抽油机电机直接转矩控制器研制

       摘    要：油田采油设备使用大量的游梁式抽油机，由于抽油机 电机的运行效率很低，浪费了大量的电能，目前也采用了许多电机节能技术，但效果均不佳 。文中介绍了采用直接转矩控制技术来控制抽油机电机，从而达到良好的节能效果。 
        关键词：抽油机；感应电机；节能；直接转矩控制 
        1   简介 
        目前全国各油田共有机采井约11万口，其中抽油机井占90%以上，产液量的65 %，产油量的75%都是靠抽油机采出的，其数量每年按10%速度增长，是油田产油的主要方式 ，同时，也是能耗大户，其能耗占油田总能耗的1/3。因而，减少抽油机的能耗、提高 系统效率、降低采油成本成为各油田实现节能增效的主要任务。 
        抽油机电机一般均使用三相异步感应电机，目前，对于抽油机电机采取了多种节能技术，可 归纳为以下几种。 
        (1)更换节能电机； 
        (2)并接补偿电容器； 
        (3)采用电压调节装置； 
        (4)采用通用变频器。 
        采用上述节能措施后，抽油机电机运行效率有所提高，但由于抽油机电机运行工况存在转矩 变化快、转矩变化范围大、平衡受井况变化影响、出现发电态等因素影响，长期运行节电效 果不佳，一般平均综合节电率＜5%。 
        针对这种状况，笔者采用当前最新的电机直接转矩控制原理，结合抽油机电机的运行工况， 研制了抽油机电机直接转矩控制器，提高抽油机电机的综合节电效率。
电机的直接转矩控制(DTC)理论最先由德国鲁尔大学Depenbrock教授于1985年提出。这是交 流电机调速理论继矢量控制之后的一新突破。它用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系 中计算电机磁链和转矩，由磁链和转矩的Bang-Bang控制产生PWM信号，对逆变器的开关状态 进行最佳选择，从而获得高效的动态性能。 
        2  直接转矩控制原理 
        直接转矩控制是定子磁场定向，因此建立在静止的坐标系(α,β)上。定子各量的变换公式如下：

 

        其中：Xa(t),Xb(t),Xc(t)是定子相应量的瞬时值，Xα(t)，Xβ(t)是(α，β) 坐标系上的两个分量。

        直接转矩控制的核心是磁链控制和转矩控制，控制原理框图如图1所示。

        控制时首先测出直流母线电压和定子电流，再按式(1)的坐标变换，将它们分 解到α，β方 向，并在这两个方向计算出实际的磁链值和转矩值，作为反馈分别与磁通给定和转矩给定构 成闭环，进行Bang-Bang控制，产生磁链和转矩请求信号，同时还要计算出磁链所 在扇区位置，最终通过转矩请求、磁链请求、磁链扇区使逆变器开关优化器发出优化的PW M信号，驱动IGBT输出电压达到控制电机的目的。

        3   系统构成 
         系统构成如图2所示。图中包括主回路和控制回路，主回路逆变器采用IG BT功率管；控制回路的核心采用DSP处理器，它具有高速数据计算处理能力，能够满足DTC高 速实时计算的要求。

        4  现场运行效果 
        基于直接转矩控制原理研制的AMCS100型抽油机电机直接转矩控制器，在大庆 油田采油七厂第三油矿170－70、174－82、176－663口抽油机井上安装运行，经检测，在 原运行工况(冲次、冲程)不变的条件下，有功节电率分别达30.51%、20.96%、14.52%； 无功节电率分别达97.74%、97.88%、96.11%；功率因数分别达0.989、0.992、0.987 ；综合节电率分别达39.35%、29.71%、21.60%，节能效果显著。从节电效果来看，平均 负载重、有发电态的井节电率很高；对于平衡好基本无发电态的井节电率也可达到20%以上 。 
        5  结论 
        将直接转矩控制技术应用于抽油机的电机控制上，具有转矩调节动态响应速 度快的特点，转矩和磁链可分别进行控制，易于抑制发电态的产生。经实际运行，达到了显 著的节能效果。极具推广价值。