鉆井電機(jī)無位置傳感器控制研究.pdf

1、鉆井作為石油開采的主要環(huán)節(jié)，其效率亟需提升。傳統(tǒng)的螺桿鉆具及地面驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)鉆具存在能耗大、效率低、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易損壞等缺點(diǎn)。井下多極直接驅(qū)動(dòng)永磁無刷直流電機(jī)(BLDCM)因其效率，轉(zhuǎn)矩密度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制方法靈活，采用低速大力矩的永磁電機(jī)，且電機(jī)變頻箱隨同電機(jī)井下作業(yè)，避免了高溫下最易損壞的齒輪減速裝置，減少了線路根數(shù)，已成為國內(nèi)外石油行業(yè)及專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的BLDCM上安裝的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測傳感器使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大

2、、可靠性降低，特別力矩電機(jī)對位置傳感器精度要求高，使得使用受限，成本增加。所以研究應(yīng)用于井下直驅(qū)無刷直流鉆井電機(jī)（后稱鉆井電機(jī)）的無位置傳感器控制方法具有重要的意義。
　　本文針對鉆井電機(jī)工作于低轉(zhuǎn)速，高溫高壓，受負(fù)載情況復(fù)雜等特點(diǎn)，進(jìn)行了如下的研究與分析工作：
　　首先介紹了課題背景、研究現(xiàn)狀及各無位置傳感器控制方法及其特點(diǎn)，建立了鉆井電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，針對鉆井電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速低，選取適用于低轉(zhuǎn)速范圍的磁鏈函數(shù)法。通過分析電機(jī)導(dǎo)

3、通時(shí)的一階微分方程，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子相關(guān)信息，之后進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算處理得出與電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)的函數(shù)表達(dá)式，該表達(dá)式只與電機(jī)線電壓，電阻，電感相關(guān)。為降低表達(dá)式對參數(shù)的依賴性、計(jì)算量及計(jì)算誤差，消去電阻和電感項(xiàng)，只使用線電壓進(jìn)行換相時(shí)刻的計(jì)算，提出了簡化的磁鏈函數(shù)法-Z函數(shù)法。為保證電機(jī)在起動(dòng)時(shí)無反轉(zhuǎn)并可帶一定負(fù)載，在分析各無位置起動(dòng)方法后選取轉(zhuǎn)子脈沖注入檢測法起動(dòng)電機(jī)。同時(shí)為應(yīng)對電機(jī)在受到突加負(fù)載仍能恢復(fù)至給定轉(zhuǎn)速，加入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。通過在仿真軟件

4、simulink下建立的鉆井電機(jī)系統(tǒng)模型，Z函數(shù)法及其控制策略在低轉(zhuǎn)速階段和突加負(fù)載情況下的參數(shù)變化及轉(zhuǎn)子位置檢測準(zhǔn)確性得到了初步驗(yàn)證，電機(jī)可成功運(yùn)行。
　　最后以鉆井電機(jī)樣機(jī)為主要被控對象，搭建了基于Z函數(shù)法的電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，并在給定轉(zhuǎn)速為60rpm和400rpm情況下對使用Z函數(shù)法的可行性及換相點(diǎn)獲取準(zhǔn)確性等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明Z函數(shù)法只使用電機(jī)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通相的線電壓計(jì)算換相時(shí)刻，可成功運(yùn)行于鉆井電機(jī)上，降低了磁鏈