[0001] 一、技术领域：
[0002] 本
发明涉及的是石油人工举升技术领域，具体涉及的是一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法。
[0003] 二、背景技术：
[0004] 在大庆油田平均每年消耗的电量大约为99亿千瓦，其中有近1/3的电量消耗在机械采油设备井中，但是游梁式抽油机井的平均效率却比较低，只有25%左右，这对整个油田的综合开发利用极其不利。因此有必要提出一种有效的节能措施来提高抽油机井效率。
[0005] 为降低抽油机井的能耗，各国油田工程师们都进行了大量努
力，比如美国
专利US4102394和US4490094是将游梁式抽油机提供给光杆的准正弦
速度曲线转变为在大部分的上冲程和下冲程过程中的匀速运动来减弱悬点
载荷，即其速度曲线近似梯形曲线。专利WO2007/041823是通过采集
电机转矩、转速，悬点载荷、位移，
泵流率等数据，以产量最大化为目标，进行优化分析，计算出抽油机系统运行方式。此方法实施起来相对比较困难，而且没有完全消除惯性
扭矩对减速箱的不利影响，由其优化后的测试结果看，减速箱扭矩曲线有时会出现“过平衡”状况，很可能使减速箱处于“超载”状态运行，会导致减速箱
齿轮被破坏，这不利于抽油机系统的平稳运行和寿命。我国专利ZL0710113421.5是利用
曲柄块的惯性
势能，在下冲程时关闭电源，让抽油机在
惯性力下运行，从而达到节能的目的。但是游梁式抽油机运行负荷具有周期性剧烈交变的特点，且随着抽汲工况参数的增大其
波动性会更大。电机，减速箱、四
连杆及杆柱都需要承受这种交变载荷的反复冲击，因此有必要采用某种措施让
电动机在平稳的运行状态下工作，从而能降低能耗，而且减弱抽油机的周期性交变冲击的工况。
[0006] 三、发明内容：
[0007] 本发明的一个目的是提供一种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，它用于解决电动机在不超载的情况下，解决游梁式抽油机运行平稳、节能降耗的问题。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法将测试的电机输入功率或抽油机系统工况参数数据，按傅里叶级数展开法进行优选变速拖动曲线，并进行综合节电率和周期载荷系数参数的计算，在满足约束条件的前提下，以综合节电率最大为目标，优化出电机变速拖动速度曲线，在进行平衡调整后，通过变频
控制器将优化的变速拖动曲线应用到机-杆-泵系统中，使抽油机系统在节能平稳状况下运行，具体如下：
[0009] 步骤一、建立
数据库，该数据库包括抽油机数据库、电动机特性数据库，抽油机数据库包括抽油机结构尺寸参数、运动件
转动惯量、
传动比、
平衡块数目、平衡块重量；电动机特性数据库由室内电机负载特性试验台测试获取，并拟合成相应特性函数；
[0010] 步骤二、借助试验井模拟试验获取皮带、减速箱及四连杆等处的
节点功率与扭矩数据，对该
数据处理后获得皮带、减速箱及四连杆的传动效率，并拟合成相应特性函数；
[0011] 步骤三、向变速拖动优化程序中输入：冲程、冲次、泵挂、动液面、泵径、管径、杆柱组合及直径、含
水率、套压、流压、油液密封、
粘度；
[0012] 步骤四、计算变速驱动时，抽油机运动特性与动力特性，包括悬点位移、悬点速度、悬点
加速度、悬点载荷、减速箱扭矩、电机扭矩、电机功率、电机转速参数；
[0013] 步骤五、按
电流平衡法进行抽油机平衡调整，电流平衡度取值范围为65%-85%；
[0014] 步骤六、在约束条件下，按目标函数ψmax=max[ f (X1,X2,…,Xn)]进行变速优化计算，约束条件为：
[0015]
[0016] 式中；
[0017] Xn——计算目标函数的一系列相关参数；
[0018] ——计算目标函数的计算函数；
[0019] ——综合节电率（%）： ；
[0020] ——有功、
无功功率（kW、kar）；
[0021] ——无功经济当量，对于抽油机用电动机一般取0.05～0.08；
[0022] ——电流平衡度（%）： ;
[0023] ——周期载荷系数： ；
[0024] ——输入电流、上冲程峰值电流、下冲程峰值电流（A）；
[0025] ——杆柱工作最大
应力、杆柱许用应力（MPa）；
[0027] ——产量；
[0028] 下标：
[0029] max——最大值；
[0030] i——序号；
[0031] c——恒速拖动时的相关参数；
[0032] e——相关设备额定值；
[0033] 步骤七、对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算，每展开一次都重复进行步骤四~步骤六的计算，一般傅里叶级数展开5～6次即可得到最优的变速拖动曲线；
[0034] 步骤八、把优化的变速拖动曲线离散后的数值输入到抽油机专用变频控制器，控制电机按最优化变速拖动曲线变速运行。
[0035] 上述方案步骤一中拟合成相应特性函数，对于三相异步电动机Y225S-8电机工作特性函数表达式：
[0036] 转差率： ；
[0037] 功率因数： ；
[0038] 输入功率： ；
[0039] 输出电流： ；
[0040] 电机效率： ；
[0041] 机械特性： ；
[0042] 对于三相异步电动机Y225M-8电机工作特性函数表达式：
[0043] 转差率： ；
[0044] 功率因数： ；
[0045] 输入功率： ；
[0046] 输出电流： ；
[0047] 电机效率： ；
[0048] 机械特性： ；
[0049] 对于三相异步电动机Y250M-8电机工作特性函数表达式：
[0050] 转差率： ；
[0051] 功率因数： ；
[0052] 输入功率： ；
[0053] 输出电流： ；
[0054] 电机效率： ；
[0055] 机械特性： 。
[0056] 有益效果：
[0057] 1、常规游梁式抽油机在用三相异步电动机驱动工作下，应用本发明变速拖动曲线优化控制方法后能够达到降载节能的目的，综合节电率达到15%以上，载荷降低率10%以上，同时减弱抽油机载荷波动率，使抽油机运行平稳，减小冲击性载荷，提高整机的寿命。
[0058] 2、本发明考虑了抽油机各运动部件的惯性载荷对抽油机平衡的影响，变速优化过程进行平衡再调整，保证变速优化后不出现“过平衡”和“欠平衡”的不良工况。
[0059] 3、本发明首次应用傅里叶系数展开法进行输入功率的分解对最优驱动速度曲线求解，整个过程只需
迭代5-6次即可得到最佳变速驱动曲线模型。
[0060] 4、本发明表1中的三相异步电动机工作特性函数是在电机特性专用试验台上获取，特性函数精细描述了电机在0~2倍额定功率之间的特性变化规律，为电机输出电参数的计算
精度提供保证。
[0061] 5、本发明表2中的皮带、减速箱、四连杆传动效率模型是在抽油机模拟试验井上测试，并对试验数据拟合得到，计算精度更高，使用也很方便。
[0063] 图1是电流平衡度与周期载荷系数的关系曲线；
[0064] 图2是电流平衡度与电机节电率曲线。
[0065] 五、具体实施方式：
[0066] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0067] 这种基于功率预测的变速拖动曲线优化控制方法，
[0068] 步骤一、建立数据库，该数据库包括抽油机数据库、电动机特性数据库，抽油机数据库包括抽油机结构尺寸参数、运动件转动惯量、传动比、平衡块数目、平衡块重量；电动机特性数据库由室内电机负载特性试验台测试获取，并拟合成相应特性函数：
[0069] 表1.三相异步电动机工作特性函数表达式
[0070]项目 函数表达式--Y225S-8电机
转差率
功率因数
输入功率
输出电流
电机效率
机械特性
项目 函数表达式--Y225M-8电机
转差率
功率因数
输入功率
输出电流
电机效率
机械特性
项目 函数表达式-- Y250M-8电机
转差率
功率因数
输入功率
输出电流
电机效率
机械特性
[0071] 步骤二、借助试验井模拟试验获取皮带、减速箱及四连杆等处的节点功率与扭矩数据，对该数据处理后获得皮带、减速箱及四连杆的传动效率，并拟合成相应特性函数；
[0072] 表2.游梁式抽油机各部件传动效率
[0073]项目 函数表达式
皮带效率
减速箱效率
四连杆效率
[0074] 步骤三、向变速拖动优化程序中输入：冲程、冲次、泵挂、动液面、泵径、管径、杆柱组合及直径、含水率、套压、流压、油液密封、粘度，
[0075] 步骤四、计算变速驱动时，抽油机运动特性与动力特性，包括悬点位移、悬点速度、悬点加速度、悬点载荷、减速箱扭矩、电机扭矩、电机功率、电机转速等参数；
[0076] a)电机变速运动时的四杆机构
运动学模型，可以使用复变矢量法或其它方法进行求解。
[0077] 悬点位移：
[0078] 悬点速度：
[0079] 悬点加速度：
[0080]
[0081] b)杆管液三维
波动方程，离散成线性代数后用差分迭代进行求解。
[0082]
[0083] c)变速运行时减速箱与电动机输出扭矩计算公式。
[0084] 减速箱输出轴净扭矩；
[0085] 电动机输出轴扭矩； 。
[0086] 步骤五、按电流平衡法进行抽油机平衡调整，电流平衡度取值范围为65%-85%。电流平衡法是指下冲程峰值电流与上冲程峰值电流之比。根据游梁式抽油机平衡原理建立的动力学数学模型，理论计算及现场测试表明，对于常规游梁式抽油机，电流平衡度为
65%-85%时，抽油机井处于最节能状态，此时上、下冲程
平均功率接近相等。当变速拖动抽油机井时，惯性扭矩发生作用，能够降低峰值载荷，减弱甚至消除负扭矩。因此当载荷降低后，变速拖动前的平衡扭矩就相对较大，会导致整个抽油机处于过平衡的状态，有时反而有“减速箱超载”现象的出现。所以实施变速拖动措施前应该按电流平衡法进行平衡调整。图
1和图2表示电流平衡度与周期载荷系数、节电率的关系，抽油机运行最平稳的时候也是最节能的时候，本发明以此为依据进行平衡调整。
[0087] 步骤六、在约束条件下，按目标函数ψmax=max[ f (X1,X2,…,Xn)]进行变速优化计算，约束条件为：
[0088]
[0089] 式中；
[0090] Xn——计算目标函数的一系列相关参数；
[0091] ——计算目标函数的计算函数；
[0092] ——综合节电率（%）： ；
[0093] ——有功、无功功率（kW、kar）；
[0094] ——无功经济当量，对于抽油机用电动机一般取0.05～0.08；
[0095] ——电流平衡度（%）： ;
[0096] ——周期载荷系数： 。
[0097] ——输入电流、上冲程峰值电流、下冲程峰值电流（A）；
[0098] ——杆柱工作最大应力、杆柱许用应力（MPa）；
[0099] ——减速箱输出轴扭矩（N.m）；
[0100] ——产量。
[0101] 下标：
[0102] max——最大值；
[0103] i——序号；
[0104] c——恒速拖动时的相关参数；
[0105] e——相关设备额定值；
[0106] 步骤七、对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算， 输入功率曲线进行傅里叶系数展开方法如下；
[0107] 游梁式抽油机在运行的过程中，电动机的工作功率为；
[0108]
[0109] 式中； ——电动机输入功率，一般为理论计算结果或用电功率测试仪测取的电动机输入功率值，利用测试结果进行的计算更精确，但应用比较麻烦；
[0110] ——电动机恒定
角速度（一般为三相异步电机，其转差率一般在3%以下，可以认为电机恒转速，例如8极为750rpm）；
[0111] Tm——电机轴瞬态扭矩；
[0112] ——为电机效率。
[0113] 转换式电动机的工作功率公式可得；
[0114]
[0115] 通过上式即可求出电动机输出轴瞬态扭矩Tm。
[0116] 选择拖动电机在一个抽汲周期内的平均功率为“恒功率”运行目标值。则 用代替，可得理想电机瞬态角速度 函数为；
[0117]
[0118] 角速度 函数是以 为自变量， 为周期的连续函数，满足狄里赫利（Dirichlet）条件；1.函数 在 上连续，没有间断点；2.函数 在 上极值点是有限的。因此可以将 展开成傅立叶级数；
[0119]
[0120] 其中， 均为傅立叶系数，计算式如下；
[0121]
[0122]
[0123]
[0124] 其中 即电机恒转速 。
[0125] 变速拖动曲线应满足下列约束；
[0126] a)电机扭矩峰值不大于额定扭矩；
[0127] b)电机转速峰值不大于限定值；
[0128] 式中； ——电机扭矩（N.m）； ——电机额定扭矩（N.m）； ——电机额定转速（rpm）。
[0129] 对输入功率曲线进行傅里叶系数展开计算，每展开一次都重复进行步骤四~步骤六的计算，一般傅里叶级数展开5～6次即可得到最优的变速拖动曲线；
[0130] 步骤八、把优化变速拖动曲线离散后的数值输入到抽油机专用变频控制器，控制电机按最优的变速拖动曲线变速运行。将优化的变速拖动曲线离散化为足够多点的数据，一般要求一个运行周期有至少150个数据点。先按电流平衡法计算抽油机的平衡扭矩，把优化变速拖动曲线离散后的一系列数值输入到变频控制器，即将优化的变速拖动曲线及平衡调整方法等作业参数应用到抽油机系统中，使“机-杆-泵”以节能平稳的方式运行。变速拖动适合永磁同步电动机和三相异步电动机。对于三相异步电动机，基于其转差率一般小于3%，可以不考虑其转差率对变速优化的影响。考虑到电机成本和效果，高转差率电动机不适合本变速拖动优化方法。
