CN105915149B - 断续供电节能控制中断电后电机转速精确辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动机节能控制技术领域，尤其涉及一种断续供电节能控制中断电后电机转速精确辨识方法，当切断电动机供电电源后，利用电机定子绕组残压检测转速，待残压衰减至额定电压10％时，利用单片机控制可控硅器件向定子任意一相绕组通电，使得转子导条感应出电动势及电流；当定子任意一相绕组通电完毕后，依靠转子侧所感应出的电流在空间中产生随转子旋转的磁场来切割定子绕组，并感应出与转子转速相对应的感应电动势，通过单片机判断感应电动势频率即可完成断续供电节能控制过程中转子转速的精确辨识。本发明在不改变电机运行参数，同时尽量减少能耗的前提下，确保断电控制过程中残压不至于衰减过低，保证电机转速稳定、准确检测。

Description

断续供电节能控制中断电后电机转速精确辨识方法

技术领域

本发明属于电动机节能控制技术领域，尤其涉及一种断续供电节能控制中断电后电机转速精确辨识方法。

背景技术

国内外油田采油设备多为游梁式抽油机，当电动机驱动此类负荷时，在抽油机上冲程过程中电机通常处于重载，下冲程过程中由于抽油杆及液柱重力的作用，电机会进入轻载甚至发电工况。针对这种周期性势能负载的特点，已有大量文献从不同节能机理角度出发，提出并研究多种针对抽油机电机系统的节能技术。这些节能技术从运行方式上大致可分为两个方面，一种是基本不改变抽油机冲次，通过提高电机运行效率及线路功率因数实现节能，包括断续供电、调压节能、星角转换、电容补偿、高效电机、直线电机等；另一种是结合井下液面及供液量等情况，通过控制电机或使用不同功能电机等方式，进而改变抽油机冲次达到节能目的，包括多速电机、变频调速、超高转差率电机、间抽等。

其中断续供电技术在油田已经得到广泛的应用，其设计出发点为在发电区域断开电源，电动区域接通电源的控制方式实现节能控制，其主要控制环节及其特点如下：

1)当所处在发电和轻载状态断开电机电源，此时电机的绕组电压、电流为零，最大限度上降低了电机损耗。当重新进入电动工况时在接通电源让电机继续运行。如果能够在抽油机工作一个机械周期中合理选择断电时刻抽油机在断电后，电机利用抽油机势能及惯性继续旋转，实现了“断电不停机”节能控制。

2)断电后通过检测电机的运转转速，在电机进入电动工况并处于同步速附近通过“快速软投入”控制方法实现电源无冲击投入，实现了“通电无冲击”控制，节能效果显著。

在完成“断电不停机、通电无冲击””控制环节中，为了实现“通电无冲击”控制，要求投入电源时刻的功率处于非重载运行状态，同时电机转速应尽量接近同步速。为了实现在同步速附近投入电源，断电后电机转速的准确检测尤为重要。检测不准不但影响投入时刻的冲击电流，严重情况下会导致抽油井机械联接故障甚至停机。尽管已有相关文献提出了利用参演检测电机转速的方法，但没有考虑断电时间过长，残压衰减过小后无法检测到电机转速的问题。

发明内容

针对上述背景技术中提到的抽油机长时间断电残压衰减过低的问题，本发明提出了一种断续供电节能控制中断电后电机转速精确辨识方法，包括：

当切断电动机供电电源后，利用电机定子绕组残压检测转速，待残压衰减至额定电压10％时，利用单片机控制可控硅器件向定子任意一相绕组通电，使得转子导条感应出电动势及电流；

当定子任意一相绕组通电完毕后，依靠转子侧所感应出的电流在空间中产生随转子旋转的磁场来切割定子绕组，并感应出与转子转速相对应的感应电动势，通过单片机判断感应电动势频率即可完成断续供电节能控制过程中转子转速的精确辨识。

所述向定子任意一相绕组通电的条件要满足电压相位角为120°～150°，通电时间持续5ms～10ms。

所述转子转速的精确辨识方法包括：

在断电运行过程中，通过比较器将残压模拟信号转化为方波，再利用单片机外部中断与时间定时器中断功能检测并计算定子绕组残压波形中相邻两个过零点之间的持续时间T_c，计算公式如下：

T_c＝k×T₀

式中，T_c表示残压一个周期持续时间；k表示两次外部中断期间定时器中断次数；T₀为定时器每次中断持续时间；

在检测到T_c后，电机转速可用下式求解：

n_r＝60/(P×T_c)

式中，n_r为辨识的转子转速；P为电机极对数。

所述所述残压衰减至额定电压10％的时刻可通过检测残压波形求出，对不同周期的残压幅值进行指数函数拟合来预测，计算如下：

U_res＝U₀×e^-t/τ

式中，U_res为残压幅值；U₀为检测残压的第一个周期的电压幅值；t为时间；τ为衰减时间常数，通过曲线拟合求得。

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的断电运行过程中电动机转速精确辨识方法，能够很好地适应复杂多变的抽油机电动机负荷，无论负荷如何波动，本发明所述方法都能够精确辨识出断电运行时电机转速；

本发明所提出的方法不仅能够精确辨识出电机转速，而且可以适当减缓在负荷释放势能时随之急剧增加的电机转速，防止电机转子旋转过快而损害电机；

本发明所述方法不仅可以通过精确判定转速而获得良好的节能效果，而且保证了电机的正常稳定运行；

本发明不仅适用于抽油机电动机断续供电节能控制中的电机转速精确辨识，还可以适用于其他技术中断电运行时电机转速的精确辨识。

附图说明

图1为本发明所述转速辨识方法流程图；

图2为5.5kW抽油机电动机断电后残压波形；

图3为22kW抽油机电动机断电后残压波形；

图4为单片机模拟信号转数字信号硬件电路图；

图5为本发明断电运行过程中将残压模拟信号转化成的方波示意图；

图6为为本发明在实际断电运行过程中将残压模拟信号转化成方波信号的波形图；

图7为单片机与输出触发信号硬件电路图；

图8为可控硅触发回路电路图；

图9为本发明向定子任意一相绕组通电时的绕组电压及电流波形；

图10为本发明断电3s再通电残压波形；

图11为本发明通过残压波形过零点间隔时间辨识得到的电机转速。

具体实施方式

下面结合附图，对一台5.5kW电机及图详细说明实施方案及步骤，如图1所示，

(1)控制装置检测是否满足断电操作，如果满足执行断电操作；

(2)断电后，单片机首先检测电机绕组残压幅值，所检测的残压波形如图2和图3所示，分别是5.5kW和22kW抽油机电动机断电后残压波形；检测残压的同时还需要通过对残压幅值进行拟合，预判绕组残压幅值低于额定值的10％时的可能时刻；例如利用附表1中5.5kW电机的残压数据，采用U_res＝U₀*e^-t/τ进行拟合，可得τ为3.8、可以初步计算得出当残压幅值低于10％时需要大约7.8s；附表2中22kW电机的残压数据，采用U_res＝U₀*e^-t/τ进行拟合，可得τ为0.34，可以初步计算得出当残压幅值低于10％时需要大约0.88s；

表1 5.5kW电机残压幅值随时间变化值

表2 22kW电机残压幅值随时间变化值

时间点	幅值
		1.167	466
1.187	434
		1.207	408
1.248	367
		1.268	346
1.288	327
		1.309	310
1.329	293
		1.349	278
1.37	262
		1.39	249

(3)当传感器检测到的残压幅值大于10％时，采用图4所示比较器将图5中残压模拟信号转化为方波，如图6所示，利用电机单片机外部中断与时间定时器中断功能检测并计算定子绕组残压波形中相邻两个过零点之间的间隔时间T_c，根据检测到的残压波形过零点持续时间T_c辨识出的电机转速；

(4)当传感器检测到残压衰减至额定电压10％时，利用图7和图8所示单片机控制可控硅器件检测电压相位，当电压相位角为120°～150°时向定子任意一相绕组通电，通电时间持续5ms～10ms，如图9所示，t₁～t₂时刻为可控硅导通区间，曲线加粗部分分别为一相绕组电压波形和一相绕组电流波形，图9中电压幅值比例缩小20倍，绕组电压与电流则可在同一坐标系中清晰表示，断电后再次短暂通电的残压波形如图10所示，进一步检测出再次短暂通电后残压波形过零点持续时间T_c，根据T_c辨识出电机转速，后续步骤按(3)中所述；

(5)经过上述步骤(3)和(4)，检测到的电机转速如图11所示。

(6)检测到满足通电条件，采用快速软投技术接通三相电源。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种断续供电节能控制中断电后电机转速精确辨识方法，其特征在于，包括：

当切断电机供电电源后，利用电机定子绕组残压检测转速，待残压衰减至额定电压10％时，利用单片机控制可控硅器件向定子任意一相绕组通电，使得转子导条感应出电动势及电流；

当定子任意一相绕组通电完毕后，依靠转子侧所感应出的电流在空间中产生随转子旋转的磁场来切割定子绕组，并感应出与转子转速相对应的感应电动势，通过单片机判断感应电动势频率即可完成断续供电节能控制过程中转子转速的精确辨识。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述向定子任意一相绕组通电的条件要满足电压相位角为120°～150°，通电时间持续5ms～10ms。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述转子转速的精确辨识方法包括：

在断电运行过程中，通过比较器将残压模拟信号转化为方波，再利用单片机外部中断与时间定时器中断功能检测并计算定子绕组残压波形中相邻两个过零点之间的持续时间T_c，计算公式如下：

T_c＝k×T₀

式中，T_c表示残压一个周期持续时间；k表示两次外部中断期间定时器中断次数；T₀为定时器每次中断持续时间；

在检测到T_c后，电机转速可用下式求解：

n_r＝60/(P×T_c)

式中，n_r为辨识的转子转速；P为电机极对数。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述残压衰减至额定电压10％的时刻可通过检测残压波形求出，对不同周期的残压幅值进行指数函数拟合来预测，计算如下：

U_res＝U₀×e^-t/τ

式中，U_res为残压幅值；U₀为检测残压的第一个周期的电压幅值；t为时间；τ为衰减时间常数，通过曲线拟合求得。