一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统及其方法

1.本发明属于抽油机驱动技术领域，具体涉及一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统及其方法。


背景技术：

2.目前，大部分非自喷井都广泛采用游梁式采油机来实现采油，其缺点是需要经常性维护(如刮蜡等)、易抽空，而且能耗非常大，使用效率低。直接驱动电机已经越来越多地应用到石油开采领域。传统的电机传动系统是由电机与机械结构(减速机、滚珠丝杠、联轴器等)组成将旋转运动转换成旋转或直线运动。直接驱动系统与之相比，在设计上消除了机械传动环节的各种部件，从而将驱动电机直接和负载耦合。直接驱动系统消除了传动间隙，降低了对电机和负载进行惯性匹配的要求，并极大地降低了噪音；提高了机械系统的刚度和系统带宽，改善了系统的快速性和控制精度；减少了机械系统的维护工作，提高了系统的可靠性。因此，直驱式螺杆泵抽油机作为一种新型采油用电设备一直在国内大部分油田中逐步推广和应用中。
3.抽油机驱动技术随着科技的快速发展，抽油机的发展从直驱式螺杆泵抽油机、电潜泵抽油机、螺杆泵抽油机等几种不同的采油设备。采油系统使用的采用设备种类繁多，根据采油方式的不同，主要有以下几种：游梁式抽油机，电潜泵抽油机、螺杆泵抽油机，高原机。直驱式螺杆泵抽油机按驱动方式分为潜油电动螺杆泵和地面驱动井下螺杆泵抽油机。螺杆泵地面驱动装置根据其驱动装置的结构不同又分螺杆泵直接驱动方式和螺杆泵侧驱方式(传统式螺杆泵驱动方式)。螺杆泵直接驱动装置根据驱动电机控制器的控制方式的不同又分为有位置传感器的和无位置传感器的。
4.请参阅图1，地面驱动井下单螺杆泵采油系统包括无刷直流电机1、皮带、减速齿轮、电机控制箱2、抽油杆3、油管4、螺杆泵5、套管6和防转锚7。其工作原理为：工作时，由地面动力设备带动抽油杆3旋转，连接于抽油杆3底端螺杆泵5的转子随之一起转动，油层8中的井液从螺杆泵5下部吸入，由上端排出，并从油管4流出井口再通过地面管线输送至计量站。螺杆泵5是靠空腔排油，由于定子比转子多一条螺旋线，所以在转子与定子间形成一个个互不连通的封闭腔室，当转子在定子中旋转时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端均匀地挤到排出端，同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入，这样封闭空腔随着转子的旋转而不断变换位置，并呈现周期性重复出现，且转子沿着自己轴线旋转的同时双平行于定子轴线并绕定子轴线沿着一定半径的圆周滚动，从而将井内的流体由底部密封腔逐级推向顶部密封腔，并且逐级提高压力，从而把杆管环空中的流体连续不断地举升到地面。
5.螺杆泵常用于油田重油开采，在使用中要求启动负荷大，启动转速高，转动冲击惯性大。定速驱动装置不适应螺杆泵启动时的需要。因此，需要一个低转速，大扭矩的驱动装置来驱动并下抽油泵工作。若按正常工作时运转转矩选择对应功率的电机，就会出现因功率小而造成启动困难或无法启动的问题；若按启动转矩选择对应功率的电机时，在长期生产工作情况下又会严重能源浪费的问题。同一口油井的负荷在生产过程中会随着地层压力
的改变而不断发生变化，不同的油井、不同开采时期的实际生产需要要求螺杆泵能后随时调整转速等系统参数，否则井下的抽油泵受到损坏。因此，需要为螺杆泵的设计需要选择一个合理的电机和驱动装置。具有低转速大转矩性能且能实时调参的变频驱动装置是目前直驱式螺杆泵抽油机系统设计急需解决的一个重要问题。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统及其方法，用于解决现有的直驱式螺杆泵抽油机工作过程中的低速大转矩控制需求的技术问题。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统，包括模糊控制器，转速及位置检测模块和最大值模块，模糊控制器的输出端分别连接转速pi调节器的输入端以及pwm合成模块的输入端，转速及位置检测模块和最大值模块的输入端分别与无刷直流电机连接，转速及位置检测模块的输出端分别连接转速pi调节器的输入端和pwm合成模块的输入端，转速pi调节器的输出端和最大值模块的输出端经电流滞环控制器与pwm合成模块的输入端连接，pwm合成模块的输出端经多电平逆变器连接无刷直流电机，多电平逆变器的电容桥臂经两电平电压滞环控制器与pwm合成模块的输入端连接，利用无刷直流电机脉宽方法驱动多电平逆变器生成控制逻辑信号，通过控制逻辑信号驱动无刷直流电机工作。
9.具体的，多电平逆变器包括并联连接的第1开关桥臂、第2开关桥臂和第3开关桥臂，第1开关桥臂、第2开关桥臂和第3开关桥臂的中点对应连接交流异步电机的三个绕组端；第1开关桥臂、第2开关桥臂和第3开关桥臂的两端分别连接构成两个公共连接端，两个公共连接端分别并联连接二极管桥臂两端，电容桥臂两端以及系统输入的直流电源vdc正负极；二极管桥臂的中点与电容桥臂的中点连接，电容桥臂的中点与二极管桥臂的一端之间设置有功率开关s7，功率开关s7并联连接反向二极管d7，电容桥臂中点与二极管桥臂的另一端之间设置有功率开关s8，功率开关s8并联连接反向二极管d8。
10.进一步的，二极管桥臂包括串联连接的二极管d9和二极管d10，电容桥臂包括串联连接的电容c1和电容c2。
11.进一步的，第1开关桥臂包括串联连接的功率开关s1和功率开关s2，功率开关s1并联连接反向二极管d1，功率开关s2并联连接反向二极管d2；第2开关桥臂包括串联连接的功率开关s3和功率开关s4，功率开关s3并联连接反向二极管d3，功率开关s4并联连接反向二极管d4；第3开关桥臂包括串联连接的功率开关s5和功率开关s6，功率开关s5并联连接反向二极管d5，功率开关s6并联连接反向二极管d6。
12.本发明的另一技术方案是，一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动方法，利用直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统，包括以下步骤：
13.s1、检测抽油机的井液流量q和井液粘度u，确定无刷直流电机实际转速w、转子位置信号the和无刷直流电机三相定子绕组电流iabc，多电平逆变器电容桥臂的电压差ev；
14.s2、模糊控制器根据步骤s1得到的井液流量q和井液粘度u确定无刷直流电机的参考转速wref；
15.s3、利用步骤s2得到的无刷直流电机的参考转速wref，步骤s1得到的无刷直流电
机实际转速w，无刷直流电机三相定子绕组电流iabc和电压差ev实现pwm合成，确定高速模式pwm合成和低速模式pwm合成；
16.s4、当步骤s2得到的无刷直流电机的参考转速wref大于模式切换常数w0，执行高速模式pwm合成，生成多电平逆变器的功率开关触发信号驱动无刷直流电机运行；
17.s5、当步骤s2得到的无刷直流电机的参考转速wref小于模式切换常数w0，根据步骤s1得到的电压差ev计算工作模式m；
18.s6、根据步骤s5得到的工作模式m选择低速运行的工作模式；当m等于1时，进入低速工作模式1的pwm合成；当m等于0时，进入低速工作模式2的pwm合成，生成多电平逆变器的功率开关触发信号驱动无刷直流电机运行。
19.具体的，步骤s2中，模糊控制器的模糊变量输入q模糊论域为[0,1]，包括3个模糊子集，具体为：q＝{nb，ze，pb}，pb表示正大，ze代表零，nb表示负大；
[0020]
模糊控制器的模糊变量输入u的模糊论域为[0，1]，包括3个模糊子集，具体为：u＝{nb，ze，pb}；
[0021]
模糊控制器的模糊变量输出wref的模糊论域为[-1，1]，包括5个模糊子集，具体为：wref＝{nb，ns，ze，ps，pb}，ns表示负小，ps表示正小；
[0022]
模糊控制规则具体为：
[0023][0024]
具体的，步骤s4中，高速模式pwm合成具体为：
[0025]
包括六种工作状态：v
11
(11000011)、v
12
(10010011)、v
13
(10110001)、v
14
(10100101)、v
15
(10001101)、v
16
(11001001)，数字1代表功率开关导通，0代表功率开关断开，第1位数字代表s7的工作状态，第2位数字代表s1的工作状态，第3位数字代表s2的工作状态，第4位数字代表s3的工作状态，第5位数字代表s4的工作状态，第6位数字代表s5的工作状态，第7位数字代表s6的工作状态，第8位数字代表s8的工作状态，多电平逆变器由直流电压vdc提供工作电压，无刷直流电机的三相绕组abc的任意两相绕组导通，顺序为：ac
→
bc
→
ba
→
ca
→
cb
→
ab；生成多平逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。
[0026]
具体的，步骤s5中，工作模式m为：
[0027][0028]
其中，ε为一个正值常数，m(k)代表在采样k时刻两电平电压滞环控制器输出，m(k-1)代表在系统采样k-1时刻两电平电压滞环控制器输出。
[0029]
具体的，步骤s6中，低速工作模式1的pwm合成包括六种工作状态：v
21
(11000010)、v
22
(10010010)、v
23
(10110000)、v
24
(10100100)、v
25
(10001100)、v
26
(11001000)，数字1代表
功率开关导通，0代表功率开关断开，第1位数字代表s7的工作状态，第2位数字代表s1的工作状态，第3位数字代表s2的工作状态，第4位数字代表s3的工作状态，第5位数字代表s4的工作状态，第6位数字代表s5的工作状态，第7位数字代表s6的工作状态，第8位数字代表s8的工作状态，多电平逆变器由电容c1提供工作电压0.5vdc，直流无刷电机的三相绕组abc的任意两相绕组导通，顺序为：ac
→
bc
→
ba
→
ca
→
cb
→
ab，生成多电平逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。
[0030]
具体的，步骤s6中，低速工作模式2的pwm合成包括六种工作状态：v
30
(00000001)、v
31
(01000011)、v
32
(00010011)、v
33
(00110001)、v
34
(00100101)、v
35
(00001101)、v
36
(01001001)，数字1代表功率开关导通，0代表功率开关断开，第1位数字代表s7的工作状态，第2位数字代表s1的工作状态，第3位数字代表s2的工作状态，第4位数字代表s3的工作状态，第5位数字代表s4的工作状态，第6位数字代表s5的工作状态，第7位数字代表s6的工作状态，第8位数字代表s8的工作状态，多电平逆变器由电容c2提供工作电压0.5vdc，直流无刷电机的三相绕组abc的任意两相绕组导通，顺序为：ac
→
bc
→
ba
→
ca
→
cb
→
ab，生成多电平逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。
[0031]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0032]
一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统，，根据抽油机井液流量和粘度，采用模糊控制器实时计算抽油机变频驱动电机的工作转速，可以更快速提高抽油机的工作效率，损耗更小，谐波更小，控制效率更高，该控制方法上计算过程上更加智能，精度高，动态性好，实现方便，具有明显的应用价值和优势，采用滞环控制器方式对逆变器直流侧两电容电压的偏差进行调节控制，可以更快速提高直流侧两电容电压的平衡能力。损耗更小，谐波更小控制效率更高，该控制方法上计算过程上更加简单，精度高，动态性好，实现方便，具有明显的应用价值和优势。
[0033]
进一步的，在传统六开关电压源型逆变器基础上增加两个功率开关和两个电容，在实现过程中，可以在传统的六开关电压源型逆变器硬件结构上直接增加元器件就完成系统逆变器部分的改造和加工，采用的多电平逆变器中，1开关桥臂、第2开关桥臂和第3开关桥臂构成了传统的全桥式六开关三桥臂电压源型逆变器，它们可以实现电机的常规控制能力。另外，增加了功率开关s7、功率开关s8、二极管d7、二极管d8等元器件，它们构成了逆变器的三电平模块的主要部分，它可以在传统的六开关三桥臂电压源型逆变器基础上是逆变器具备了三电平电压驱动能力。
[0034]
进一步的，逆变器功率开关s7、功率开关s8、二极管d7、二极管d8等元器件，它们构成了逆变器的三电平模块的主要部分。同时，增加了二极管桥臂包括串联连接的二极管d9和二极管d10，和电容桥臂包括串联连接的电容c1和电容c2。它们进一步与功率开关s7、功率开关s8、二极管d7、二极管d8构成了三电平模块。其中，电容桥臂为三电平模块提供不同的供电电压，二极管桥臂给三电平模块提供的电流续流通道。这样形成的三电平模块具有正向供电能力和电流反向续流能力。
[0035]
进一步的，第1开关桥臂包括串联连接的功率开关s1和功率开关s2，第2开关桥臂包括串联连接的功率开关s3和功率开关s4，第3开关桥臂包括串联连接的功率开关s5和功率开关s6。它们属于本发明的多电平逆变器的基础部分，利用三个桥臂及其包含的功率开关可以实现电机的基本控制能力。
[0036]
一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动方法，不仅具有常规控制方法的快速电流响应能力，可以解决抽油机系统的低转速大转矩需求。同时，控制方法具有三电平模块电容桥臂电压的自平衡能力，它可以有效提高逆变器输出电压的稳定性。的有效控制电容桥臂的两个电容电压，达到系统工作期间电容电压的自平衡的目的；有效减小系统的谐波干扰，增强电机的鲁棒控制能力。
[0037]
进一步的，设计的模糊控制器可以根据抽油机井液流量和井液粘度就可以实现系统转速的智能自适应调节功能，这样的设计能有效调节抽油机工作效率，达到抽油机系统高效工作的目的。
[0038]
进一步的，在高速模式时，系统处于全压工作方式，此时电机pwm控制可以保证系统电机具有大功率输出的能力。
[0039]
进一步的，两电平电压滞环控制器输出m可以快速判断三电平模块电容桥臂的两个电容电压的大小特征，为系统控制方法提供一个控制值。当电容桥臂上的上侧电容电压值大于另一个电容的电压值后，m为1；当电容桥臂上的上侧电容电压值小于另一个电容的电压值后，m为0。
[0040]
进一步的，在低速工作模式1时，处于半压工作方式。此方式下逆变器供电电压为总供电电压的一半，同时该方式下电机pwm控制回路具有正向电流通道，它为三电平模块的电容桥臂电压平衡控制提供控制基础。这样的设计可以保证抽油机在较小转矩需求下的电机电压驱动能力，该能力可以有解决传统抽油机高能耗的不足之处。
[0041]
进一步的，在低速工作模式2时，处于半压工作方式。此方式下逆变器供电电压为总供电电压的一半，同时该方式下电机pwm控制回路具有负向电流通道，它为三电平模块的电容桥臂电压平衡控制提供控制基础。这样的设计也进一步可以保证抽油机在较小转矩需求下的电机电压驱动能力，并有解决传统抽油机高能耗的不足之处。
[0042]
综上所述，本发明有效改善了电机的工作性能，同时提高抽油机系统效率，降低损耗，提高抽油机的整体工作性能。
[0043]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0044]
图1为本发明的直驱式螺杆泵抽油机系统结构示意图；
[0045]
图2为本发明的三电平逆变器系统结构示意图；
[0046]
图3为本发明的高速工作模式下的三电平逆变器系统结构图；
[0047]
图4为本发明的低速工作模式1下的三电平逆变器系统结构图；
[0048]
图5为本发明的低速工作模式2下的三电平逆变器系统结构图；
[0049]
图6为本发明的抽油机变频驱动控制系统结构图；
[0050]
图7为本发明的模糊控制器结构图；
[0051]
图8为本发明模糊控制器的井液流量输入隶属度函数及分布图；
[0052]
图9为本发明模糊控制器的井液粘度输入隶属度函数及分布图；
[0053]
图10为本发明模糊控制器的参考转速输出隶属度函数及分布图；
[0054]
图11为本发明的抽油机变频驱动控制系统的控制流程图；
[0055]
图12为本发明的传统无刷直流电机控制系统仿真转矩响应图；
[0056]
图13为本发明的无刷直流电机三电平控制系统仿真转矩响应图。
[0057]
其中，1.无刷直流电机；2.电机控制箱；3.抽油杆；4.油管；5.螺杆泵；6.套管；7.防转锚；8.油层。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0060]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0061]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0062]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0063]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0064]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0065]
永磁无刷电机伺服系统已成为电机控制技术的主要发展方向。采用无刷直流电机取代无刷直流电机直接驱动螺杆泵光杆旋转，省掉了皮带和减速齿轮，传动效率及可靠性显著提高，从而达到节电、增产的目的；同时解决了“大马拉小车”的问题，极大的减小了启动时电流对电网的冲击；并且我国稀土资源丰富，大力研制、推广永磁无刷直流电动机在油
田中的应用具有积极的意义和广泛的发展空间，结合适宜的控制策略必将成为抽油机较为理想的动力系统。
[0066]
本发明提供了一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统及其方法，采用三电平逆变器的三电平电压矢量输出能力改善传统的直驱式螺杆泵抽油机变频控制系统并给出了控制方法。主要用于无刷直流电机将高速旋转运动带动抽油杆旋转，连接于抽油杆底端的螺杆泵转子一起转动，井液从螺杆泵下部吸入，由上端排出，并从油管流出井口，最后通过地面管线输送计量站所。适合具有低速大转矩需求的抽油机全天候运转。同时，该装置利用逆变器的三电平矢量输出能力实现了逆变器中点电压在平衡控制能力，装置具有不同负荷状态下的稳定力矩输出。
[0067]
请参阅图6，本发明一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统，包括多电平逆变器、无刷直流电机和系统控制器；系统控制器利用无刷直流电机脉宽方法高效驱动三电平逆变器生成控制逻辑信号，通过控制逻辑信号有效驱动无刷直流电机。
[0068]
系统控制器包括模糊控制器、pwm合成模块、转速pi调节器、两电平电压滞环控制器、电流滞环控制器、最大值模块、转速及位置检测模块。
[0069]
系统控制器的输入信号包括电容桥臂中c1和c2的检测电压vc1和vc2、抽油机原油流量q，抽油机原油粘度u以及三相定子检测电流iabc；输出信号为8个功率开关的触发信号g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7和g8。
[0070]
模糊控制器的输入端连接抽油机原油流量q和抽油机原油粘度u，模糊控制器的输出端分别连接转速pi调节器的输入端以及pwm合成模块，模糊控制器利用抽油机抽出井液流量和井液粘度确定电机参考转速wref；
[0071]
转速及位置检测模块和最大值模块的输入端分别与无刷直流电机连接，转速及位置检测模块用于采集无刷直流电机的实际转速w和转子位置信号the，最大值模块用于采集无刷直流电机的三相定子绕组电流iabc，实现输入的三相定子绕组电流iabc最大值计算；转速及位置检测模块的输出端分别连接转速pi调节器的输入端和pwm合成模块的输入端，转速pi调节器的输出端和最大值模块的输出端经电流滞环控制器与pwm合成模块的输入端连接，pwm合成模块的输出端经多电平逆变器连接无刷直流电机，多电平逆变器的电容桥臂经两电平电压滞环控制器与pwm合成模块连接，通过pwm合成模块实现系统高速运行和低速三电平运行。
[0072]
请参阅图2，多电平逆变器包含六个功率开关s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8，每个功率开关并联一个反向二极管，分别是d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8；功率开关s1的发射集和功率开关s2的集电极串联组成第1开关桥臂，功率开关s3的发射集和功率开关s4的集电极串联组成第2开关桥臂，功率开关s5的发射集和功率开关s6的集电极串联组成第3开关桥臂；
[0073]
第1开关桥臂、第2开关桥臂和第3开关桥臂的中点对应连接电机的三个绕组端，无刷直流电机为鼠笼式三相交流异步电机；
[0074]
第1开关桥臂、第2开关桥臂和第3开关桥臂的两端各自连接构成两个公共连接端，两个公共连接端分别并联连接由二极管d9和二极管d10串联组成的二极管桥臂两端，由电容c1和c2串联组成的电容桥臂两端，以及系统输入的直流电源vdc正负极；二极管d9和d10串联构成的二极管桥臂的中点与电容c1和c2串联构成的电容桥臂的中点连接，在电容桥臂中点与二极管桥臂的发射集之间连接有功率开关s7，在电容桥臂中点与二极管桥臂的集电
极之间连接有功率开关s8。
[0075]
请参阅图3，多电平逆变器工作在高速运行模式下，系统控制器发出控制逻辑信号控制功率开关s7和s8处于导通状态；此时，工作在无刷直流电机六状态两相导通工作模式下，按照无刷直流电机脉宽调制(简称pwm)方法生成多电平逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6；直流电源vdc为电机提供工作电压，驱动系统工作在脉宽调制策略下，无刷直流电机的a相绕组和b相绕组处于激活状态，功率开关s1和s4导通状态期间，功率开关s2、s3、s5和s6断开；驱动系统的电流流动路径为：电源正极、s7、s1、电机、s4、s8和电源负极。
[0076]
多电平逆变器工作在高速运行模式下，多电平逆变器的8个功率开关s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8在不同的开关逻辑信号作用下，生成7个无刷直流电机专用的两相导通式电压矢量：
[0077]v10
(10000001)、v
11
(11000011)、v
12
(10010011)、v
13
(10110001)、v
14
(10100101)、v
15
(10001101)、v
16
(11001001)。
[0078]
其中，括号里面的8个数字分别代表逆变器功率开关s7，s1、s2、s3、s4、s5、s6，s8的工作状态，数字1代表该功率开关导通，0代表该功率开关断开。这8个数字中，第1位数字代表s7的工作状态，第2位数字代表s1的工作状态，第3位数字代表s2的工作状态，第4位数字代表s3的工作状态，第5位数字代表s4的工作状态，第6位数字代表s5的工作状态，第7位数字代表s6的工作状态，第8位数字代表s8的工作状态。
[0079]
请参阅图4和图5，多电平逆变器工作在低速运行模式下，系统具有两种工作子模式：低速模式1和低速模式2。
[0080]
请参阅图4，低速模式1，驱动系统发出控制逻辑信号控制功率开关s7一直处于导通状态，s8一直处于断开状态；此时，驱动系统工作在半压供电方式下的逆变器工作模式，多电平逆变器由电容c1当做供电电压源提供系统工作电压；驱动系统按照无刷直流电机脉宽调制方法生成多电平逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6；此时，电容c1的电压vc1为电机提供工作电压；驱动系统工作在脉宽调制策略下，当驱动系统处于功率开关s1和s4导通期间，功率开关s2、s3、s5和s6断开，驱动系统的电流流动路径为：电容c1正极端、s7、s1、电机、s4、d10、电容c1负极端。
[0081]
其中，逆变器8个功率开关s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8在6中不同的无刷直流电机开关逻辑信号作用下，生成7个两相导通式电压矢量：
[0082]v20
(10000000)、v
21
(11000010)、v
22
(10010010)、v
23
(10110000)、v
24
(10100100)、v
25
(10001100)、v
26
(11001000)。
[0083]
其中，括号里面的8个数字分别代表逆变器功率开关工作状态与逆变器工作在高速模式的代表意义相同。
[0084]
请参阅图5，多电平逆变器工作在低速模式2下，驱动系统发出控制逻辑信号控制功率开关s7一直处于断开状态，s8一直处于导通状态。此时，驱动系统工作在半压供电方式下的逆变器工作模式，多电平逆变器由电容c2当做供电电压源提供系统工作电压。驱动系统按照无刷直流电机脉宽调制方法生成逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。此时，电容c2的电压vc2为电机提供工作电压；驱动系统工作在脉宽调制策略下，当系统处于功率开关s1和s4导通期间，功率开关s2、s3、s5和s6断开。系统的电流流动路径为：电
容c2正极端、d9、s1、电机、s4、s8、电容c2负极端。
[0085]
其中，逆变器8个功率开关s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8在6中不同的无刷直流电机开关逻辑信号作用下，逆变器可以生成7个两相导通式电压矢量：
[0086]v30
(00000001)、v
31
(01000011)、v
32
(00010011)、v
33
(00110001)、v
34
(00100101)、v
35
(00001101)、v
36
(01001001)。
[0087]
其中，括号里面的8个数字分别代表逆变器功率开关工作状态与逆变器工作在高速模式的代表意义相同。
[0088]
直驱式螺杆泵是利用油田生产中广泛使用的“三抽”采油设备中的抽油机作为动力驱动装置。当无刷直流电机带动抽油杆做上下往复直线运动时，通过直线驱动式螺杆泵中的直旋机构将抽油杆的往复直线运动转换为螺旋套的往复旋转运动输出，从而驱动螺杆泵达到抽取地下井液的工作任务。为了保证抽油机的高效工作，降低能耗，需要根据井液状态实时调整电机的转速。抽油机的井液流量和井液粘度比较是比较直接检测两个重要的抽油机井液状态量。
[0089]
在螺杆泵抽油机上，井液出口管道上一般安装有带模拟量输出的流量阀，把该模拟量可以作为被控变量之一。螺杆泵转速一般是依靠调节无刷直流电机的转速进行直接调整。当流量值高时，表明井下可抽油量充足，可以提升螺杆泵转速以增大抽油能力；当流量值低时，则井下油量较少，需降低螺杆泵转速，直到降低到一定低值。这样的工作方法可以保证抽油机不间断连续抽油。除了井液流量，井液粘度也是一个对螺杆泵转速影响较大的因素。介质粘度影响泵的充满系数。一方面，井液的粘度增加会使泵的容积效率得到改善。因为粘度越大，分子间的作用力就越大，外力破坏其结构就越困难，表现在螺杆泵上就是密封效果越好，即在同一净举升扬程条件下，试验介质粘度增加，泵的容积效率升高。另一方面，泵旋转时，在泵的吸入口处，泵的空腔容积逐渐变大。这时，只要存在压差，井液便可迅速充满空腔。泵的转速越高，流道内流体的轴向速度就越大。若井液的粘度较大，则因其流动性差，泵吸入口处的阻力将变得很大。这样，原油就不能很快充满吸入腔，使泵的容积效率急剧下降。同时，由于井液不能完全充满泵的密封腔室以及原油中大量气泡的产生，将造成螺杆泵与衬套间的局部千摩擦，对泵的寿命产生严重的影响。所以当抽汲高粘度的井液时，应将泵的转速调低些。
[0090]
请参阅图11，一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动方法，采用模糊逻辑控制技术，利用检测的抽油机井液流量和井液粘度，然后利用设计模糊控制逻辑使系统能智能计算系统的参考转速wref，系统根据参考转速的范围，实时切换高速运行和低速运行工作模式，保证电动机工作在抽油机高效安全工作范围。同时，系统根据逆变器直流侧两个电容电压差经过两电平电压滞环控制器确定电机低速运行的工作子模式。低速运行的工作子模式的切换可以保证系统有效生成三电平电压，同时，工作子模式的随时切换也可以有效解决电容桥臂的两个电容电压的平衡问题。系统工作在高速运转状态，利用脉宽调制技术设计了专门控制单元以生成优化的六开关电压源型逆变器模块驱动信号。与传统的脉宽调制方案比较，本发明驱动系统的脉宽调制方案能够获得更具优化特性电机转矩和电流响应，可以满足的低转速大转矩抽油机全天候工作要求。具体步骤如下：
[0091]
s1、系统初始化
[0092]
在系统初始化过程中，除了常规的硬件寄存器设置之外，系统控制器还需要检测
抽油机的井液流量q，抽油机的井液粘度u，利用系统的三相霍尔编码器检测电机实际转速w和转子位置信号the，利用系统的霍尔电流传感器检测无刷直流电机三相定子绕组电流iabc，利用系统的霍尔电压传感器检测电容c1和c2的电压vc1和vc2，并计算其电压差ev，其中：
[0093]
ev＝vc1-vc2；
[0094]
s2、模糊控制算法
[0095]
请参阅图7，利用检测抽油机的井液流量q，抽油机的井液粘度u，设计了一种模糊控制器实时计算电机参考转速wref，控制器输出为系统参考转速wref。
[0096]
模糊控制器包含两个模糊变量输入q和u、一个模糊变量输出wref和一个模糊逻辑控制规则库。其中q代表井液流量，u代表井液粘度；模糊控制方法具体如下：
[0097]
s201、设计模糊变量输入q的模糊
[0098]
请参阅图8，q的模糊论域为[0,1]，包含着3个模糊子集为：q＝{nb，ze，pb}，其中pb表示正大，ze代表零，nb表示负大。这三个模糊子集都采用gbell钟形隶属度函数来描述。
[0099]
s202、设计模糊变量输入u的模糊
[0100]
请参阅图9，u的模糊论域为[0，1]，包含着3个模糊子集为：u＝{nb，ze，pb}。这三个模糊子集都采用gbell钟形隶属度函数来描述。
[0101]
s203、设计模糊变量输出wref的模糊
[0102]
请参阅图10，wref的模糊论域为[-1，1]，包含着5个模糊子集为：wref＝{nb，ns，ze，ps，pb}。其中ns表示负小，ps表示正小。这五个模糊子集都采用gbell钟形隶属度函数来描述。
[0103]
s204、设计模糊控制规则
[0104]
根据模糊变量输入q的模糊子集、模糊变量u的模糊子集，和模糊变量输出wref的模糊子集对应关系可以得到系统模糊控制规则表，如下表所示。
[0105][0106][0107]
s205、模糊推理和解模糊
[0108]
在设计的模糊控制器中，模糊推理采用最常用的mamdani方法。解模糊采用centroid重心法。
[0109]
根据以上模糊控制算法，本发明系统根据抽油机井液流量和井液粘度就可以实现系统转速的智能自适应调节功能，有效调节抽油机工作效率，达到抽油机系统高效工作的目的。有效减小抽油机能耗，降低井况变化对系统的影响，增强系统的高性能工作能力。
[0110]
s3、无刷直流电机脉宽调制算法
[0111]
利用三相绕组无刷直流电机的给定转速wref，检测电机实际转速w，检测电机三相
定子绕组电流iabc和计算的电压差ev，经过无刷直流电机电流滞环控制方法，实现pwm合成。系统包括；一个模糊控制器、pwm合成模块、一个转速pi调节器、一个两电平电压滞环控制器、一个两电平电流滞环控制器、最大值模块、转速及位置检测模块等组成。其中，最大值模块可以实现输入的三相定子绕组电流iabc最大值计算。
[0112]
s4、电机转速范围判断
[0113]
系统利用m值可以切换系统的两种工作模式：高速模式pwm合成和低速模式pwm合成。计算的电机参考转速wref与模式切换常数w0进行比较，该比较结果用于选择后续的控制逻辑，其中，w0为正值常数，该常数小于电机的额定转速；当w大于w0时，执行步骤s5，系统进入高速模式pwm合成，否则执行步骤s6。
[0114]
系统高速工作模式pwm合成具体为：
[0115]
在高速模式中，系统共有六种工作状态：v
11
(11000011)、v
12
(10010011)、v
13
(10110001)、v
14
(10100101)、v
15
(10001101)、v
16
(11001001)。此时，系统处于全压工作方式，逆变器由直流电压vdc提供工作电压，电机三相绕组abc的任意两相绕组导通顺序为：ac
→
bc
→
ba
→
ca
→
cb
→
ab。系统以优化的无刷直流电机脉宽调制方法生成逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。
[0116]
s5、两电平电压滞环控制器
[0117]
根据计算的电容的电压差ev输入两电平电压滞环控制器并计算系统工作模式m。
[0118]
电压滞环控制器输出m为
[0119][0120]
其中，ε为一个正值常数，代表两电平滞环控制器的容差参数；m(k)代表在系统采样k时刻两电平电压滞环控制器输出，m(k-1)代表在系统采样k-1时刻两电平电压滞环控制器输出。
[0121]
s6、判断系统低速运行子模式
[0122]
根据计算的系统工作模式m选择系统低速运行的工作模式，此时系统工作在三电平电压驱动方式；当m等于1时，系统进入低速工作模式1的pwm合成；当m等于0时，系统进入低速工作模式2的pwm合成。
[0123]
在工作模式1中，系统共有六种工作状态：v
21
(11000010)、v
22
(10010010)、v
23
(10110000)、v
24
(10100100)、v
25
(10001100)、v
26
(11001000)。此时，系统处于半压工作方式，逆变器由电容c1提供工作电压0.5vdc。电机三相绕组abc的任意两相绕组导通顺序为：ac
→
bc
→
ba
→
ca
→
cb
→
ab。系统以优化的无刷直流电机脉宽调制方法生成逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。
[0124]
在工作模式2中，系统共有六种工作状态：v
30
(00000001)、v
31
(01000011)、v
32
(00010011)、v
33
(00110001)、v
34
(00100101)、v
35
(00001101)、v
36
(01001001)。此时，系统处于半压工作方式，逆变器由电容c2提供工作电压0.5vdc。电机三相绕组abc的任意两相绕组导通顺序为：ac
→
bc
→
ba
→
ca
→
cb
→
ab。系统以优化的无刷直流电机脉宽调制方法生成逆变器的六个功率开关触发信号g1、g2、g3、g4、g5和g6。
[0125]
利用本发明的方法设计仿真模型，仿真模型中采用传统的控制方法和本发明的多
电平方法进行仿真验证。
[0126]
请参阅图12和图13，图12为本发明的传统无刷直流电机控制系统仿真转矩响应图，图13为本发明的无刷直流电机三电平控制系统仿真转矩响应图。可以明显看出，本发明的方法的转矩脉动明显小于传统方法的转矩脉动。在抽油机工作中，本发明方法可以有效降低系统转矩脉动，降低系统能耗，系统的控制性能更好。
[0127]
综上所述，本发明一种直驱式螺杆泵抽油机变频驱动系统及其方法，在传统的两电平六开关逆变器基础上增加两个功率开关和两个电容设计了一种具有三电平电压输出能力的多电平逆变器。系统利用优化后的脉宽调制技术实现三相无刷直流电机驱动，并且利用检测的电容桥臂的两个电容电压和两电平电压滞环控制器有效解决了电容桥臂中点电压偏移问题。本发明方法在控制性能上更优异，而对比传统的无刷直流电机控制方法，本发明方法过程简单，实现方便，具有电容桥中点电压平衡控制能力和不同井液状态下的系统高低速运行功能，系统控制能力优越，鲁棒性能强，具有明显的应用价值和优势。
[0128]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。