是其中很有前途的一种,其结构示意图如图1.所示。

图1.直线电机抽油机结构示意图
图1.直线电机抽油机结构示意图

它结构紧凑、重量轻、体积小。动子(相当旋转电机的转子)是直线往复运动,通过柔性连接件、钢丝绳导向轮直接与抽油杆连接。动子的运动与抽油泵柱塞上下运动完全一致,其生产成本低、运行效率高、维护费用小是不难理解的。
它的冲程长度、上冲行程时间、下冲行程时间、分别连续可调,能很方便地实现:上快下慢、上慢下快、上下行程同速的三种作业方式。
这种电机对为它供电的变频器有何要求呢?
以下是客户要求的660伏22KW变频器的技术指标。
1.频率范围:0.2~9.6Hz,连续可调
2.启动频率0.2 Hz,启动电压Vdc在0~300V之间连续可调。
3.u/f曲线如图2所示。其额定频率f。是对应于额定输出电压V。的频率,要求V。、f。均能任意设置。
图2
图2 u/f曲线

4.电机动子的一般运行规律如图3所示,


其中t1、t2、t3、t4、f1、f2要求可调。
t的单位小于秒,f的单位为0.1H乙。
5.三相输出电压,额定值为660V,容量22KW。
6.动子运动时频繁换向,要求换向平稳、无撞击现象。
二、660V、22KW专用变频器的研制
电路结构与我公司生产的380V级通用变频器相同,其中变频器中的功率开关器件是德国西门子的1700V、150A双单元模块,控制电路中的单片机是87C196MC。
电路方快如图4所示。各部分的原理和功能本文不再赘述,下面重点介绍如何用软件实现前面那些特殊要求。

1.动子换向
在旋转电机中,转子正、反转换向是用任意两相互换实现的,这里要求换向平稳就不能再用此法,而是用状态记忆法来实现,此法保证换向前后状态无变化。
2.低频运行平稳的实现
在本设计中用两个载波频率对应低频段和高频段。
当工作频率在2Hz以下是载波频率为1.8KHz,
当工作频率在2Hz以上时载波频率为3.6KHz。
3.直流制动
为了保证动子运动在任何位置时都能停机而不会滑动,用软件实现直流制动,即给定子供直流电,把动子吸在所要求的位置。
4.启动电压0~300V任意调整
启动电压的调整用改变PWM波的初始调制度来实现。
三、实际运行情况
本产品在华北油田试运行良好。
1.电压范围、功率、频率范围及各项指标均满足设计要求,客户满意。
2.低频运行平稳、换向平稳,这是这类电机最特殊的要求,也是最难实现的要求。出厂前用示波器检查低频波形,换向时的波形,波形均为良好正弦,现场实际运行时电机运行平稳,未发生过失步现象,失步是用户最怕发生的现象,由于良好的软件设计,确实满足了换向时状态不变的要求,因而失步得以避免。
3.启动平稳、停机可靠
4.时间的分辨率为0.1S,频率分辨率为0.01Hz,都远高于客户方的要求。
5.节能在15%左右。目前属试运行,正常运行还有更大的节能空间。
直线电机的性能还有很多需要改进的地方,例如如何提高功率等问题,直线电机用到抽油机上,有技术上完善的问题,也有被油田认可的时间问题,单就直线电机对变频器的基本要求来看,完全可以得到满足,当然需要完善的地方也还很多。

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