CN106452270A - 潜油直线电机碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于潜油直线电机的碰撞检测方法，所述潜油直线电机的运动过程包括运动期和等待期，所述方法包括：基于所述潜油直线电机的电流、电压或功率信息获取碰撞信息。本发明的检测方法不依赖位置传感器，仅使用位于井口的电流传感器实时采样直线电机定子电流。主控制板对检测到的定子电流进行处理后计算碰撞特征量，通过该特征量的取值即可判断电机是否发生碰撞。该检测方法硬件成本低，检测速度快，软件通用性好，为实现直线电机的智能控制提供重要手段。

Description

潜油直线电机碰撞检测方法

技术领域

本发明属于石油开采设备领域，具体涉及一种潜油直线电机碰撞检测方法。

背景技术

油田采油过程中，普遍采用游梁式抽油机，这种采油方式通过机械传动的方式将皮带轮的旋转运动转换为抽油杆的上下往复运动，所以结构简单，可靠性高，但存在传动环节效率损失大、管杆偏磨与噪声大等不足。

使用潜油往复式直线电机的抽油机，其驱动电机为圆筒形直线电机，该电机定子线圈密封在外筒内，内筒是由永磁体组成的动子，向定子输入三相交流电压，即可驱动动子做上下往复运动。因为相对磕头机省去了旋转运动到直线运动的转换环节，所以潜油直线电机效率得以提高。

但是，由于直线电机内没有足够安装空间来安装传感器，导致可靠性降低。鉴于潜油直线电机一般没有位置传感器，直线电机动子位移只能实现基于同步电机特性的开环控制，因此动子位置无法精确控制。由于井下不可避免地存在直线电机沙卡、抽油泵泄漏/抽空、控制误差等现象，这些因素将导致开环控制的动子位置发生偏差，位置偏差经过一定时间的积累后，很有可能导致电机动子与定子上下两端的限位装置发生碰撞。频繁发生这样的碰撞，将导致电机定子外筒机械结构强度降低甚至破损，井液从破损处进入定子后将导致定子线圈绝缘降低甚至短路，降低电机寿命，提高运行维护成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于直流电机的碰撞检测方法，一旦动子与定子的上/下限位装置发生碰撞，该方法可立刻检测出碰撞现象发生，为后续采取校正措施提供重要依据。

具体而言，本发明提供了一种用于潜油直线电机的碰撞检测方法，所述潜油直线电机包括定子和动子，所述定子上设置有上限位装置和下限位装置，所述动子在所述上限位装置和下限位装置之前往复运动，其运动过程包括运动期和等待期，其特征在于，所述方法包括：基于所述潜油直线电机的电流、电压或功率信息获取碰撞信息。

进一步地，所述方法包括下述步骤：

步骤(1)、对所述潜油直线电机的定子电流进行采样；

步骤(2)、对所采样电流进行滤波处理；

步骤(3)、获取所述潜油直线电机的定子输入电压频率f；

步骤(4)根据所述潜油直线电机的定子输入电压频率f计算所述潜油直线电机的动子的实时速度v＝2τf，公式中v是直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距；

步骤(5)、基于所计算的所述动子的实时速度计算所述动子的位移，s＝∑vT_s，公式中，s为所述动子的实时位移，T_s是计算周期；

步骤(6)基于计算得到的所述动子的实时位移值s与设定位移值S_SET进行比较；

步骤(7)如果s≥S_SET，判定本次运动过程顺利结束，所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞；

步骤(8)、如果实时位移值s<S_SET，认定当前正处于运动期，计算当前电流值对时间变化率，[i(k)-i(k-1)]/T_s，公式中，i(k)是当前采样周期得到的定子电流值，i(k-1)是上一个采样周期得到的定子电流值，T_s是程序中断周期；

步骤(9)如果斜率的绝对值小于等于预定阈值，则将当前点判定为电流波形的驻点，对判断为驻点的点，记录当前的时刻，并将所记录的当前时刻与上一个相邻驻点的时刻值做差得到两个驻点的时间间隔；

步骤(10)、如果斜率的绝对值大于预定阈值，则判定当前点不是电流波形驻点；

步骤(11)、判定两个驻点的时间间隔是否在0.4～0.6倍输入电压周期范围内，如果时间间隔在0.4～0.6倍输入电压周期范围内，则判定所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞；若时间间隔小于0.4倍输入电压周期，判定所述定子发生碰撞；

步骤(12)、在等待期，将驻点记录清0，为下一轮检测做准备。

进一步地，所述预定阈值为0.05。

本发明的方法通过一控制电路实现，其包括十二脉波自耦变压器、第一三相桥式不控整流模块REC₁、第二三相桥式不控整流模块REC₂、第一平衡电抗器L₁、第二平衡电抗器L₂、第一、第二、第三IGBT半桥模块，第一、第二和第三输出滤波电感L₃、L₄、L₅，第一、第二、第三滤波电容C₁、C₂、C₃，

所述十二脉波自耦变压器输出两组三相交流电压A₁B₁C₁和A₂B₂C₂，这两组三相电压对应相的相位差为30度，三相电压A₁B₁C₁输入第一三相桥式不控整流模块REC₁，三相电压A₂B₂C₂输入第二三相桥式不控整流模块REC₂，第一三相桥式不控整流模块REC₁、第二三相桥式不控整流模块REC₂输出的正极分别连接到第一平衡电抗器L₁两端点，第一三相桥式不控整流模块REC₁、第二三相桥式不控整流模块REC₂输出的负极分别连接到第二平衡电抗器L₂两端点，第一平衡电抗器L₁的中点连接到直流母线电容C_dc的正极，第二平衡电抗器L₂的中点连接到直流母线电容C_dc的负极到直流母线电容C_dc的正负极分别连接3个IGBT半桥模块的两端，三个IGBT半桥模块的中点分别通过第一、第二、第三输出滤波电感L₃、L₄、L₅。

本申请的申请人通过实验发现，电机的动子与定子限位机构发生碰撞时，定子电压/电流会发生明显的畸变，因此可通过畸变的电压/电流提取一些碰撞特征量来判断有无发生碰撞。因此，本发明使用电机电子电流来判断碰撞，具体实现过程如下：在动子运动期间电流霍尔传感器一直实时采样电机定子电流，电流霍尔输出的采样电流在完成硬件滤波与调理后送入核心控制器(一般为DSP，单片机或ARM芯片)，核心控制器对定子电流进行数字化采样。通过比较当前实时位移是否达到设定位移值判断当前是处于上下运行时段还是等待时段，如果当前实时位移不小于设定位移值，则当前处于等待时段，程序不进行碰撞判断，如果当前实时位移小于设定位移值，则当前动子处于上/下运行时段，程序实时计算碰撞特征量，碰撞特征量可以是电流THD(总谐波畸变率)、三相定子电流的零序和负序分量、电流短时平均值、电流波形相邻驻点间的时间间隔、电流变化率等，这些碰撞特征量在碰撞前后均会发生明显的改变，因此可通过碰撞特征量的取值判断有无发生碰撞。

本发明的优点是：1、硬件成本低；2、检测速度快；3.软件通用性好。

附图说明

图1是用于执行本发明方法的控制柜的电路拓扑；

图2是直线电机正常循环运行时的定子电压电流实测波形；

图3是定子电压电流在发生碰撞前后的实测波形；

图4是本发明的碰撞检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明进行详细说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例描述的范围之中。

图1是用于执行本发明方法的控制柜电路拓扑。该控制柜电路用于潜油往复式抽油机。如图1所示，三相交流输入电压输入一个十二脉波自耦变压器，该自耦变压器输出两组三相交流电压A₁B₁C₁和A₂B₂C₂，这两组三相电压对应相的相位差为30度，即A₁、B₁、C₁的相位超前或滞后A₂、B₂、C₂的相位30度。三相电压A₁B₁C₁输入三相桥式不控整流模块REC₁，三相电压A₂B₂C₂输入三相桥式不控整流模块REC₂，整流模块REC₁和REC₂输出的正极分别连接到平衡电抗器L₁两端点，整流模块REC₁和REC₂输出的负极分别连接到平衡电抗器L₂两端点。平衡电抗器L₁的中点连接到直流母线电容C_dc的正极，平衡电抗器L₂的中点连接到直流母线电容C_dc的负极。Q₁-Q₂,Q₃-Q₄,Q₅-Q₆为3个IGBT半桥模块，Q₁，Q₃，Q₅为这3个半桥模块的上管，它们的集电极都接到直流母线电容C_dc的正极，Q₂，Q₄，Q₆为这3个半桥模块的下管，它们的发射极都接到直流母线电容C_dc的负极。Q₁，Q₃，Q₅的发射极接到输出滤波电感L₃，L₄，L₅的输入侧。3个滤波电容C₁，C₂，C₃跨接在滤波电感L₃，L₄，L₅的输出侧。直线电机的定子线圈通过潜油铠装电缆分别连接到滤波电感L₃，L₄，L₅的输出侧。在控制柜中,两个电流霍尔分别采样两路电机电子电流,用来进行碰撞检测；主控制板同时输出驱动信号给驱动板,驱动板将主控制板输入的驱动信号进行处理后输出6路驱动信号给3个半桥IGBT模块的6个开关管，驱动开关管斩波运行。

图2是直线电机正常循环运行时的定子电压电流实测波形。波形上部方框为概览图，下部方框为概览图中右侧小方框的放大图。波形中维持在两条线框内的是定子电流波形，波峰超过线框的是定子线电压波形。在概览图中，电压电流波形均为正弦的时段为动子运动时段，这时根据定子电压的不同相序，动子向上或向下运行。电压电流波形均为直线的时段为动子等待时段，这段时间控制柜不再输出交流电压驱动动子运动，等待时间完成后，定子电压相序反相，动子换向运行。综上所述，直线电机的运行规律为向下运行-等待-向上运行-等待，并以此规律不断循环运行。从波形下部的放大图中可以看出，电机运行时，电流为良好的正弦波形，因而电流THD小，电流波形上相邻驻点间的时间间隔为1/2周期，电流对时间变化率呈正弦规律变化。

图3是定子电流在发生碰撞前后的实测波形。图中峰值低的是定子电流波形，峰值高的是定子线电压波形。在波形中心纵轴对应的时刻动子与定子限位机构发生碰撞，可以看到碰撞发生前，电流波形呈较良好的正弦波形，碰撞发生后，电流波形发生明显畸变，波形的THD增加，电流对时间变化率的绝对值明显增大，电流波形上相邻驻点间的时间间隔明显减小。

图4是碰撞检测算法的程序流程图。本实例根据定子电流波形上相邻驻点间的时间间隔判断电流波形是否发生畸变，进而判断是否发生碰撞。程序流程如下：进入程序后，主控板首先采样定子电流并做软件滤波去除干扰，再根据当前输入电压频率f计算动子实时速度，即v＝2τf，公式中v是直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距，这是一个常量，f是定子电压的频率，由控制板控制，是一个已知量。并进一步计算动子位移，即s＝∑vT_s，公式中，s为动子的实时位移，v是直线电机的动子运动速度，T_s是程序中断周期，为保证计算精度，一般为微秒量级。将计算得到的实时位移值s与设定位移值S_SET(设定位移值由电机结构允许的最大冲程与抽油机冲次、排量决定)做比较，如果s>＝S_SET，说明本次运动过程顺利结束，未发送碰撞，在等待期间将驻点时刻值清0，为下一轮检测做准备；如果实时位移值s<S_SET，说明当前正处于运动过程中，这时计算当前电流值对时间变化率,即[i(k)-i(k-1)]/T_s，公式中，i(k)是当前采样周期得到的定子电流值，i(k-1)是上一个采样周期得到的定子电流值，T_s是程序中断周期。如果斜率接近0，比如在-0.05～0.05之间，说明当前点为电流波形的驻点，如果斜率不在这个范围，说明当前点不是电流波形驻点。对判断为驻点的点，记录当前的时刻，并和记录的上一个相邻驻点的时刻值做差得到两个驻点的时间间隔。在未发生碰撞时，该时间间隔为0.5倍输入电压周期，在发生碰撞后，该间隔会大大减小。根据这个原理检测相邻驻点间的时间间隔，如果该时间间隔在0.4～0.6倍输入电压周期，则说明电流波形未发送畸变，电机未碰撞；如果该时间间隔在0～0.4倍输入电压周期，说明电流波形发生畸变，电机发生碰撞。为进一步提高判断的可靠性，可进行多次判断，如果检测到连续多次(比如3次)发生碰撞，即判定发生碰撞。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于潜油直线电机的碰撞检测方法，所述潜油直线电机包括定子和动子，所述定子上设置有上限位装置和下限位装置，所述动子在所述上限位装置和下限位装置之前往复运动，其运动过程包括运动期和等待期，其特征在于，所述方法包括：基于所述潜油直线电机的电流、电压或功率信息获取碰撞信息。

2.根据权利要求1所述的用于潜油直线电机的碰撞检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤(1)、对所述潜油直线电机的定子电流进行采样；

步骤(2)、对所采样电流进行滤波处理；

步骤(3)、获取所述潜油直线电机的定子输入电压频率f；

步骤(4)根据所述潜油直线电机的定子输入电压频率f计算所述潜油直线电机的动子的实时速度v＝2τf，公式中v是直线电机的动子运动速度，τ是直线电机的极距；

步骤(5)、基于所计算的所述动子的实时速度计算所述动子的位移，s＝∑vT_s，公式中，s为所述动子的实时位移，T_s是计算周期；

步骤(6)基于计算得到的所述动子的实时位移值s与设定位移值S_SET进行比较；

步骤(7)如果s≥S_SET，判定本次运动过程顺利结束，所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞；

步骤(8)、如果实时位移值s<S_SET，认定当前正处于运动期，计算当前电流值对时间变化率，[i(k)-i(k-1)]/T_s，公式中，i(k)是当前采样周期得到的定子电流值，i(k-1)是上一个采样周期得到的定子电流值，T_s是程序中断周期；

步骤(9)如果斜率的绝对值小于等于预定阈值，则将当前点判定为电流波形的驻点，对判断为驻点的点，记录当前的时刻，并将所记录的当前时刻与上一个相邻驻点的时刻值做差得到两个驻点的时间间隔；

步骤(10)、如果斜率的绝对值大于预定阈值，则判定当前点不是电流波形驻点；

步骤(11)、判定两个驻点的时间间隔是否在0.4～0.6倍输入电压周期范围内，如果时间间隔在0.4～0.6倍输入电压周期范围内，则判定所述定子未与上限位装置和下限位装置中的任意一个发生碰撞；若时间间隔小于0.4倍输入电压周期，判定所述定子发生碰撞；

步骤(12)、在等待期，将驻点记录清0，为下一轮检测做准备。

3.根据权利要求2所述的用于潜油直线电机的碰撞检测方法，其特征在于，所述预定阈值为0.05。