GBF型螺杆泵地面驱动系统设计

2011年第40卷第1期第52页石油矿场机械OIL FIELD EQUIPMENT2011,40(1):52~56文章编号:1001 3482(2011)01 0052 05GBF型螺杆泵地面驱动系统设计李 伟,孙永兴,蒋淑英(中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061)摘要:针对现有GBF型螺杆泵存在的问题,对其地面驱动装置的传动系统和控制系统进行了设计。

在传动系统方面,采用无刷直流电机取代传统的三相异步电机,用动态扭矩传感器对螺杆承受扭矩实时监测,并根据实际工况要求设计了减速器。

在控制系统方面,整个硬件平台和软件平台采用TI公司高性能的TM S320C2812型DSP作为系统的主控制器,通过调节PWM波占空比实现了电机的无级变速,采用增量式PI对电机闭环控制;通过软件措施实现了电机的软启和软停,并能够预防螺杆泵系统运行过程中可能出现的烧泵和堵转等问题。

基于Labview仿真平台对PI参数调节过程进行了仿真研究。

关键词:GBF型螺杆泵;地面驱动;无刷直流电机;DSP;PI控制中图分类号:T E933.3 文献标识码:ADesign of Ground Drive S ystem for GBF Screw PumpLI Wei,SU N Yong x ing,JIANG Shu ying(College of M echanical and Electr ical Engineer ing,China Univers ity o fPetr oleum(H uadong),Do ngy ing257061,China)Abstract:To overcome the problem s of the present GBF screw pumps,a new g round drive device w as dev elo ped,including m otor drive system and co ntro l sy stem.In respect of m otor drive sys tem,choose to ado pt BLDC m otor instead of the traditional three phase asynchronous motor,and make use o f dynam ic torque sense to monitor the torque values of screw pum p real timely,and de sign the reducer accor ding to the parameters o f the electrom otor and the actual w orking condi tion.In respect o f co ntrol system,TM S320C2812ty pe DSP of TI corporation w as used as the pri m ar y contr oller,by chang ing the duty cycle of PWM to realize the step less speed adjustment,by means of increment type PI algor ithm to implem ent close lo op control of the ro tating speed,by use of softw are str ategy to achieve the so ft star t and soft stop,and to resolv e the problems of Pump Burning and Locked ro to r .A sim ulation study resting on Labview w as carried out to gain the parameters of PI alg orithm.Key words:GBF screw pump;g round drive;BLDCM;DSP;PI contr ol地面驱动单螺杆泵具有能耗低、结构简单、占地面积小、可采收高温高粘度高含砂量原油等特点,已成为国际4大人工举升采油技术之一[1 3]。

GBF型螺杆泵是在传统地面驱动装置中加入了液压防反转机构,从而增加了可靠性[4]。

由于螺杆泵使用过程中经常需要通过更换电机皮带轮和减速器来调参,只能实现几个挡的参数调节,且不具有连续性,造成系统的柔顺性比较差;由于启动时螺杆泵的定子和收稿日期:2010 08 02作者简介:李 伟(1986 ),男,江苏盐城人,硕士研究生,主要从事采油机械监测和设备相关方向的研究,E mail:w eiliupc @g 。

转子处于半干摩擦状态,因此启动阻力矩高于正常运行时所受阻力矩,直接启动电机必然会引起井下螺杆承受更大的扭矩,造成系统过载;由于井下工况复杂,使得出油量不恒定,并且电机经常受到野外供电因素的影响,输出转矩也不稳定,使得定子和转子承受的扭矩不断变化,致使转子会因为突然受到高载荷而断脱;当泵效比较低时,螺杆泵出油量比较少,此时定子和转子摩擦产生的热不易散发,造成螺杆泵定子橡胶不断膨胀引起烧泵,而且这种损坏是不可修复的,给生产造成极大的危害。

GBF 型螺杆泵地面驱动装置分为传动系统、控制系统硬件平台和控制系统软件平台3个部分。

选用无刷直流电机代替传统的三相异步电机,采用新型DSP 控制器对电机进行闭环控制,实时监测螺杆泵运行过程中承受的扭矩,能够预防可能出现的堵转和烧泵等问题。

1 传动系统1.1 扭矩参数计算地面驱动装置的驱动对象是GBF 型大排量螺杆泵,主要技术参数为:扬程h =1100m,采油量Q =200m 3/d,转速n =100r /min,粘度 =100mPa s,油管直径d =76mm,抽油杆外径D =22mm,定子转子过盈量 0=0.18mm,摩擦因数f =0.1,泵挂深度L =800m 。

运动过程中主要克服M 1、M 2、M 3、M 4四个方面的反扭矩,其中,M 1为泵举升井液所需的扭矩;M 2为抽油杆柱受井液摩擦所产生的阻力矩;M 3为泵内摩擦阻力产生的反扭矩,主要由泵内转子与定子之间的摩擦造成的;M 4为抽油杆杆柱变形引起的扭矩。

根据上述条件得出M =M 1+M 2+M 3+M 4 2550N m [5]。

1.2 电机和传感器的选择采用无刷直流电机作为驱动电机,无刷直流电机相对于传统的三相异步电机具有4个特点。

1) 电压、电流关系和控制算法都比较简单。

2) 运行效率高,调速性能优良,能够节约电能以及降低驱动电路的复杂性。

3) 不会产生换向火花,这对于气密度较大的采输工况至关重要。

4) 维护方便,寿命长,干扰较小。

螺杆泵的现场使用参数为:举升量200m 3/d,举升高度800m 左右,抽油泵效率 80%,油体密度800kg/m 3。

计算出功率P =W /t = vgh/t18.5kW 。

选择20kW 电机,额定转速240r/m in,最大传动扭矩1600N m,根据减速器的传动比,完全满足设计要求。

由于螺杆泵工作扭矩达到2550N m,且扭矩值不断变化,因此,选用量程为3000N m 的动态扭矩传感器。

1.3 减速器设计传统螺杆泵系统的驱动结构为交流异步电机通过皮带轮带动减速器,再带动螺杆泵转动采油。

GBF 型螺杆泵地面驱动装置对电机闭环控制后速度变化很小,减速器所受冲击作用也很小,因此可直接通过电机带动减速器来驱动螺杆泵。

减速器有2个作用: 改变转速,将电机转速通过减速器传动比来满足实际的使用要求; 改变转矩,使电机在额定转速下能带动大转矩负载。

螺杆泵工作在野外,故采用闭式传动。

根据螺杆泵转速和电机转速的关系,传动比为2.4 1,满足单级齿轮传动条件,大齿轮转速为100r/min,小齿轮转速为240r/min,设计使用寿命为10a,且不间断工作。

根据现场的装配关系设计采用直齿锥齿轮,大、小齿轮都采用45#钢,模数m =10,小齿轮分度圆直径d 1=280mm ,大齿轮分度圆直径d 2=680mm,锥距R =367.696mm,齿宽b =110mm 。

2 控制系统硬件平台控制系统硬件平台主要包括DSP 主控制器、辅助电路(反电势采集、人机交互电路)、电源和电机驱动电路(IPM 模块)等,如图1。

图1 控制系统框图2.1 DSP 主控制器系统控制的核心是DSP 控制板,采用TI 公司生产的T M S320F2812型号,是目前工业应用中最先进、功能最强大的32位定点DSP [6],主要任务是:EV 模块产生并输出PWM 波形以驱动IPM 模块;实现增量式PI 控制策略;对相应的信号进行A/D 转换;实现短路、欠压和超压保护,防烧泵和过载保53 第40卷 第1期 李 伟,等:G BF 型螺杆泵地面驱动系统设计护;转速实时显示;与上位机通讯、软启动、软停止等。

2.2 辅助电路1) 反电势采集电路 通过采样电机三端的反电势信号与母线电压进行比较,得到反电势过零点的位置作为电机换向的依据。

反电势过零点法的位置检测是目前技术最成熟、实现最简单、应用最广泛的转子位置检测方法,在很多领域都有应用。

2) 人机交互电路 主要包括按键电路和显示电路。

按键电路主要用于控制电机的启动、制动、停机和调速;显示电路用于显示电机转速、系统故障代码等信息。

采用4位共阳极7段LED 数码显示器动态扫描,并使用移位寄存器74H C164作为数码管的驱动电路。

2.3 电源电源主要包括300V 直流电、 15V 直流电和 5V 直流电3个部分。

300V 直流电源用于向直流电机供电,可以通过220V 交流电整流滤波变压后得到; 15V 直流电和 5V 直流电用于向IPM 模块和DSP 供电,可通过自带的稳压电源提供。

2.4 电机驱动电路选用三菱公司的PM50RSA120智能功率模块IPM 作为电机驱动电路,该模块集成了控制电源欠压锁定(U V)、过流保护(OC)、过热保护(H O)和短路保护(SC)4个保护功能,耐压可达1200V,额定电流50A,功率高达60kW,满足电机的功率要求。

IPM 模块采用光耦隔离与DSP 相连,由于是6路PWM 波,光耦采用TI 公司的74LS07。

3 控制系统软件平台DSP 的开发环境CCS(Code Composer Studio)采用T I 公司CCS3.1,可以有C28x 模式、C27x 目标 兼容模式和C2xLP 源 兼容模式,大大提高了代码的可移植性[6]。

编程过程包括设计、编程和编译、调试、分析4个步骤。