抽油机动态模型仿真.doc

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中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）

本科毕业设计（论文）

题目：

抽油机动态模型仿真

抽油机动态模型仿真

摘要

课题主要通过对抽油机电机及其负载转的研究来分析了油田应用较多的游梁式抽油机电机一个冲程内的工作状态，并利用Matlab软件对抽油机进行仿真。

本文主要从以下两部分展开分析。

第一部分就是建立异步电机的数学模型并仿真，即分析异步电机运行时的电压、磁链、转矩等之间关系，用数学表达式来模拟电机运行各能量关系；第二部分是建立抽油机负载转矩的数学模型并仿真，分析抽油机输出转矩、曲柄输出扭矩、悬点载荷与抽油机各参数之间的关系，得到抽油机负载转矩。

在MatlabSimulink上分别搭建异步电机模型和抽油机负载转矩模型，并进行仿真，利用电流、功率仿真曲线分析工常工作时的抽油机工作状态。

关键词：

游梁式抽油机；异步电机；抽油机负载转矩；悬点载荷

DynamicModelingofthepumpingunit

Abstract

Thethesismainlyresearchesandanalysistheworkingconditionsofbeampumpingunitwhichisappliedalotontheoilfield.Mathematicalmodelofthepumpingunitanditsloadisestablished.AnditsmodelingandsimulationarebasedonMATLAB.

Thispaperincludesthefollowingtwoparts.Thefirstpartistoestablishamathematicalmodelofinductionmotorsimulation,whichanalyzesthevoltageasynchronousmotorisrunning,flux,torqueandsotherelationshipbetweenmathematicalexpressionstosimulatethemotorisrunningalltheenergyrelationship;Thesecondpartistocreatesmokegeneratorloadtorqueofthemathematicalmodelandsimulation,analysispumpingoutputtorque,outputtorqueofthecrank,andthepumpingrodloadrelationshipbetweenparametersobtainedpumpingloadtorque.WerebuiltontheMatlabSimulinkmodelandpumpinginductionmotorloadtorquemodelandsimulation,theuseofcurrent,powersimulationcurveanalysisworknormallywhenthepumpingoperation.

Keywords：

Beampumpingunit；asynchronousmotor；pumpingloadtorque；rodload

目录

第1章引言 1

1.1课题研究的背景 1

1.2课题研究现状 1

1.3论文主要研究内容 2

第2章异步电机的数学模型及仿真 3

2.1异步电机在ABC三相坐标系下的数学模型 3

2.1.1电压方程 3

2.1.2磁链方程 4

2.1.3转矩方程 6

2.1.4运动方程 6

2.2坐标变换与变换矩阵 6

2.1.2坐标变换的基本原理 6

2.1.2常用的坐标系变换矩阵 6

2.3异步电机α、β静止两相坐标系下的数学模型 7

2.4异步电机在MATLAB下的建模仿真 7

2.5本章小结 11

第3章抽油机电机负载的数学模型及仿真 12

3.1抽油机电机特性 12

3.2驴头悬点载荷的计算 13

3.2.1悬点运行规律 13

3.2.2悬点载荷与加速度的关系 15

3.3驴头悬点载荷的传递转换 18

3.3.1电机负载转矩的求解 18

3.3.2曲柄轴扭矩的计算 19

3.4抽油机负载转矩的仿真 21

3.5抽油机动态模型仿真 25

3.6本章小结 27

第4章结论 29

4.1结论 29

4.2展望 29

致谢 30

参考文献 31

第1章引言

第１章引言

1.1课题研究的背景

在能源紧张的今天，石油作为现在消耗最多的能源，显得犹为重要。

在我国大部分油井地层压力过小，因此自喷油井比较小，必须用机械设备将原油从地下采出，目前油田采用最多采油机械设备是游梁式抽油机，俗成“磕头机”。

抽油机电能消耗占油田电能总耗量的30%[1]，仅次于注水，如此大的消耗量，有必要分析抽油机正常运行时的动态特性，掌握抽油机动态信息。

油田应用最大的游梁抽油机节能性能一般用异步电机的电能消耗量来衡量，由于抽油机负载的复杂性，抽油机在一周期内的运行状况是不同，在下总程时抽油机电机有可能处于发电状况，称为倒发电。

异步电机处于发电状态时将加大电能的消耗，因为电能－机械能－电能之间转换效率很低，所以抽油机倒发电是对电能是浪费，如何消除倒发电情况就是抽油机节能的主要方法之一。

另外，由于抽油机的负载的特殊性，在一个总程中，电机的额定功率远大于实际功率，即抽油机长时间处于轻载的状态，产生了“大马拉小车”现象，造成电机的效率降低，加大电能的浪费。

因此迫切需求对抽油机的运行状况的研究，寻求节能的技术。

1.2课题研究的现状

抽油机动态模型研究主要包括两部分：

异步电机的仿真和有杆抽油系统的仿真。

异步电机的仿真研究主要是利用MATLAB软件。

MATLAB强大的矩阵计算能力为异步电机仿真入提供了很大的优势。

异步电动机的数学模型是基于电机的转子及定子之间的电磁耦合关系得到，如此就能够轻而易举的在Simulik功能模块的完成异步电机的仿真模型的搭建并进行仿真。

此外，MATLAB的Simulink电力系统模块中就有电机的模型，这对仿真提供了很大的便利。

目前对电机的仿真研究较为成熟。

实际中，由于油田地质及抽油机传动机构的复杂性，抽油机运行时非常复杂，为方便仿真研究，有杆抽油系统可简化成对电动机、皮带与减速箱传动装置、抽油机主体机构、悬绳器、抽油杆柱与油管柱和油管内液柱与油套环空液柱六大子系统的仿真研究[2]。

有杆抽油系统动态参数模型最先由国外学者S.G.Gibbs于1963年提出的[3]。

动态模型的主要思想是：

在抽油机运行时的边界条件和初始条件已知的情况下，利用差分法求解描述抽油杆柱的垂直方向的振动情况的一维阻尼波动方程，由此便可得到抽油机驴头悬点运行规律和任意截面的示功图。

S.G.Gibbs后来对这种方法进行了优化以及更专业更全面的阐述[4~5]。

J.Xu[6]提出定向井抽油杆柱三维振动数学模型。

我国对有杆抽油系统动态参数的仿真研究是从80年代才开始。

目前有杆抽油系统的一维模型、二维模型仿真研究在国内油田得到广泛应用[7~10]。

结合我国油田的特点，西安石油学院余安国教授首先建立了同时描述抽油杆、液柱和油管柱振动的三维仿真模型，从而进一步完善和发展了有杆抽油系统动态参数的计算机仿真技术。

1.3论文主要研究内容

本课题主要从抽油机的电机模型和抽油机负载转矩模型两模型着手，联立电机模型和负载转矩模型就可以模拟抽油机正常工作状态，并利用MATLAB对其仿真，通过对仿真曲线（主要是电流曲线和功率曲线）研究，就可以时时了解抽油机的工作状态及倒发电状况，这对了解油田工作状况及节能等等都大有帮助。

异步电动机的数学模型是基于电机的转子及定子之间的电磁耦合关系得到的。

抽油机负载转矩模型是能过研究电动机负载转矩、曲柄轴输出转矩及驴头悬点载荷之间的关系得到的。

综上，论文从异步电机数学模型及仿真与抽油机负载转矩数学模型及仿真两部分分开讨论。

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第2章异步电机的数学模型及仿真

第2章异步电机的数学模型及仿真

2.1异步电机在ABC三相坐标系下的数学模型

由于异步电机的磁耦合关系异常复杂，特点是多变量且非线性，因此在研究异步电机在ABC三相坐标数学模型时，为简化模型便于分析，一般作如下假设：

1）异步电机定子绕组在空间上呈互差120o分布。

此外，假设在气隙周围的磁动势呈正弦分布。

2）不考虑电机的铁心损耗。

包括磁滞损耗和涡流损耗等等。

3）假定外界的温度变化及电源的频率变化对定转子电组没有任何影响。

4）设定定转子的自感与互感为不变常数的情况下，不考虑磁路饱和的情况。

异步电机的转子绕组有两种：

鼠笼式和绕线式，无论哪一种都可以通过能量守恒原则将转子折算到定子测方便建模，如图：

图2-1三相异步电动机的物理模型

按右手弯曲方向与电流方向一致握住电螺线管，大拇指指向即为正方向为原则规定各电压、电流和磁链正方向，便得到异步电机的数学模型方程。

2.1.1电压方程

异步电机三相定子绕组的电压平衡方程可以表示成：

（2-1）

转子电压平衡方程为：

（2-2）

式中为定子和转子相电压瞬时值；

为定子和转子相电流的瞬时值；

为各相绕组的全磁链；

Rs，Rr为定子各转子绕组电阻。

综合式（2-1）、（2-2），且用简化得到矩阵形式的电压方程，表示为：

（2-3）

或写成（2-3a）

2.1.2磁链方程

异步电机的各绕组的磁链有两部分组成，其一是自感磁链，其二是互感磁链。

因此，异步电机各相的磁链方程可表示为：

（2-4）

或写成（2-4a）

式中的对角线上的LAA，LBB，LCC，Laa，Lbb，Lcc下标字母相同是由绕阻自身所产生的磁链，称为自感，其余项为绕阻间的互感，称为互感。

查阅相关资料可知，各相定、转子的自感可以表示成：

（2-5）

（2-6）

式中为与定子一相绕组交链的最大互感对应于定子互感；

为定子各相漏磁通对应的电厂称作定子漏感；

与转子一相绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感，一般认为：

Lms=Lmr；

为转子各相漏感磁通对应于转子漏感。

异步电机任意两相绕组之间的互感有如下两种情况：

1）定转子三相之间的位置是不变的，其值是不变常数：

（2-7）

（2-8）

2）定转子任两相之间的位置是不是固定的，那么其互感值是关于θ的函数；

（2-9）

（2-10）

（2-11）

综合式（2-4）~（2-11），便