鉆井電機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)動的電動鉆具存在能耗大、效率低、機械傳動機構(gòu)易損壞等缺點。井下多極直接驅(qū)動永磁無刷直流電機(BLDCM)因其效率，轉(zhuǎn)矩密度高、起動轉(zhuǎn)矩大、控制方法靈活，采用低速大力矩的永磁電機，且電機變頻箱隨同電機井下作業(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。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（后稱鉆井電機）的無位置傳感器控制方法具有重要的意義。
　　本文針對鉆井電機工作于低轉(zhuǎn)速，高溫高壓，受負(fù)載情況復(fù)雜等特點，進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，建立了鉆井電機的數(shù)學(xué)模型，針對鉆井電機運行轉(zhuǎn)速低，選取適用于低轉(zhuǎn)速范圍的磁鏈函數(shù)法。通過分析電機導(dǎo)

3、通時的一階微分方程，獲得電機轉(zhuǎn)子相關(guān)信息，之后進行數(shù)學(xué)運算處理得出與電機轉(zhuǎn)速無關(guān)的函數(shù)表達式，該表達式只與電機線電壓，電阻，電感相關(guān)。為降低表達式對參數(shù)的依賴性、計算量及計算誤差，消去電阻和電感項，只使用線電壓進行換相時刻的計算，提出了簡化的磁鏈函數(shù)法-Z函數(shù)法。為保證電機在起動時無反轉(zhuǎn)并可帶一定負(fù)載，在分析各無位置起動方法后選取轉(zhuǎn)子脈沖注入檢測法起動電機。同時為應(yīng)對電機在受到突加負(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)確性得到了初步驗證，電機可成功運行。
　　最后以鉆井電機樣機為主要被控對象，搭建了基于Z函數(shù)法的電機系統(tǒng)試驗平臺，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獲取準(zhǔn)確性等各項指標(biāo)進行了試驗驗證。結(jié)果表明Z函數(shù)法只使用電機運行時導(dǎo)通相的線電壓計算換相時刻，可成功運行于鉆井電機上，降低了磁鏈