新风光电子 直线电机抽油机专用变频器的应用

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 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 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。