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抽油机电机制动装置研究

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抽油机电机制动装置研究

胜利石油管理局能源监测站

二XXX年六月

目录

前言1

第一章概述2

1.1项目来源2

1.2项目研究目的及研究内容4

1.3项目取得的主要成果4

1.4技术创新点5

1.5取得的社会及经济效益5

第二章抽油机电机制动装置设计6

2.1电机反转对永磁电机的危害及影响6

2.2设计方案8

第三章抽油机电机制动装置研制18

3.1研制过程18

3.2样机19

3.3工作原理22

3.4研制过程中遇到的问题及改进的结果23

3.5特有功能介绍24

第四章试验室试验25

4.1试验目的25

4.2试验时间、地点25

4.3试验设备25

4.4试验原理26

4.5试验室试验接线图26

4.6试验过程27

4.7试验结论34

第五章现场试验35

5.1试验目的35

5.2试验时间、地点35

5.3试验设备35

5.4试验井的选择36

5.5试验过程39

5.6试验结论43

第六章效益分析44

前言

三相异步电机用于抽油机后，为了保证抽油机的启动，匹配的异步电机功率比正常运行所需的电机功率大2个功率等级甚至更多，造成了拖动系统电动机的负载率低——20%左右，功率因数低——平均0.4，系统效率低——25%左右，因此具有启动转矩大、高效区宽、功率因数高等优点的永磁同步电动机逐渐被油田所接受，并在逐步应用于抽油机上。

但是永磁电机作为一种新型的动力装置，目前还处在不断完善发展的过程中，将其用在抽油机这种特殊的设备上，在其使用过程中存在一个突出问题：

抽油机因停电、故障或人为停机时，会产生能量倒送，使得电机高速反转，在永磁电机输出端形成高压电势，如不及时处理，会导致电机线圈击穿、烧毁、控制柜烧毁的严重事故,在抽油机使用过程中已暴露出该问题，每年都有一定数量的永磁同步电动机因此而烧毁，但因认识问题没有引起重视。

该项目的主要研究内容就是开发一套解决游梁式抽油机停机时电机制动的装置，该装置包括制动电阻、信号检测及制动电阻切入回路、系统主控制电路等几部分，将有效地将抽油机滑块的能量消耗掉，彻底解决电机击穿问题。

通过精确的理论计算和技术创新，经过半年多的研究，抽油机电机制动装置已研制成功，并通过试验达到了预期目标。

该装置完全摈弃落后的人工手动刹车装置，实现高性能的自动检测智能控制系统，从而保证抽油机在故障停电时保护永磁电机不受损害。

第一章概述

1.1项目来源

目前，在各大油田的采油设备中，游梁式抽油机仍然是最主要的机械采油设备，约占机采井的87.5%。

游梁式抽油机具有结构简单、易损件少、故障率低、维修简单等优点。

但也存在启动困难、平衡效果差、系统效率低等缺点。

为了保证抽油机的启动，匹配的异步电机功率比正常运行所需的电机功率大2个功率等级甚至更多，造成了拖动系统电动机的负载率低——20%左右，功率因数低——平均0.4，系统效率低——25%左右，因此具有启动转矩大、高效区宽、功率因数高等优点的永磁同步电动机逐渐被油田所接受，并在逐步应用于抽油机上。

永磁电机逐步取代目前异步电机后，功率因数可提高到0.90以上，综合节电率最高达50.17%（16极永磁同步电动机），将成为抽油机动力装置主要设备。

但是永磁电机作为一种新型的动力装置，目前还处在不断完善发展的过程中，将其用在抽油机这种特殊的设备上，在其使用过程中存在一个突出问题：

抽油机因停电、故障或人为停机时，会产生能量倒送，使得电机高速反转，在永磁电机输出端形成高压电势，如不及时处理，会导致电机线圈击穿、烧毁、控制柜烧毁的严重事故,在抽油机使用过程中已暴露出该问题，每年都有一定数量的永磁同步电动机因此而烧毁，但因认识问题没有引起重视。

曾在现河二矿35队官114-1井上实测过一台8极永磁同步电动机的反电势超过5000V，当场烧毁一台FLUKE43B，而且电机极数越高，反电势越高，其危害也越大。

现在用于油田低产井的12极、16极电机逐渐增多，因此，不能有效解决抽油机电机反转问题将影响永磁同步电机在油田抽油机上的应用。

目前在抽油机上采用手动式机械刹车装置，当人为停机时，人工操作刹车使得抽油机的平衡块停止摆动，从而达到将平衡块携带的巨大能量消耗或暂时储存在机械装置上，避免引起平衡块带动电机反转形成高压而击穿电机线圈。

此类机械装置在异步电机的抽油机系统中还可以勉强使用，因为异步电机当断电时，剩磁量会变的很少，从而形成的电势也不会很高，击穿电机线圈的概率较小。

但在永磁电机的抽油机系统中就不能正常使用。

首先，人为停机时不能准确地做到停电即刹车，一旦刹车过慢，平衡块携带的巨大能量极有可能带动电机反转，在完全刹车之前就将电机线圈击穿。

其次，很多情况不是人为停机，当电网停电或抽油机因为故障停机时，人工是不能及时刹车的，这样势必造成电机反转形成高压电势，造成经济损失。

因此，研究一种能够迅速检测断电时刻并能及时将制动单元切入抽油机拖动系统的智能制动装置，将抽油机位能转化而来的导致永磁电机定子产生的巨大能量耗放掉，避免永磁电机损坏，在油田推广永磁电机，提高油田采油效率，降低油田耗能，响应国家减能降耗政策等方面具有重要意义。

1.2项目研究目的及研究内容

本项目的一个主要研究目标就是采用低成本、高可靠性的方法来解决永磁电机在游梁式抽油机采油系统中存在的停机反转问题，结合应用电力电子、自动控制的相关先进研究成果和先进技术，摈弃落后的人工手动刹车装置，实现高性能的自动检测智能控制系统，从而保证抽油机在故障停电时保护永磁电机不受损害，同时，在人为维修抽油机系统时，可以随时断电，而不需要人为刹车，避免了人为刹车精确控制困难，易造成人身伤害等事故，便于维护和系统升级，大大节约时间和成本。

在油田改进游梁式抽油机、提高采油效率、节能降耗等方面意义重大。

该项目的主要研究内容就是开发一套解决游梁式抽油机停机时电机制动的装置，该装置包括制动电阻、信号检测及制动电阻切入回路、系统主控制电路等几部分，将有效地将抽油机滑块的能量消耗掉，彻底解决电机击穿问题。

1.3项目取得的主要成果

在本项目的研制过程中，系统地对永磁同步电动机拖动的游梁式抽油机的制动过程进行了细致的研究，取得了第一手的试验数据，为应用电力电子方法解决永磁同步电动机拖动的游梁式抽油机的制动问题奠定了基础。

完成了应用电力电子器件实现的抽油机电机制动装置，完全摈弃落后的人工手动刹车装置，实现高性能的自动检测智能控制系统，从而保证抽油机在故障停电时保护永磁电机不受损害。

1.4技术创新点

本项目的技术创新有4点：

（1）制动装置使用电力电子器件中的晶闸管组件（SCR）作为功率制动电阻投切的开关器件，提高了开关的速度，使开关的导通时间小于20μS，是机械制动装置的响应时间0.2S的万分之一。

快速的导通，可使永磁电机的再生能量被瞬间吸收，免除危害的发生。

（2）制动装置使用大功率的压敏电阻作为吸收器件，能够有效吸收小于20μS脉宽的过电压和雷电窜入电网的瞬间过电压，既保护了电子器件，又避免了干扰脉冲的误动作。

（3）在制动装置中创新的应用了储能电容为制动装置的控制系统供电，即使电网断电，控制系统仍然有效可靠工作。

（4）制动装置的主控制单元应用了TI的MSP430单片机做CPU，简化硬件设计，提高控制算法的灵活性、系统性能和稳定性。

1.5取得的社会及经济效益

胜利油田有各种型号的游梁式抽油机大约1.5万台，其中应用永磁电机的有5千台左右，每年有300多台永磁电机由于制动不当而损坏需要维修，直接的经济损失就有200多万元。

如果本项目的制动装置能够得到推广应用，就可以避免由制动不当而产生的直接经济损失，通过减少维修，提高生产效率，提高原油产量间接的经济效益就更为可观。

第二章抽油机电机制动装置设计

2.1电机反转对永磁电机的危害及影响

1、试验目的：

（1）通过试验测试永磁电机在正常工作中断电时的操作过电压波形及数据；

（2）通过试验测试永磁电机拖动抽油机负载，在出现再生发电状态下的电压波形及数据；

由试验结果为后续研究工作提供试验依据。

2、试验仪器、设备：

电机力型试验台、惠普数字存储示波器hp54600B一台、永磁电机380V30kW一台、ABBS5N630A塑壳断路器一台、电缆、扳手一套、钳型电流表一台，万用表一块、绝缘手套两副。

3、试验过程以及结果：

（1）操作过电压波形测试试验

工频380V电源通过塑壳断路器接入永磁电机，闭合断路器，电机空载运行，运行电流1.5A，断开断路器，用示波器记录断开瞬间的电机线电压波形，记录的波形如图2.1：

图2.1电机空载电压波形图

由示波器记录波形可以看到操作过电压是一个幅度很高，宽度很窄的尖峰电压，幅度大于2.5倍的电机额定电压，脉冲宽度小于1mS，这样的电压会较大的影响电机的使用寿命。

（2）再生发电状态下的电压波形及数据

永磁电机同轴连接拖动电机，工频380V电源通过塑壳断路器接入永磁电机，永磁电机空载启动后逐渐增加拖动电机转矩，断开断路器，此时永磁电机被拖动电机带动进入再生发电状态，并发生飞车，用示波器记录断开瞬间的电机线电压波形，幅度大于2倍的电机额定电压，记录的波形如图2.2：

图2.2电机空载电压波形图

由示波器记录波形可以看到永磁电机进入再生发电状态后电压幅度很高，如果不能有效控制，就可能立刻损坏电机。

2.2设计方案

本项目针对开发过程中提出的技术关键进行深入研究，结合现代控制理论、电力电子技术以及现有的相关产品的研究成果，逐步解决存在的相关问题，开发出满足系统制动要求的高性能、低价位制动装置。

2.2.1建立制动系统数学模型

（1）电机的相电流为正弦波

事实上，不可控发电状态下的系统中电机，在任何一个瞬时都处于一种外部不对称的运行状态。

这种不对称运行的方式随着转速和二极管的开关状态的切换不断发生变化，所以同步电机各变量的谐波成分较多并且复杂。

如果不进行简化，很难对此进行分析。

（2）电机的相电流和电机相电压在相位上相差180。

显然，能耗制动时，直流测的负载为阻性负载，因此整流桥二极管强迫二者基本满足以上假设。

电机采用电动机工作惯例。

（3）整流桥工作在理想状态。

整流桥完整工作过程包含整流和换向等几个过程，其中主要是整流过程，这也是整流桥的理想工作模式。

（4）忽略饱和影响，忽略电机铁耗和铜耗。

（5）认为制动过程中电机负载转矩基本为一常数。

同步电机外部不对称运行时，常用ABC坐标系统去描述电机和系统的状态方程，也即所谓的多回路直接向量法，其优点是物理意义明确直观，并且无需考虑电机和整流桥的接口问题，但是系统方程是时变系数的，给分析和仿真带来不便。

同步电机从磁路的角度可以分为隐极和凸极两类，其中隐极电机可以视为凸极电机的一种特例。

不失一般性，本文电机模型基于凸极同步电机上建立。

电压电流方程:

机电联系方程:

机械方程:

永磁同步电机发电状态下矢量图如图2.3。

图2.3永磁同步电机发电状态下矢量图

由于电机进入发电状态前的初始状态是电动状态，其电压电流矢量图如图2.4。

图2.4电机进入发电状态前电压电流矢量图

电机制动初始状态满足永磁同步电机数学模型稳态方程，具体数值取决于当时电动状态的负载情况。

建立整流桥的数学模型通常有元件组合法和模式法两种。

元件组合法是指确定元件的数学模型，然后搭建成整流桥的电路拓扑结构。

该方法无需预见元件的开关状态，但判断逻辑较多。

模式法是根据整流桥的特定运行状态，建立所需要的状态方程。

从而求出需要传递的参量。

整流桥的每一瞬时都对应一确定的模式。

对于不可控整流桥来说，其模式特点和模式数量都是确定的：

即所谓的开路模式、导通模式和换向等三种模式。

对应于制动状态时，只能有后两种模式。

而其中换向的过程是非常短暂的，因此在建立模型时，忽略了换向过程。

表2.1理想整流桥工作模式

2.2.2制动系统所需参数

制动过程取决于电机的电感参数、制动瞬间的电机工况以及制动电阻阻值、整个驱动系统的转动惯量和电机空载转矩等。

这里用于分析的电机是隐极永磁同步电机。

其额定数据如下：

极数2P=6，额定电压

=185V（线电压），

额定电流

=117A，额定转速

=3000r/min，

定子绕组为三相Y接法。

电机模型所需参数：

=

=0.386mH,

=0.313Wb

J=0.1

=4.8Nm

式中

——负载转矩

为便于比较，假设电机制动瞬间速度为额定

转速，也即

=942rad/s。

2.2.3制动系统的组成

本项目针对开发过程中提出的关键技术进行深入研究，结合现代控制理论、电力电子技术以及现有的相关产品的研究成果，逐步解决存在的相关问题，开发出满足系统制动要求的高性能、低价位制动装置。

1、制动单元设计

制动单元主要是制动电阻的设计及选型。

制动电阻是将电动机的再生能量以热能方式消耗掉的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要参数。

通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：

波纹电阻采用表面立式波纹有利于散热减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命。

此部分研究内容主要是制动电阻的阻值和功率的计算。

首先是制动力矩的计算：

要有足够的制动力矩才能产生足够的制动效果，制动力矩太小，电机线圈仍然可能被击穿。

而制动力矩的计算通常非常困难，一般进行估算就能满足要求。

按100%制动力矩设计，可以满足90%以上的负载。

本项目制动力矩按100%计算。

制动过程同电机初始条件有一定关系，而该条件又取决于电机当时的负载情况。

为考虑制动电阻对制动性能的影响，假设初始条件

，如图2.5、2.6。

图2.5制动过程各量变化曲线

图2.60.05s时间内各量变化曲线

制动电阻减小后，电机制动时间变短，但是各量的振荡幅值变大，考虑到开关元件最大电流限制，因此并非制动电阻越小越好。

考虑到开关元件瞬时电流这一因素，在选取电阻值时，必须按电机最高转速满载工况去考虑设计能耗制动系统，在满足这个条件下。

再去考虑制动时间，从而保证整个系统不被损坏。

电阻制动单元的制动电流计算：

（按100%制动力矩计算）

制动电流是指流过制动电阻的额定电流。

计算公式如下：

——电机功率（KW）

——回馈时的机械能转化效率，一般

（绝大部分场合适用）

——制动单元电压（V）

——制动单元电流（A）

通过上式可以估算得到制动单元的额定工作电流。

制动电阻的功率选择：

其选择是基于制动电阻能长时间安全工作，功率选择不够会因为温度过高而烧毁。

由公式：

可得制动电阻阻值的估算值。

由公式：

其中：

—制动频度，指再生过程占整个电动机工作过程的比例，可得到制动电阻功率估算值。

2、信号检测及制动电阻切入回路设计

智能制动系统比较以往机械制动方式而言，其优势就在于系统制动的智能化。

即本项目制动系统时刻监视系统运行状态，一旦检测出断电、故障等事故引起电机反转时，自动迅速将能耗制动电阻准确切入电机回路中，将抽油机滑块能量及时消耗掉，避免电机损坏。

要做到智能监测就必须有信号检测电路辅助本系统完成准确动作。

信号检测电路部分主要使用电流、电压传感器，将电机和电网的有用电量参数传输到系统主控制单元CPU，CPU根据电量参数判断抽油机系统是否需要进行制动。

一旦检测出系统需要制动，CPU将根据既定算法启动制动电阻切入回路，将制动电阻切入，以达到耗散能量、保护电机免受击穿的目的。

制动时刻的检测

游梁式抽油机制动检测部分分两部分：

电网电压、电流的检测和整流后电压检测。

首先，电网检测通过传感器对电压电流进行检测，结合后面整流后的直流电压情况进行判断，以将制动电阻切入。

整流部分采用二极管不可控整流。

整流滤波后形成一个比较平稳的直流电压，通过电压传感器检测此电压值，与事先设定的门限电压值进行比较，当超过门限电压值时，主电路发出控制命令使得制动电阻切入回路动作单元动作，从而将制动能量耗散掉以保护电机不被击穿。

3、系统主控制回路及制动电阻切入动作回路

系统主控制回路是整个控制系统的核心。

主回路主要由信号调理电路和CPU组成。

CPU采用TI公司的MSP430系列单片机，简化硬件设计，提高控制算法的灵活性、系统性能和稳定性，节约成本和开发周期。

为了提高系统性能和可靠性，系统CPU选用TI公司的专用控制芯片MSP430F1232。

MSP430F1232是TI公司MSP430系列中的一种高性能单片机，其特点是：

采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器功耗；40MIPS（百万条指令每秒）的执行速度使得指令周期缩短到25ns，提高了芯片的实时控制能力；片内有32KB的Flash程序存储器，高达1.5KB的数据/程序RAM，544B双口RAM（DRAM）和2KB的单口RAM（SARAM）。

MSP430F1232芯片集成了8通道10位500ns的高性A/D转换器；串行通信接口（SCI）模块，16位SPI（串行外部设备接口）模块，WD（看门狗）定时器模块，可单独编程和复用的GPIO（通用输入/输出）引脚，5个外部中断（2个驱动保护、复位和2个可屏蔽中断），电源管理具有3种低功耗模式等。

并且，MSP430F1232具有2个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器包括：

2个16位通用定时器，如此功能强大使得MSP430F1232大大简化了外部硬件电路的设计，提高了系统的实时性能，保证在能量再生时刻，及时将制动电阻准确切入电机回路，保护电机安全。

对于控制制动电阻切入的回路采用SCR与制动电阻串联形式（绝缘栅双极晶体管）。

通过对SCR的实时控制，在电机反转时刻准确将制动电阻切入电机回路，达到消耗再生能量，保护电机免受击穿。

第三章抽油机电机制动装置研制

3.1研制过程

抽油机电机制动装置的研制，在2008年完成了以下16项工作内容，总结如下：

1、抽油机永磁电机制动特性的试验室试验测试和分析；

2、闭环控制方案和综合电机参数测试模块的系统方案设计；

3、抽油机电机制动装置控制板的PCB设计；

4、抽油机电机制动装置控制板的软件编程和调试；

5、抽油机电机制动装置主电路板的PCB设计；

6、抽油机电机制动装置驱动电路PCB板的装配调试；

7、抽油机电机制动装置驱动及保护装置控制板的设计；

8、抽油机电机制动装置驱动及保护装置控制板的装配调试；

9、抽油机电机制动装置的结构设计和装配工艺设计；

10、抽油机电机制动装置电路设计及机箱设计；

11、抽油机电机制动装置机箱的制造及内部的元件装配；

12、抽油机电机制动装置电路的总装和调试；

13、抽油机电机制动装置控制柜的设计及安装调试；

14、抽油机电机制动装置在试验室内的运行数据采集、整理，设计文档的归纳整理；

15、抽油机电机制动装置带电机负载的试验室试验测试和分析；

16、抽油机电机制动装置的试验井运行试验。

3.2样机

3.2.1外形

见图3.1，图3.2。

3.2.2型号及说明

图3.1样机外形图（控制部分）

图3.2样机外形图（电阻部分）

3.2.3各部分功能介绍

图3.3主控板电原理图

图3.4检测板电原理图

图3.5触发板电原理图

3.3工作原理

3.3.1工作原理图

见图3.6

图3.6抽油机电机制动装置工作原理图

3.3.2工作原理

制动装置的工作原理是：

永磁同步电动机在制动和再生发电状态产生的过电压远高于电机的额定工作电压，尤其是断开主回路后，过电压是额定电压的数倍，制动装置将额定电压的1.15倍设定为门限值，超过门限值就投入能耗制动电阻，吸收过电压，保护电机的安全运行。

由图3.6可知制动装置的工作过程：

永磁同步电动机启动后，检测电路每1毫秒检测一次电机的端电压，主控电路对检测的端电压与设定的门限值进行比较，当超过设定值时立刻控制触发电路工作，使SCR组件导通，投入大功率制动电阻进行能耗制动。

从检测到电机端过压到投入制动电阻，装置的响应时间不大于2毫秒。

小于2个毫秒的电压尖峰由压敏电阻吸收。

图中的储能电源在主回路断电时也能向制动装置维持供电20秒，保证装置在任何情况下正常工作。

3.4研制过程中遇到的问题及改进的结果

在研制过程中发现，当手动停机制动时，装置工作正常，而当模拟电网停电，需要装置制动时，装置不能有效制动，经过检查发现，电网停电后装置电源已经失电，控制部分失灵，不能起到制动作用。

然后改进设计，用大容量的储能电容为装置电源供电，维持电网断电后的电源供应，再次试验效果非常好。

同时发现小于20μS操作过电压不能被制动装置的SCR组件和制动电阻有效吸收。

虽然操作过电压幅值高但脉宽窄，远没有再生能量那样危害大，但对电机的危害也不容忽视，所以在电路主回路中应用了大功率压敏电阻，做吸收原件，解决了对操作过电压的吸收问题，经过试验效果很好。

3.5特有功能介绍

（1）制动装置使用电力电子器件中的晶闸管组件（SCR）作为功率制动电阻投切的开关器件，提高了开关的速度，使开关的导通时间小于20μS，是机械制动装置的响应时间0.2S的万分之一。

快速的导通，可使永磁电机的再生能量被瞬间吸收，免除危害的发生。

（2）制动装置使用大功率的压敏电阻作为吸收器件，能够有效吸收小于20μS脉宽的过电压和雷电窜入电网的瞬间过电压，既保护了电子器件，又避免了干扰脉冲的误动作。

（3）在制动装置中创新的应用了储能电容为制动装置的控制系统供电，即使电网断电，控制系统仍然有效可靠工作。

（4）制动装置的主控制单元应用了TI的MSP430单片机做CPU，简化硬件设计，提高控制算法的灵活性、系统性能和稳定性。

第四章试验室试验

4.1试验目的

（1）检验电机制动装置主控制器动作可靠性与反应时间；

（2）检验电机制动装置动作可靠性与反应时间；

（3）通过试验在过电压情况下，观测对比有无抽油电机制动装置时电压波形，与相应时间，测试抽油电机制动装置动作效果。

4.2试验时间、地点

时间：

2XXX.3.15--2XXX.4.23

地点：

技术检测中心试验室

4.3试验设备

见表4.1。

表4.1试验仪器及设备

设备名称

数目

备注

电机力型试验台

1

惠普数字存储示波器

1

hp54600B

FLUKE全彩色

数字余辉示波表

1

FLUKE199B/668

稀土永磁超高效同步电机

1

型号TYC280S-16

塑壳断路器

1

ABBS5N630A

钳型电流表

1

万用表

1

电缆

若干

绝缘手套

2

隔离变压器

1

灯箱

2

4.4试验原理

对于永磁同步电机系统来说，常用的制动方式有能耗制动、反接制动和再生制动三种方式。

其中能耗制动和反接制动是依靠在主回路中串接能耗电阻，实现制动的。

制动系统采用能耗制动方式，结合应用电力电子、自动控制的相关先进研究成果和先进技术，实现高性能的自动检测智能控制系统，从而保证抽油机在故障停电时保护永磁电机不受损害，同时，在人为维修抽油机系统时，可以随时断电，而不需要人为刹车。

正常工况下，永磁同步电机驱动系统其最高转速可以达到电机基速的三倍甚至更高些，也就是说其运行在电机的弱磁区中。

因此如果在较高转速下，切断主回路，开关进入导通状态，此时电机产生高于直流母线电压的反电势，主回路开关管中的续流管工作在不可控状态，整个系统进入一种所谓的不可控发电状态，此时系统成为不可控整流