雙作用三直線電機往復泵試驗裝置研究

張培志 侯勇俊 蔡科濤 龍 磊

(西南石油大學電氣信息學院1，四川 成都 610500;西南石油大學機電工程學院2，四川 成都 610500;青海油田天然氣開發公司3，青海 格爾木 816000)

0 引言

往復泵可在高壓下輸送高黏度、大密度和高含砂量的液體，具有效率高、排出壓力大等優點，在石油鉆井、酸化壓裂、注水等石油礦場生產過程中得到了廣泛的應用［1］。

隨著石油工業的發展，其對往復泵的要求也越來越高。傳統的往復泵在技術日益成熟的同時也存在一些問題，如流量壓力波動大、易損件壽命短、質量大等缺點;為了使排量均勻，并提高泵的吸入性能，往復泵需要加裝排出、吸入空氣包等。針對傳統往復泵的上述缺點，國內學者提出了一種三直線電機往復泵［2－3］。

研究表明，三直線電機往復泵具有輸出壓力大、制造維修方便、流量壓力脈動小等特點;三直線電機往復泵不需設置排出空氣包，就可以使排量均勻度達到高性能水平［4］。為了驗證理論研究的正確性，本文研制了一種以計算機為核心的雙作用三直線電機驅動往復泵試驗裝置。

1 往復泵裝置工作原理

雙作用三直線電機往復泵結構示意圖如圖1所示。

圖1 三直線電機往復泵結構示意圖Fig.1 Structure of the triple linear motor reciprocating pump

通過控制該裝置的閥門，不但可以進行單直線電機和三直線電機驅動往復泵控制技術研究;同時也可以分別進行單作用輸送和雙作用輸送穩定性研究［4－5］。

通過改變直線電機工作電源的頻率，直線電機驅動往復泵可以調節直線運動速度，從而達到調節往復泵沖次、調節排量的目的。

單作用是指直線電機只驅動1個往復泵。該試驗裝置的每臺直線電機可以驅動2個左右的往復泵。當直線電機的動子-活塞組件從左向右運動時，左邊的往復泵工作于吸入狀態，而右邊的往復泵工作于排出狀態;當直線電機的動子-活塞組件從右向左運動時，左邊的往復泵工作于排出狀態，而右邊的往復泵工作于吸入狀態。顯然，雙作用比單作用的效率更高、穩定性更好。

三直線電機往復泵的三個直線電機都可以單獨控制，并進行單電機試驗。單電機試驗的主要目的是為了測試系統中各個環節的參數，建立動子-活塞組件沖程和沖次與直線電機速度控制的關系，從而為三直線電機協調控制打下基礎。

三直線電機動子-活塞組件的速度與位置呈一一對應的關系［6］。設S為一個往復泵內部活塞的沖程，控制3個電機之間的行程差各為S/3，以1號直線電機為參考，它超前2號直線電機和3號直線電機的行程分別為S/3行程和2S/3行程。因此，通過控制三個直線電機動子-活塞組件的位置，就可以實現三直線電機協調控制。

2 控制系統設計

2.1 系統硬件

直線電機驅動往復泵控制系統硬件框圖如圖2所示。

大數據的興起，使人們的生活發生著前所未有的變化，不僅表現在各行各業的發展上而且也對整個教育體系產生巨大的影響。它不斷推動著教育體系改革和創新，許多學者都探討了在大數據影響下教育體系變革的趨向和教育模式等

圖2 控制系統硬件框圖Fig.2 Hardware of the control system

根據直線電機往復泵試驗裝置工作原理，設計了雙作用三直線電機往復泵試驗裝置的計算機直接控制系統。

系統硬件部分主要由以下幾個部分組成:3個三相圓筒型直線異步電動機、3個位移傳感器、1個壓力傳感器、1個流量傳感器、3臺變頻器、1個PCI信號采集卡、1個RS-232/RS-485通信轉換器。

系統每臺電機的控制回路由檢測單元、運算單元和控制單元組成，3臺電機共有3個控制回路。作為核心控制單元的計算機，負責采集位移信號。通過控制算法運算后，再通過通信接口，把控制信號發送給變頻器;由變頻器控制直線電機驅動往復泵工作，從而實現對直線電機速度、位移等的協調控制;最終實現對往復泵沖程和沖次的控制，使匯管流量和壓力穩定在一定的數值。

在系統匯管出口安裝有1只壓力變送器和1只流量變送器，負責采集各種控制模式下的液體輸送出口工況。

2.2 系統軟件

系統軟件采用VB程序編寫，主程序流程框圖如圖3所示。

圖3 主程序框圖Fig.3 Main program

在測控系統硬件電路確定之后，其主要功能由軟件來實現。

為了達到實時、靈活、可靠、有效等要求，將測控應用軟件進行模塊化設計。系統主要模塊及其相應的功能分別介紹如下。

①實時數據采集及處理模塊。實時數據采集程序主要完成5路模擬信號的采樣、輸入變換、存儲等;數據處理程序主要完成標度變換和實時曲線繪制。其中，標度變換是把采集到的數字量轉換成操作人員熟悉的工程量，實時曲線繪制是把采集的數據通過曲線直觀地表達給操作者。

②控制模塊。控制模塊主要控制直線電機按照一定的速度曲線實現往復運動，最終三直線電機按照給定的運動規律實現主從同步協調控制。因此，對控制結構的研究是該測控系統的重點。

③監控報警模塊。該模塊針對系統可能出現的毀壞情況進行自動檢測，當系統出現異常情況時，立刻報警并自動停止工作。

④系統管理模塊。該模塊首先將各個功能模塊組成一個程序系統，并管理調用各個功能模塊運行;其次是管理數據文件的存儲和輸出。

⑤數據通信模塊。該模塊主要完成計算機與變頻器之間、計算機與PCI數據采集卡之間的信息傳遞和交換。其具體任務是設置數據傳送的波特率、向數據采集卡和變頻器發送機號、接收和判斷采集發回的機號、命令數據采集卡傳送數據、接收數據采集卡傳來的數據以及發送相關數據到變頻器等。

2.2.1 單直線電機試驗程序設計

單直線電機試驗程序主要由參數設定模塊、速度控制模塊、報警與數據處理模塊和通信模塊等組成。其程序框圖如圖 4 所示［7－10］。

圖4 試驗程序框圖Fig.4 Test programs

單電機動子-活塞組件的沖程S與某一速度之間的實測速度曲線如圖5所示。在一個吸入沖程S或排出沖程S內，電機都有一個速度上升階段、速度恒定階段和速度下降階段。通過控制直線電機的速度，就可以得到需要的動子-活塞組件沖次。需要注意的是，在吸入沖程與排出沖程之間，需預留有一定的死區，以克服電機反向時的慣性。

圖5 單直線電機試驗實測速度曲線Fig.5 The measured speed curve of single linear motor test

2.2.2 三直線電機試驗程序設計

三直線電機試驗程序框圖與單直線電機試驗程序框圖類似。它與單直線電機控制的主要區別在于虛框內的速度控制器不同，單直線電機只有1個速度控制器，而三直線電機需要3個速度控制器。為了實現三直線電機協調控制往復泵，三直線電機速度控制器軟件編程采用了主從同步結構。速度控制器結構如圖6所示。只需設定1號直線電機的給定信號，2號和3號直線電機的給定信號程序按主從同步規律自動生成。該速度控制器結構還可以補償機械傳動系統的誤差以及反饋回路的系統誤差。速度控制器結構既控制了速度，又控制了相位，達到了速度相位協調控制的目的。

圖6 速度控制器結構圖Fig.6 Structure of the speed controller

三直線電機動子-活塞組件的實測速度曲線如圖7所示［6］。

圖7 三直線試驗實測速度曲線Fig.7 The measured speed curves of triple linear motor test

3 結束語

本文所研制的雙作用三直線電機往復泵試驗裝置可減少中間過程中的能量損耗，克服傳統往復泵傳動鏈長、系統柔性差、效率低、壓力波動大、沖程不便調節以及維修不方便等缺點。各缸間無機械耦合，完全依靠控制系統實現要求的運動相位和運動速度，可方便實現無級調節。因此，該裝置的成功研制對直線電機在往復泵中的應用具有重要的理論意義和工程應用價值。

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