潛油螺杆泵伺服驅動系統及其驅動方法

2023-12-09 14:29:41

潛油螺杆泵伺服驅動系統及其驅動方法
【專利摘要】潛油螺杆泵伺服驅動系統及其驅動方法，涉及潛油螺杆泵伺服驅動領域。解決了伺服驅動系統中驅動器輸出電壓變化率高，導致電機的絕緣和軸承損壞，同時驅動方法大多採用編碼器反饋檢測信號的方法，存在信號延遲和易受幹擾的缺陷，導致電機運行不穩定的問題。伺服驅動器的輸出端與輸出濾波器的輸入端連接，輸出濾波器的輸出端通過電機動力電纜與伺服永磁同步電機的輸入端連接，輸出濾波器中的第一電感與第四電感串聯在第一相導線中，第二電感、第五電感和補償電感串聯在第二相導線中，第三電感與第六電感串聯在第三相導線中。本發明適用於潛油螺杆泵伺服驅動。
【專利說明】潛油螺杆泵伺服驅動系統及其驅動方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及潛油螺杆泵伺服驅動領域。
【背景技術】
[0002]交流電機的速度和為該電機供電的電壓的頻率成正比，而電機的反電勢，即電機的電壓和速度成正比。要達到電機速度連續可調，需要一個頻率和幅值都連續可變的交流電壓。對常規的交流電機伺服驅動系統，如圖2，其電機動力電纜一般不會超過30m，輸出電壓dv/dt不是問題，而本驅動系統的電機動力電纜可達2000m，是常規系統的60多倍。當動力電纜的長度超過一定的值，以及通過電纜傳輸的電壓和電流快速變化時，電纜的電氣參數，如電阻、電容、電感等，不能如常規按集中參數處理，而是分布參數，電纜傳輸的電量，電壓和電流也必須按傳輸線理論來處理，電壓和電流不僅僅是時間的函數，同時也是位置的函數，它們沿電纜長度的方向是一種傳輸波。因此，需要對採用脈寬調製技術產生的電壓通過長動力電纜而可能出現的問題進行分析。
[0003]電壓變化率dv/dt很高時，電壓波沿電纜長度的方向傳輸，當電壓波到達分布參數變化的位置，如電機的接線盒，會產生折射和反射，這種反射會在電機繞組產生高達驅動器輸出電壓三倍的電壓，使電壓變化率dv/dt更高，從而在各相繞組之間以及相繞組和機殼之間的寄生電容流過高頻電流，這種高電壓和高頻電流會弓I起電機的絕緣和軸承損壞。
[0004]由於潛油螺杆泵系統的特殊應用環境，決定了動力電纜採用扁平狀設計。由於扁平動力電纜的幾何不對稱其三相電感也是不對稱的，即動力電纜中間相的電感值和其它兩相的不一樣大，且長度越長，電感的差別越大。伺服驅動器通過電力電纜傳輸交流電壓給伺服永磁同步電機。當其長度超過一定的值時，這種動力電纜電感的不對稱會嚴重影響電機的控制，，尤其對確定電機N極角度的精度的影響更為嚴重，而電機N極角度的正確與否直接關係到電機的平穩和可靠起動。
[0005]交流電機的控制很複雜，交流電機有三相繞組，從三相電流中無法區分勵磁電流和力矩電流，不像直流電機勵磁電流和力矩電流可分別控制。現有交流電機驅動方法大多是採用編碼器反饋，同步機轉子的位置可通過編碼器測得，如圖3所示，轉子磁極N極的方向就是前述的d-電流方向，轉子電角度位移90°為q_電流方向。若使用編碼器，其檢測信號反饋至地面控制器，存在著延遲，無法實現準確的反饋，尤其信號多為弱電傳輸，易受幹擾。

【發明內容】

[0006]本發明為了解決現有電機伺服驅動系統中由於驅動器輸出電壓變化率高，導致電機的絕緣和軸承損壞的問題，同時由於現有交流電機驅動方法大多採用編碼器反饋檢測信號的方法，存在信號延遲和易受幹擾的缺陷，導致電機運行不穩定的問題，提出了潛油螺杆泵伺服驅動系統及其驅動方法。
[0007]潛油螺杆泵伺服驅動系統包括伺服驅動器、伺服永磁同步電機和輸出濾波器，所述伺服驅動器的輸出端與輸出濾波器的輸入端連接，輸出濾波器的輸出端通過電機動力電纜與伺服永磁同步電機的輸入端連接，所述輸出濾波器包括共模電感、三相電感和補償電感，所述共模電感包括第一電感、第二電感和第三電感，三相電感包括第四電感、第五電感和第六電感，所述第一電感與第四電感串聯在第一相導線中，第二電感、第五電感和補償電感串聯在第二相導線中，第三電感與第六電感串聯在第三相導線中。
[0008]所述伺服驅動器包括電源、一號功率開關、二號功率開關、三號功率開關、四號功率開關、五號功率開關和六號功率開關，所述一號功率開關、二號功率開關、三號功率開關、四號功率開關、五號功率開關和六號功率開關的電路結構相同，一號功率開關包括二極體和三極體，二極體的陰極與三極體的集電極連接，二極體的陽極與三極體的發射極連接，電源的正極同時與二號功率開關的三極體的發射極、四號功率開關的三極體的發射極和六號功率開關的三極體的發射極連接，電源的負極同時與一號功率開關的三極體的集電極、三號功率開關的三極體的集電極和五號功率開關的三極體的集電極連接，一號功率開關的三極體的發射極同時與二號功率開關的三極體的集電極和輸出濾波器的第一信號輸入端連接，三號功率開關的三極體的發射極同時與四號功率開關的三極體的集電極和輸出濾波器的第二信號輸入端連接，五號功率開關的三極體的發射極同時與六號功率開關的三極體的集電極和輸出濾波器的第三信號輸入端連接。
[0009]所述伺服驅動器還包括信號處理器，所述信號處理器的第一脈寬調製信號輸出端與一號功率開關的三極體的基極連接，信號處理器的第二脈寬調製信號輸出端與二號功率開關的三極體的基極連接，信號處理器的第三脈寬調製信號輸出端與三號功率開關的三極體的基極連接，信號處理器的第四脈寬調製信號輸出端與四號功率開關的三極體的基極連接，信號處理器的第五脈寬調製信號輸出端與五號功率開關的三極體的基極連接，信號處理器的第六脈寬調製信號輸出端與六號功率開關的三極體的基極連接。
[0010]所述信號處理器還用於檢測電機電流。
[0011]潛油螺杆泵伺服驅動系統的驅動方法，其特徵在於，它包括以下步驟:
[0012]步驟一、信號處理器產生六路脈寬調製信號，分別控制一號功率開關、二號功率開關、三號功率開關、四號功率開關、五號功率開關和六號功率開關的通斷，對伺服永磁同步電機進行電壓高頻注入；
[0013]步驟二、信號處理器檢測伺服永磁同步電機的電流，根據伺服永磁同步電機的電壓和電流獲得34極的位置，即磁通初始角度；
[0014]步驟三、分別在(1-軸的正方向和反方向注入電壓脈衝，確定~極的角度，即(1-軸的正方向；
[0015]步驟四、獲得了磁通初始角度和(1-軸的正方向後，信號處理器採用無編碼器矢量控制方法啟動運行伺服永磁同步電機。
[0016]有益效果:本發明所述的伺服驅動器放置在地面，伺服永磁同步電機放置在深度上百米甚至幾千米的井下，伺服驅動器通過電纜為伺服永磁同步電機提供動力。輸出濾波器能夠抑制對地電流，在一定範圍內限制對地漏電流，以確保伺服驅動器的正常工作，避免電磁幹擾和伺服永磁同步電機的軸承的損壞；同時能夠抑制電壓、電流在變頻器和電機間的反射，避免電機過電壓引起的電機絕緣損壞，進而能夠有效地解決由於驅動器輸出電壓變化率高，導致電機的絕緣和軸承損壞的問題；補償由於動力電纜幾何不對稱而引起的系統中三相電感的不對稱，從而消除電感不對稱對電機控制的影響【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為【具體實施方式】一所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的結構示意圖；
[0018]圖2為常規交流電機伺服驅動系統的結構示意圖；
[0019]圖3為同步電機轉子和磁通初始角度的示意圖；
[0020]圖4為【具體實施方式】六所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的驅動方法的流程圖；
[0021]圖5為【具體實施方式】一所述的輸出濾波器2的電氣原理圖。
【具體實施方式】[0022]【具體實施方式】一、結合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統包括伺服驅動器1和伺服永磁同步電機3，它還包括輸出濾波器2，所述伺服驅動器1的輸出端與輸出濾波器2的輸入端連接，輸出濾波器2的輸出端通過電機動力電纜與伺服永磁同步電機3的輸入端連接，所述輸出濾波器2包括共模電感2-1、三相電感2-2和補償電感10，所述共模電感2-1包括第一電感111、第二電感112和第三電感112，三相電感2-2包括第四電感121、第五電感122和第六電感123，所述第一電感111與第四電感121串聯在第一相導線中，第二電感112、第五電感122和補償電感10串聯在第二相導線中，第三電感112與第六電感123串聯在第三相導線中。
[0023]本實施方式中，伺服驅動器1放置在地面，伺服永磁同步電機3放置在深度上百米甚至幾千米的井下，伺服驅動器1通過電纜為伺服永磁同步電機3提供動力。
[0024]本實施方式所述的輸出濾波器2能夠抑制對地電流，在一定範圍內限制對地漏電流，以確保伺服驅動器的正常工作，避免電磁幹擾和伺服永磁同步電機的軸承的損壞；同時能夠抑制電壓、電流在變頻器和電機間的反射，避免電機過電壓引起的電機絕緣損壞。
[0025]本實施方式中，共模電感2-1用於抑制高速信號線產生的電磁波輻射，通過調整三相電感2-2中的電感值大小可以抑制動力電感的電壓變化率，補償電感10用於補償三相導線之間存在的電感差異，使得伺服驅動器1能夠更加正確和精確地控制電機工作。
[0026]【具體實施方式】二、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的區別在於，所述輸出濾波器2的型號為2X00^-0050-2114。
[0027]【具體實施方式】三、結合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的區別在於，所述伺服驅動器1包括電源1-7、一號功率開關1-1、二號功率開關1-2、三號功率開關1-3、四號功率開關1-4、五號功率開關1-5和六號功率開關1-6，所述一號功率開關1-1、二號功率開關1-2、三號功率開關1-3、四號功率開關1-4、五號功率開關1-5和六號功率開關1-6的電路結構相同,一號功率開關1-1包括二極體和三極體，二極體的陰極與三極體的集電極連接，二極體的陽極與三極體的發射極連接，電源1-7的正極同時與二號功率開關1-2的三極體的發射極、四號功率開關1-4的三極體的發射極和六號功率開關1-6的三極體的發射極連接，電源1-7的負極同時與一號功率開關1-1的三極體的集電極、三號功率開關1-3的三極體的集電極和五號功率開關1-5的三極體的集電極連接，一號功率開關1-1的三極體的發射極同時與二號功率開關1-2的三極體的集電極和輸出濾波器2的第一信號輸入端連接,三號功率開關1-3的三極體的發射極同時與四號功率開關1-4的三極體的集電極和輸出濾波器2的第二信號輸入端連接，五號功率開關1-5的三極體的發射極同時與六號功率開關1-6的三極體的集電極和輸出濾波器2的第三信號輸入端連接。
[0028]【具體實施方式】四、結合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】與【具體實施方式】二所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的區別在於，所述伺服驅動器還包括信號處理器，所述伺服驅動器1還包括信號處理器1-8，所述信號處理器1-8的第一脈寬調製信號輸出端與一號功率開關1-1的三極體的基極連接，信號處理器1-8的第二脈寬調製信號輸出端與二號功率開關1-2的三極體的基極連接，信號處理器1-8的第三脈寬調製信號輸出端與三號功率開關1-3的三極體的基極連接，信號處理器1-8的第四脈寬調製信號輸出端與四號功率開關1-4的三極體的基極連接，信號處理器1-8的第五脈寬調製信號輸出端與五號功率開關1-5的三極體的基極連接，信號處理器1-8的第六脈寬調製信號輸出端與六號功率開關1-6的三極體的基極連接。[0029]【具體實施方式】五、本【具體實施方式】與【具體實施方式】三所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的區別在於，所述信號處理器1-8還用於檢測電機電流。
[0030]交流電機的速度和為該電機供電的電壓的頻率成正比，而電機的反電勢，即電機的電壓和速度成正比。要達到電機速度連續可調，需要一個頻率和幅值都連續可變的交流電壓。本發明所述的伺服驅動器1可以產生這樣的電壓給伺服永磁同步電機3提供電源，使其運行速度連續可調。
[0031]產生一個頻率和幅值連續可變的交流電壓通常採用脈寬調製技術。伺服驅動器1內的信號處理器1-8產生脈寬調製信號來適當地控制驅動器的六個功率開關的開通和關斷，通過重複不斷地開通和關斷可以達到從母線電壓的直流產生給伺服永磁同步電機3提供交流電壓。這樣產生的電壓是一系列的方波，一個開通和關斷周期的方波電壓的平均值和當前伺服永磁同步電機3所需要的交流電壓的副值相等。
[0032]為了得到一個高質量的交流電壓，功率開關的開通和關斷必須以較高的頻率重複，比如每秒鐘重複4000次，即4紐2，這個重複頻率稱之為開關頻率。功率開關的開通和關斷時會產生開關損耗，為了降低開關損耗，希望開通和關斷的速度儘可能的快，這種快速的開通和關斷會使伺服驅動器1所產生的輸出方波電壓的上升和下降很快，亦即輸出電壓^/(1^非常的高。
[0033]對常規的交流電機伺服驅動系統，其電機動力電纜一般不會超過30%輸出電壓如/也不是問題，而本發明所述的驅動系統的電機動力電纜可達2000%是常規系統的60多倍。當動力電纜的長度超過一定的值，以及通過電纜傳輸的電壓和電流快速變化時，電纜的電氣參數，不能如常規按集中參數處理，而是分布參數，電纜傳輸的電量，電壓和電流也必須按傳輸線理論來處理，電壓和電流不僅僅是時間的函數，同時也是位置的函數，它們沿電纜長度的方向是一種傳輸波。因此，需要對採用脈寬調製技術產生的電壓通過長動力電纜而可能出現的問題進行分析。
[0034]首先，電壓變化率如/也很高時，電壓波沿電纜長度的方向傳輸，當電壓波到達分布參數變化的位置，如電機的接線盒，會產生折射和反射，這種反射會在電機繞組產生高達驅動器輸出電壓三倍的電壓，使電壓變化率如/也更高，從而在各相繞組之間以及相繞組和機殼之間的寄生電容流過高頻電流，這種高電壓和高頻電流會引起電機的絕緣和軸承損壞。
[0035]其次，為了保護井下動力電纜，電纜具備良好的金屬鎧裝保護，即電纜的屏蔽，使用中金屬鎧裝和大地連接，如此，會導致動力電纜各相線和大地間的電容很大，如不採取特殊措施，功率開關工作時，對地漏電流隨動力線的長度增加而變大，會引起嚴重的電磁幹擾，及變頻器損壞等，無法啟動電機運行。
[0036]【具體實施方式】六、結合圖3和圖4說明本【具體實施方式】，【具體實施方式】五所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的驅動方法包括以下步驟:
[0037]步驟一、信號處理器1-8產生六路脈寬調製信號，分別控制一號功率開關1-1、二號功率開關1-2、三號功率開關1-3、四號功率開關1-4、五號功率開關1-5和六號功率開關
1-6的通斷，對伺服永磁同步電機3進行電壓高頻注入；
[0038]步驟二、信號處理器1-8檢測伺服永磁同步電機3的電流，根據伺服永磁同步電機3的電壓和電流獲得5,極的位置，即磁通初始角度；
[0039]步驟三、分別在(1-軸的正方向和反方向注入電壓脈衝，確定~極的角度，即(1-軸的正方向；
[0040]步驟四、獲得了磁通初始角度和(1-軸的正方向後，信號處理器1-8採用無編碼器矢量控制方法啟動運行伺服永磁同步電機3。
[0041]本實施方式所述的驅動方法採用無編碼器矢量控制方法，伺服驅動器1與伺服永磁同步電機3僅需要三根三相動力線連接即可，在啟動伺服永磁同步電機3運行前先獲得伺服永磁同步電機3磁通初始角度確保電機平穩啟動，避免了伺服永磁同步電機3在啟動時發生反轉，產生機械衝擊，導致伺服永磁同步電機3機械部件疲勞，縮短其工作壽命的缺陷。
[0042]本實施方式中，對伺服永磁同步電機3進行電壓高頻注入之後需要等待一段時間再對伺服永磁同步電機3的電流進行檢測，等待時間的長短與伺服永磁同步電機3的定子繞組的時間常數相關。
【權利要求】
1.潛油螺杆泵伺服驅動系統，它包括伺服驅動器(1)和伺服永磁同步電機(3),其特徵在於，它還包括輸出濾波器(2),所述伺服驅動器(1)的輸出端與輸出濾波器(2)的輸入端連接，輸出濾波器(2)的輸出端通過電機動力電纜與伺服永磁同步電機(3)的輸入端連接，所述輸出濾波器(2)包括共模電感〔2-0、三相電感(2-2)和補償電感(⑶)，所述共模電感(2-1)包括第一電感110、第二電感([12)和第三電感([12),三相電感(2-2)包括第四電感(121^第五電感(122)和第六電感(123),所述第一電感(111)與第四電感(121)串聯在第一相導線中，第二電感(112^第五電感(122)和補償電感(10)串聯在第二相導線中，第三電感([12)與第六電感([23)串聯在第三相導線中。
2.根據權利要求1所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統，其特徵在於，所述輸出濾波器(2)的型號為21(0(^-0050-剛14。
3.根據權利要求1所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統，其特徵在於，所述伺服驅動器(1)包括電源(1-7〉、一號功率開關(1-0、二號功率開關(1-2?、三號功率開關(1-3?、四號功率開關(1-4〉、五號功率開關(1-5)和六號功率開關(1-6),所述一號功率開關(1-0、二號功率開關(1-2〉、三號功率開關(1-3).四號功率開關(1-4).五號功率開關(1-5)和六號功率開關(1-6)的電路結構相同，一號功率開關(1-1)包括二極體和三極體，二極體的陰極與三極體的集電極連接，二極體的陽極與三極體的發射極連接，電源(1-7)的正極同時與二號功率開關(1-2)的三極體的發射極、四號功率開關(1-4)的三極體的發射極和六號功率開關(1-6)的三極體的發射極連接，電源(1-7)的負極同時與一號功率開關(1-1)的三極體的集電極、三號功率開關(1-3)的三極體的集電極和五號功率開關(1-5)的三極體的集電極連接，一號功率開關(1-1)的三極體的發射極同時與二號功率開關(1-2)的三極體的集電極和輸出濾波器(2)的第一信號輸入端連接，三號功率開關(1-3)的三極體的發射極同時與四號功率開關(1-4)的三極體的集電極和輸出濾波器(2)的第二信號輸入端連接,五號功率開關(1-5)的三極體的發 射極同時與六號功率開關(1-6)的三極體的集電極和輸出濾波器(2)的第三信號輸入端連接。
4.根據權利要求3所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統，其特徵在於，所述伺服驅動器(1)還包括信號處理器(1-8),所述信號處理器(1-8)的第一脈寬調製信號輸出端與一號功率開關(1-1)的三極體的基極連接，信號處理器(1-8)的第二脈寬調製信號輸出端與二號功率開關(1-2)的三極體的基極連接，信號處理器(1-8)的第三脈寬調製信號輸出端與三號功率開關(1-3)的三極體的基極連接，信號處理器(1-8)的第四脈寬調製信號輸出端與四號功率開關(1-4)的三極體的基極連接，信號處理器(1-8)的第五脈寬調製信號輸出端與五號功率開關(1-5)的三極體的基極連接，信號處理器(1-8)的第六脈寬調製信號輸出端與六號功率開關(1-6)的三極體的基極連接。
5.根據權利要求4所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統，其特徵在於，所述信號處理器(1-8)還用於檢測伺服永磁同步電機(3)的電流。
6.權利要求5所述的潛油螺杆泵伺服驅動系統的驅動方法，其特徵在於，它包括以下步驟: 步驟一、信號處理器號功率開關(1-2〉、三號功率開關(1-3).四號功率開關(1-4).五號功率開關(1-5)和六號功率開關(1-6)的通斷，對伺服永磁同步電機(3)進行電壓高頻注入；步驟二、信號處理器(1-8)檢測伺服永磁同步電機(3)的電流，根據伺服永磁同步電機(3)的電壓和電流獲得34極的位置，即磁通初始角度； 步驟三、分別在(1-軸的正方向和反方向注入電壓脈衝，確定~極的角度，即(1-軸的正方向； 步驟四、獲得了磁通初始角度和(1-軸的正方向後，信號處理器(1-8)採用無編碼器矢量控制方法啟動運行伺服永磁同步電機(3 )。
【文檔編號】H02M1/12GK103840721SQ201410113850
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】趙剛, 張傳緒, 蔣金生 申請人:哈爾濱中科盛普科技有限公司