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调压式抽油机节能控制器的研究

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资料介绍

本文针对游梁式抽油机在轻载和重载两种不同工况下,电机实际功率变化明显等问题,提出了功率因子、控制角和滞留角之间的约束关系模型,并提出基于数据点的自动滑动调节控制方法.设计了基于自学习算法调压式抽油机节能控制器.该设计采用双向晶闸管控制的三相交流调压技术,检测采集到的电机电压与电流之间的随动相位差信号,通过分析和自学习算法处理采集的信号之后,调节晶闸管控制角变化方向和大小,以改变电机的有效工作电压,从而达到节能增效的目的.测试结果表明,安装该节能控制器的电机平均有功损耗降低14.95％,平均无功损耗降低30.42％.

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第4期

2013年4月

子

学

V01．41 No．4

ACTA ELEl：TRONICA SINICA

2013

hpr．

式抽油机能控制器的研究

黄永平，郭，金玉善

(吉林大学算机科学-q技学院，吉林春130012)

摘要：

本文

游梁式抽油机在

束关系模型，并提出基于数据点的自

采用双向晶管控制的三相交流

和重两种不同工况下，

机

功率化明

控制方法．

等

，提出了功率因

了基于自学算法

流之的随

机的有效工作

子、控制角和滞留角之

式抽油机能控制器．

的

滑

技

，

采集到的

机

与

相

位差信号，通分析和自学算法理采集的信号之后，

，从而达到能增效的目的．果表明，安装

晶管控制角化方向和大小，以改

能控制器的机平均有功耗降低14．95％，平均无功

耗

降低30．42％．

关

：

算法；能；控制器；

号：TP399

速；

机

中

分

文献

：

文章号：0372— 21 12(2m3)04-0828— 05

子学 URL：http：／／www．ejournal．org．cn

DOI：10．3969／j．issn．0372— 2112．2013．04．034

Research on

Controller of

Yu— shah

Unit

Pumping

Voltage

Energy

Saving

Regulating

HUANG

Kai，JIN

Yong-ping，GUO

Science and

(College ofComputer

Technology，Jilin University，c^Ⅱ，蝌∽，Jilin 130012，Ch／na)

P止xstmct：To solve the

units motor

constraint relational

of unit is

mode of

pumping

energy consumption problem，a

power factor，con—

trol

and

automatic control method ale

current

based on self-learn-

angle

delay angle，and

proposed．Controller

pumping

designed

the

between and cur—

voltage

ing algorithm．The design adopts

technology，samples

the

the direction and size of

signal

angle

voltage adjusting

phase

the

with

control

rent，analyzes

signal

self— learning algonthrn，adjusts

thyristor

angle

change working

as to save

that

results show

motor

effective

loss dgcreases

power by

voltage

motor，so

energy efficiently．Testing

average

none effective

loss decreases 30．42％．

14．95％．average

power

control；motor

Key words：algorithm；energy saving；controller；frequency

格比

昂

，因此无法在油田作上得到广泛的

1引言

用-4，引．另一部分采用断

油机上冲程的候，控制器出控制信号，接通

行供；当游梁式抽油机下冲程的候，控制器出切

源的信号．能装置在一定程度上

能，但种断机供的方法，可能会在供、断

机、害L6，7j．

供

能装置，当游梁式抽

在我国，用抽油法开采的石油井数在生

中占90％以上ll J．在石油开采程中，国内外用最

广泛的抽油是游梁式抽油机．游梁式抽油机具有

、可靠性高、适工况条件好等点，但其使用

井

数

源

断

种

了

构

程中存在功率因数低、效率不高、用成本高、

率普

的瞬

生冲

，

路生

遍偏低的弱点．据

能消耗，而游梁式抽油机消耗的

耗的80％12J．目前，我国抽油机的保有量在10万台以

，在油田生

成本中有1／3

本文以游梁式抽油机

能控制器

整，使

机

能控制的象，利用

行有效的控制和

穿抽油机抽油的整个程，从而

能

占

能消

式

机

率

程

上，

机装机容量在3500MW，每年耗量逾百

提高抽油机的系效率，达到能增效的效果．

本文首次提出功率因子西、控制角a和滞留角∞

J．

kWh．因此，抽油机

能控制得尤重要L3

有

游梁式抽油机采用的能技一部分是采

之

的

束关系模型，模型行了分析；并提出基于

的控制方法，并了基于自学

用

速能控制器，其可在流量、荷等感器的

数据点自

控算法．

滑

配合下，

抽油机

适

油井

的化，但其价

收稿日期：2012-04．24；修回日期：2013．01— 15

万方数据

829

第4期

黄永平：

式抽油机能控制器的研究

的

有效就越大，从而起到了

作用．相或三

2 能工作原理分析

相交流

路中的

感性

是

阻性

，

，而

上

游梁式抽油机会生周期性化的

，并且不

化也会受到

路中的

流滞后

一个9

、

同的油井其

曲

不同，同其

角，我称之滞留角[4|．滞留角妒可以通

路来．由基霍夫定律，得到：

油井的深度等因素的影响．引起游梁式抽油机

率低的原因主要有以下几个方面15,8,9]：

机

流

零

L掣+尼㈤= n(cot)‰(t1)一M(to))

(1)抽油机的机是

流很大，因此造成功率因数低．

(2)抽油机的出功率是周期性化的，因而其

机的流也是周期性化的，在

启

，启

所需的启

其中u 交流

得：

的峰，u(t)

函数．解方程

i(t)=

机

，

机的定功率需要取机运行程中的最大．因而，

c一乱型止≮ C

O繁J十L,

警盟划(1)

抽油机和机一般型偏大，造成机功率利用率降

其中：口=wto，口+0=丌+妒=mtl，Cl 待定常数．

由to=a／w，t1=(Tc+妒)／(u，人式(1)

i(to)=

低．

(3)要准确地取一台抽油机的

机的容量，

需要量大量的数据，而于大型的抽油机

很

做到准确地量，而如何算抽油机机容量尚没有

一个一的、准确的算公式．因此在大多数情况下都

cle札出也等裂警些型

(2)

是采用估算的方法来

配套机的功率，一般留有

i(t1)=

大的余量．

(4)抽油机的使用周期很，在其使用周期内由于

油井工况的化，机的功率需求可能有很大的

cle嘻-一出生≮ 睾警止堕㈣

于

(3)

差异，比合理的做法是根据不同期的功率需求

行匹配，以提高机的运行效率和功率因数，但在

又因流to触

通，t1 零关断，所以有：

i(to)=0，

(4)

(5)

生

中很做到，一般是在使用期内不再更

机．因

i(t。)=0．

此，在

机

都是按照抽油机可能遇到的最大功

根据式(2)，(3)，(4)，(5)消去Cl，to，t1后，得到：

率

行

．

(6)

上述原因都会造成抽油系

，如果能克服抽油机系

于“大拉小 ”的

，将抽油机

e一皇(半)=老慧端

状

些

又根据功率三角形：

机的运行效率提高1％，年

就可达到35Mw，可

(7)

0I．

其

能潜力十分巨大u

taIl①=百wL

其中，功率因子西，得到①、口和9之

的

束关系：

⋯ 7

黑≥ 粤 +。髻：0(8)

tan(垂)。{308(口)一sin(口)～

由上述关系式(8)，我利用Matlab 件得到 3．从

像上我可以看出西随口、

化的情况．我控制可

‘(

M，o))

％2Usin

参数d，

地可得到

量妒，最由二者的可

1等效

路

确定①的大小．

‘“

2．1晶

管

相

．，

弋，

一

^兀N卜／t一

尺一L

是交流

器最一般化的

．把两个

反并

入

接的晶管或使用一个双向晶管接在交流

源与，形成路，等效路如

／— 、．

。一0— J．

一

之

相

fl＼／t一

1．晶管的控制方式相位控制，从 2可看出，

不同的晶管控制角a可得到不同的

波形，a

在

2晶

管

波形

角越大，晶管每周期的通角0就越小，加

上的

有效就越小；反之，口角越小，加

在

上

万方数据

830

2013焦

子

学

可知，

器失去

作用；当口<西，一定要采用

脉冲或脉冲列触，此

，

控制器失去

作

2I．

用[1

3基于自学

控算法的分析与

由于路的有功功率P=Ulcosq，，了使有功功

率达到最就要使功率因子达到最小．在式

(8)中，tan(垂)既无法用a、∞表示出来，也无法西求

，

一

的

D、口和9三者束3D曲

关于a、妒的偏数，因此，使用

的数学方法我

无

工

2．2晶管三相交流

法得到圣取到极的情况．了突破种限制，

抽油机大多采用三相交流感

机，在

技

控制的特点，本文提出了基于像分析并保存数据

点的工控制方式，也就是通分析 3中的像，通

Matlab 算并保存像上数据点(如表1)，在控制

中采用三相

路．本文抽油机能控制器采用

管成的三相半波相位控制的△型

的是由双向晶

路．其工作的原理及每

相交流情况相同．因异步机等效路中的

阻抗是随差率s的不同而化，所以西是个因

上的

波形与

程中，通

的控制角口，并

下方曲的方向化，既自

，将 3沿着① 向口与妒所确定的平面投影即

表来自

滑

．我不断

滞留角∞，使化方向朝靠近

控制方法．可以

晶

管

像

滑

量Ll¨．三相晶

管

路

阻感性

出

，

可得到在不同西下的a和∞的二

所示

束曲，如

也是控制角口越大，

路

越低．当口>

西

，

出

随a增大而减小；当口=① 由式(8)

表1不同的n、9情况下tan(垂)的

1／2．4Ⅱ

2／24Ⅱ

3／247c

4／247c

5／24n

6／，弭了c

7／，}47c

8／抖Ⅱ

9／，弭丌

10／247【

1l／24丌

＼

1／24Ⅱ

2／247c

0．13165

O．13165

3∥'4丌

O．26795

4／24x

5／，24Ⅱ

6／，弭7c

0．13165

O．13165

0．13165

0．26796

0．26798

0．41432

O．41451

0．41481

0．57830

O．57938

0．77144

O．77726

7，z4Ⅱ

0．13165

0．26801

0．41528

0．58185

1．01279

8／24丁c

9／247【

10／24了r

O．13165

0．13165

0．26814

0．26816

0．26833

0．41602

0．41713

0．41878

O．58489

0．58919

O．59525

0．78534

0．79649

0．81180

1．03032

1．05426

1．087ll

1．33735

1．3蝴

1．44880

1．S4055

1．67554

1．88617

2．24809

2．98813

5．2糊

无解

1．81909

1．蚴9

2．12352

2．40565

2．88946

3．87704

6．87873

无解

2．6‘}926

O．13165

0．13165

11／24n

O．26861

O．42124

O．60378

O．83310

O．86297

1．13278

1．19779

3．01538

3．64292

4．跏9

6．15133

11．08257

无解

13．75050

无解

12／，H丁c

13／247r

14／24，c

O．13165

0．13166

0．13167

0．26909

0．26989

O．27122

O．《弭86

O．43024

O．43827

0．61586

0．63316

0．65852

O．9|D589

O．吠斑24

1．20698

1．44448

4．92303

8．811'16

15／247c

0．13170

0．27345

0．45053

O．69701

1．07112

1．2

1．60977

2．7213l

无解

1．70427

2．23723

无解

16，24Ⅱ

17／24丁【

18∥珥丁c

0．13}178

O．13197

0．13245

O．27720

0．28367

0．29528

O．46982

0．50179

0．55966

0．75880

O．86760

1．09458

无解

3．86313

无解

无

19／，弛丌

20／24丁c

21／：247r

0．13368

O．13688

0．14618

0．31783

0．36879

0．53581

O．683lO

1．07058

1．79540

无解

22／247c

23／247c

0．18314

无解

24，24Ⅱ

无解

由于能控制器的工作特性需要n>①【51，并且有

a<7c，我以1／24rc 口、9的取

隔，根据方程式

万方数据

831

第4期

黄永平：

式抽油机能控制器的研究

I,g

a痢9的二

束曲

(8) 算各个刻tan(垂)的．表1 在不同的a、9情

况下tan(西)的．其中，无解指在[0，兀]范内西无解．

能控制器控算法流程如 5所示．在￡。

刻

能控制器控算法流程

触

晶

管的

并

使晶

滞留角‰，

随之化的妒，并根据它

管

通，根据角速度算出

口。

求出tan‰．改 a的大

4 能控制器的能

小、化方向，

表得到tan西．如果t肌西大，

的

通

根据不同型号的游梁式抽油机，行了能控制

器的，安装能控制器前后相关参数的

果如表2所示．

口

当向当前化

能

方向的相反方向化，否，a 当向当前化的

方向化[13,141．

表2 安装能控制器前后相关参数

果比

抽油机型号

状

平均有功功率／kw

平均无功功率／kw

流

化范／A

平均流／A

化范／V

348— 366

平均

357

332

／v

CYJ3一

1．5— 9

安装前

安装后

下降率

安装前

安装后

下降率

安装前

安装后

下降率

4．57

3．55

12．73

9．35

24．0r7— 41．95

13．88— 62．17

30．98

28．90

321— 361

邶

CYJ8

22．31％

8．06

24．19％

12．73

6．71％

28．51

7．00％

381

25．07— 33．95

13．08— 48．29

349— 395

251— 358

—

2．5

6．92

10．05

26．10

331．5

13．00％

411

— 26邶

CYJYl

14．14％

8．57

21．05％

19．73

8．45％

33．46

25．07— 51．95

11．68— 50．17

403— 415

329— 369

2— 4．8

— 73HF

7．85

10．65

28．80

339

8．40％

46．01％

13．92％

17．52％

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5 束

Du _{Yong-jun，Liu}

a1．Research of

Jun，et

An-sheng，Zlau

本文分析了晶

功率因子西、控制角口和滞留角妒之

型，并模型行了分析；基于数据点自

控制方法，并控制方法的算法．

明，在不同的抽油机型号下均能

到达好的能效果，可足抽油机井上的能需

管

式

路的能原理，提出

energy

mechanism of PSEC

unit

con—

的

束关系模

saving

troller

pumping

of Petroleum

Daqing

energy saving

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gearless

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for

system

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