变频游梁式抽油系统运行参数的优化设计与性能仿真*

综合考虑电动机端电压频率的实时变化以及电动机负载扭矩波动对电动机瞬时转速的影响,建立了变频控制游梁式抽油系统曲柄运动规律、抽油杆柱纵向振动规律与系统动态参数的仿真模型。将抽汲参数、平衡装置参数、频率函数、电动机输出轴皮带轮转动惯量等系统运行参数作为优化设计变量,在保证油井产量不变、抽油机承载能力、抽油杆柱强度、平衡度和上下冲程时间分配等约束条件的基础上,以系统输入功率最低作为优化设计的目标函数,建立了变频游梁式抽油系统运行参数优化设计的数学模型。仿真与优化结果表明：① 在抽汲参数一定的条件下,优化实时频率可以显著改善游梁式抽油系统的动力性,具有明显的节电效果;② 优化电动机输出轴皮带轮转动惯量可以降低电动机输出功率的幅值与波动程度,进一步提高变频控制游梁式抽油系统的节电效果;③ 综合优化抽汲参数、平衡装置参数、频率函数与电动机输出轴皮带轮转动惯量可以显著改善系统的动力性能,降低系统能耗。     

曲柄轴净扭矩趋近直线形态的抽油机传动机构研究

普通电动机输出扭矩基本恒定,而抽油机曲柄轴净扭矩是交变载荷,两者的载荷特性无法达到"柔性"匹配,导致抽油机运行效率低下、能耗增高。利用游梁结构和导杆机构设计的游梁式六杆机构,实现了曲柄轴净扭矩曲线趋近于直线形态,提高了电动机的功率利用率,实现了抽油机节能降耗。根据设计方案,建立游梁式六杆机构运动和动力学模型,分析影响曲柄轴净扭矩曲线形态的主要因素,并以MATLAB优化工具箱为平台,对设计方案进行全参数优化设计,以实际载荷工况对游梁式六杆机构抽油机节能效果进行对比分析。     

新型六杆机构抽油机的性能分析

抽油机曲柄轴净扭矩为波动较大的交变载荷,而普通电动机的输出扭矩基本恒定不变,两者的载荷特性无法达到"和谐"的匹配,直接导致电动机热损失增高,抽油机系统效率过低、能耗增大。新型六杆机构抽油机,依据变矩原理使摇杆力矩可以随悬点载荷的变化而自动调节,实现了曲柄轴净扭矩曲线呈小波动状态,大大降低了电动机的热损失,提高了电动机的工作效率,降低了抽油机的能耗。根据设计方案,建立了新型六杆机构抽油机的运动和动力学数学模型,对主要的性能参数进行了优化设计,并对其性能进行了对比分析。     

电动潜油旋转式柱塞泵抽油系统设计与性能仿真

设计了一种新型电动潜油旋转式柱塞泵抽油系统。该系统主要由潜油电动机、减速器、螺旋凸轮换向机构与柱塞泵等部件组成,其特点是潜油电动机单向旋转,并带动减速器、螺旋凸轮轴单向旋转,螺旋凸轮轴带动滑块、柱塞上下往复运动,从而达到抽油的目的。建立了该抽油系统柱塞运动规律、柱塞液体载荷、减速器输出轴扭矩与电动机输入功率的仿真模型;建立了换向机构尺寸优化设计模型。仿真结果表明,该抽油系统具有良好的运动与动力性能,具有明显的节电效果。     

游梁式抽油机功率伺服控制系统设计与开发

针对游梁式抽油机周期内负载变化快、功率波动大的问题,为减小能量波动提高电机工作效率,设计开发了基于DSP的游梁式抽油机功率伺服控制系统,通过FFT算法计算电动机的电参数,结合抽油机的位置信息,功率伺服控制算法实时跟踪抽油机负载变化输出控制量控制电动机转速,达到功率平稳输出的效果。结合开发的上位机软件还能实时显示存储抽油机的状态参数。通过实验室及现场测试,该系统能够消除启动过程中的能量冲击,并且能够有效减小抽油机运行时的能量波动,同时还有一定的节能效果,这也有助于减小抽油机机械系统的损耗、降低电动机的装机容量,具有很大的应用价值。     

游梁式摇块机构抽油机的运动及动力性能分析

抽油机载荷的波动性是造成电动机效率降低和轴功率过高的最主要原因,也直接导致了抽油机能耗过高。根据游梁结构和摇块机构,设计了新型游梁式摇块机构抽油机的传动机构,使抽油机的载荷曲线呈微小波动形态,提高了电动机效率,降低了电动机的轴功率,实现了抽油机的高效节能。建立了传动机构的运动和动力学数学模型,以MATLAB优化工具箱为平台,对传动机构进行全参数优化设计,并以实际载荷工况对抽油机的性能和节能效果进行了对比分析。     

游梁式抽油机悬点载荷软测量方法的研究

游梁式抽油机悬点载荷的在线准确测量是井泵示功图绘制和工况分析的关键技术。针对常规杆液柱振动和电机参数等间接测量法精度较低工程应用性不强、载荷传感器直接测量法易受材质老化疲劳影响稳定性差的问题,提出了一种利用输入电参数实现悬点载荷软测量的新方法。该法首先用游梁倾角直接替代惯用的曲柄转角建立抽油机扭矩因数新数学模型,其次建立电动机输入电参数、抽油机四连杆机构参数以及抽油机悬点载荷之间的关联关系,最后将采集的电动机输入电参数代入计算,并用肖维勒准则剔除奇异突变值、用均值滤波法进一步处理修正后,获得悬点载荷在线测量值。工程实验与应用结果表明,该法平均相对误差3.87%、准确性较高,稳定性好,工程实用性强。     

曲柄导杆式六杆机构抽油机设计计算

普通异步电动机的输出转矩基本恒定不变,而抽油机曲柄轴净转矩确是交变载荷,两者的载荷特性无法达到"和谐"的匹配,直接导致抽油机运行效率低下、能耗增高。利用游梁结构和导杆机构设计的曲柄导杆式六杆机构抽油机,实现了曲柄轴净转矩曲线呈小波动形态变化,大大提高了电动机的负荷率和电动机功率利用率,实现了抽油机节能降耗。根据设计方案,建立了导杆式六杆机构抽油机在复合平衡方式下的运动和动力学模型,并以Matlab优化工具箱为平台,对设计方案进行全参数优化设计,以实际载荷工况对导杆式六杆机构抽油机节能效果进行了对比分析。     

新型摆动导杆式抽油机方案设计与动力学分析

一种已经获得国家发明专利授权的新型摆动导杆式抽油机由电动机、减速器、曲柄、滑块、摆动导杆、机架和钢绳等构成,通过曲柄上的滑块在导杆导轨上的滑动,带动导杆以机架为支点做上下摆动,从而实现抽油机的上下冲程。由于滑块在导杆导轨上的滑动,使得曲柄对导杆作用力随悬点载荷大小的变化而自行调整,曲柄轴净扭矩始终处于最佳状态,净扭矩曲线非常平缓,载荷不均匀系数CLF趋近于1,大大降低了电动机的装机功率,电动机输出功率均匀性得到了极大的提高。     

游梁式抽油机冲次软测量方法研究

游梁式抽油机冲次是影响抽油机系统运行工况的重要参数,实时精确地测量抽油机冲次是调控及优化抽油机系统效率的基础。针对现有公式法和传感器法测量冲次,存在准确性易受实际运行条件和野外环境影响、需额外增设测量器件、故障率较高等缺陷,提出一种基于自相关理论的抽油机冲次软测量方法。即建立冲次与悬点载荷函数、驱动电机输入电功率函数的周期关联关系模型,通过采集驱动电动机输入电流、电压计算实时输入电功率,利用周期信号自相关函数与原函数同周期、噪声信号自相关函数在原点集中的特性,对输入电功率函数进行自相关运算,经去除干扰后获得电功率函数周期,依据输入电功率函数周期与抽油机冲程周期、抽油机冲次的关联关系计算得到抽油机冲次,从而在不增加外设条件下实现对抽油机冲次的软测量。仿真以及某大型油田采油六大队现场试验表明,该方法实用有效、抗扰性高、测量误差不超过1%。     

立式节能抽油机的智能控制系统

为解决我国游梁式抽油机成本高、耗电量大,效率低、调整困难等问题,对比分析了智能控制立式抽油机的优点,将立式抽油机代替游梁式抽油机应用到实际中去。开展了针对立式抽油机的高效率可靠性分析,提出了利用西门子PLC和Micromaster变频器来实现具有自适应变频调速和自动进行故障诊断智能控制系统的方法,该控制系统通过选用西门子PLC作为核心控制器去控制变频器,通过改变电动机的运转频率,实时计算了抽油机应该运行的速度,通过计算上、下冲程的时间,来控制变频器的输出电源的频率和电压。实现了电动机的无级调速控制,并做到了运行转矩的适配。研究结果表明,该节能立式抽油机的智能控制系统具有结构简单、无故障运行寿命长并提供远程监控接口等特点。     

双井液压抽油机动力单元机械特性建模与分析

液压抽油机以其较好的节能特性受到国内外采油工程技术人员的高度关注。随着液控技术的不断发展,各种形式的液压抽油机不断被推陈出新。针对近年来开发的基于二次调节技术并兼有重力势能回收特性的双井液压抽油机的动力单元机械特性展开建模和分析。采用梯形速度目标曲线分析文献中液压抽油机动力单元的机械特性,分析表明电机输出转矩突变点与活塞杆运行速度拐点同步,当其运行速度到达最大时,电机瞬时输出转矩到达峰值。模型为该型液压抽油机电机选型以及其他功率回收型液压抽油机机械特性分析提供参考。     

异步电动机分级变频软启动仿真研究

阐述了异步电动机分级变频软启动的基本原理,基于Matlab/Simulink建立了异步电动机分级变频软启动控制系统仿真模型.该软启动器采用7、5、4、2分级变频,切换为工频时采用单神经元PID算法实现限流.仿真结果表明所设计的分级变频软启动控制策略有效降低了启动电流,提高了启动转矩,在异步电动机重载启动应用场合具有良好应用前景.     

电动自卸车轮边驱动电机输出转矩控制分析

电动自卸车采用电传动系统驱动轮边电机,实现短距离高效运输,轮边驱动电机的输出转矩非平稳而是存在一定波动,在某些工况下车身会出现抖动现象,对整车运行及其不利。根据电传动系统结构特点,基于驱动系统原理,搭建轮边双电机控制模型,对轮边电机输出转矩波动进行分析,并对控制方法进行设计分析,基于Simulink搭建动力传递系统模型,并对轮边电机驱动及转矩控制模块进行封装,基于Pharlap系统,利用NI PXI做目标机,对三种不同工况下通过调整相关参数对转矩波动幅度进行控制。结果表明:影响转矩波动的因素较多;通过调整脉冲发生器中误差宽度、转子磁链给定值等可有效控制波动幅度,波动幅度得到明显降低;基于Pharlap系统和NI PXI硬件对不同工况实时仿真大大缩短分析时间,提高了效率,表明了分析结果的可靠性,减小转矩波动对于后续研究以及减小部件的冲击有实际意义,为此类设计控制提供参考。     

抽油机智能控制系统研制

研制了一种新型的抽油机智能控制系统,以单片机为控制核心,变频器作为执行部件,以监测抽油机实时载荷和功率为控制依据,通过系统的智能算法,在保证油井产量的前提下,最大限度地节约电能,降低机械磨损;通过GPS通讯手段,实现了油井实时数据的被动式传输和故障信息的主动式报警功能.     

变频调速异步电机负载特性检测研究

变频电机正以优越的性能和显著的节能效果得到了广泛的推广和应用。通过对比普通异步电机的负载特性检测方法,介绍了在变频器供电和正弦波供电两种电源方式下,对变频异步电机进行空载、堵转和负载试验,从而对电机的负载特性检测进行研究。试验表明,恒转矩启动时,变频电机工作状态良好,而在高频运行时,电机的效率和转矩性能都受到较大的影响。