異步電動(dòng)機(jī)矢量控制裝置研制與應(yīng)用

高峻

（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

1 背景及現(xiàn)狀

某區(qū)塊的抽油機(jī)井平均裝機(jī)功率為34.49 kW，平均消耗功率6.89 kW，負(fù)載率19.98%，平均功率因數(shù)為0.42，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效區(qū)間，大量的電能消耗在電動(dòng)機(jī)發(fā)熱上，負(fù)載率低，能耗較高[1]。

常規(guī)的節(jié)能改造技術(shù)只能分級(jí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，因而還有節(jié)能潛力需進(jìn)一步挖掘[2]。現(xiàn)有技術(shù)大多是根據(jù)一個(gè)沖次內(nèi)的最大功率來(lái)調(diào)整電源或電動(dòng)機(jī)的，在一個(gè)沖次內(nèi)沒(méi)有功率匹配能力。而作為一種新的電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制技術(shù)，電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)在永磁電動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，取得了非常好的節(jié)能效果，但在抽油機(jī)交變負(fù)載設(shè)備方面應(yīng)用非常少。普通的變頻器僅改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不能提高電動(dòng)機(jī)效率，在低頻時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩有所下降，低速負(fù)載特性差。而矢量技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)大范圍的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整，而且可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載跟蹤，提高電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)，降低裝機(jī)功率。

因此，為了進(jìn)一步挖掘抽油機(jī)井舉升系統(tǒng)的節(jié)能潛力，研究應(yīng)用了異步電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)，使異步電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)相似的性能，能夠?qū)崟r(shí)改變電動(dòng)機(jī)輸出力矩，最大限度的提高電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速功能，便于調(diào)參和優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)提高工作效率、提升系統(tǒng)效率等都具有重要的意義[3]。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

矢量控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。絕大部分機(jī)電一體化系統(tǒng)都具有矢量功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的矢量控制是為執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)而提供控制和動(dòng)力的重要環(huán)節(jié)[4]。

2.1 矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

矢量控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等5 部分[5]。

1）比較環(huán)節(jié)：將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）調(diào)節(jié)元件：通常是計(jì)算機(jī)或PID 控制電路，主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

3）執(zhí)行元件：作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電動(dòng)機(jī)或液壓、氣動(dòng)矢量機(jī)構(gòu)等。

4）被控對(duì)象：被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載。

5）檢測(cè)環(huán)節(jié)：能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置。一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

在實(shí)際的矢量控制系統(tǒng)中，上述的每個(gè)環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨(dú)立，可能幾個(gè)環(huán)節(jié)在一個(gè)硬件中，如測(cè)速直流電動(dòng)機(jī)即是執(zhí)行元件又是檢測(cè)元件。

2.2 矢量控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）調(diào)速范圍大。大范圍的控制速度是矢量控制的基本功能之一，油田抽油機(jī)的交流異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)矢量控制，可以準(zhǔn)確地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次的目的[6]。

2）低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性。交流矢量控制器具有低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性，在抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，控制器可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速?gòu)? 上升到設(shè)定值，電流平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)。在負(fù)荷較輕的油井，在矢量軟啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)試，確認(rèn)完全可以用較小功率的電動(dòng)機(jī)取代原有的電動(dòng)機(jī)，達(dá)到進(jìn)一步的節(jié)能[7]。

3）可對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式。在抽油機(jī)一個(gè)抽油沖次中，由于平衡塊和位能負(fù)載的影響，電動(dòng)機(jī)兩次處于發(fā)電狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)電流的變化說(shuō)明其負(fù)載轉(zhuǎn)矩在抽油做功和位能負(fù)載之間的急劇變化。根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律的分析，利用矢量控制器對(duì)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，矢量控制器可對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式[8]，以達(dá)到節(jié)電的目的。由于速度與轉(zhuǎn)矩可解耦，分別控制，矢量控制器對(duì)于抽油機(jī)的沖程采取了“上快下慢“的速度控制，提高了出油量。

3 技術(shù)關(guān)鍵

3.1 設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)位置傳感器

利用電動(dòng)機(jī)定子端電壓和電流直接計(jì)算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、延遲小，但是需要準(zhǔn)確的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。目前在永磁力矩電動(dòng)機(jī)矢量控制方面，已經(jīng)成功應(yīng)用了一種基于觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、運(yùn)行位置估算方法[9]。該方法依據(jù)電動(dòng)機(jī)定子相電流，根據(jù)電動(dòng)機(jī)電磁方程式構(gòu)造滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器，對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器狀態(tài)下進(jìn)行矢量控制，并且控制精度滿足生產(chǎn)控制需求[10]。主要借鑒永磁力矩電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)，利用電動(dòng)機(jī)定子端電壓和電流直接計(jì)算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)了三相異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置矢量控制。

3.2 優(yōu)化抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

抽油桿運(yùn)行模式見(jiàn)圖1，基本是上、下沖程等速運(yùn)動(dòng)。抽油機(jī)運(yùn)行到下死點(diǎn)后立刻上提，不利于抽油泵的充滿，同時(shí)下沖程速度較快時(shí)也容易加劇桿管偏磨。桿柱的彈性伸縮影響泵的充滿程度，通過(guò)改變抽油機(jī)在上、下死點(diǎn)處的速度使抽油桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，在上死點(diǎn)時(shí)加快轉(zhuǎn)速利用抽油桿的慣性將柱塞提升一段距離，在下死點(diǎn)時(shí)降低轉(zhuǎn)速或停止一段時(shí)間，充分利用抽油桿的慣性使柱塞的下死點(diǎn)更低，以提高泵的充滿系數(shù)。

圖1 抽油桿運(yùn)行模式

3.3 設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制器電氣結(jié)構(gòu)

等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)繞組物理模型見(jiàn)圖2，通過(guò)“三-二”變換和“二-二”變換，將相差為120°的電源解耦為相互垂直的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的分別控制，將異步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，實(shí)現(xiàn)將異步電動(dòng)機(jī)像直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制，同時(shí)借鑒永磁力矩電動(dòng)機(jī)無(wú)位置矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)無(wú)位置矢量控制，具備了軟啟動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速、低速大轉(zhuǎn)矩控制功能。

圖2 等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)繞組物理模型

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 電動(dòng)機(jī)矢量調(diào)試情況

4.1.1 電動(dòng)機(jī)工作參數(shù)自學(xué)習(xí)

自學(xué)習(xí)有兩種方式，一種是旋轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)，一種是靜止自學(xué)習(xí)。如果安裝時(shí)電動(dòng)機(jī)可以旋轉(zhuǎn)，建議使用旋轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)方式。

1）旋轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)。電動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)置可以使用驅(qū)動(dòng)器的自學(xué)習(xí)功能設(shè)置，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器上面的鍵盤P00.15 功能。選擇旋轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器顯示“RUN”的時(shí)候，按下驅(qū)動(dòng)器鍵盤的“RUN”。當(dāng)自學(xué)習(xí)結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)會(huì)直接運(yùn)行起來(lái)。

2）靜止自學(xué)習(xí)。電動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)置可以使用驅(qū)動(dòng)器的自學(xué)習(xí)功能設(shè)置，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器上面的鍵盤P00.15 功能。選擇2 靜止自學(xué)習(xí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器顯示“RUN”時(shí)，按下驅(qū)動(dòng)器鍵盤的“RUN”。當(dāng)自學(xué)習(xí)結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)會(huì)直接運(yùn)行起來(lái)。

4.1.2 上、下沖程運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的優(yōu)化設(shè)置

在做好異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的同時(shí)，為更好地改善抽油機(jī)井的運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)下沖程中井下桿管偏磨和抽油泵充滿系數(shù)低的問(wèn)題，做了以下優(yōu)化改進(jìn)：一是將下沖程的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，使其低于上沖程的運(yùn)行速度；二是在下死點(diǎn)進(jìn)行了延時(shí)設(shè)置，這樣可延緩活塞上行時(shí)間，有利于井液進(jìn)入泵筒以提高抽油泵的充滿系數(shù)。

4.2 應(yīng)用效果

將異步電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)某作業(yè)區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選取了10 口井進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。

4.2.1 節(jié)能效果

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制裝置應(yīng)用在低產(chǎn)液井、需要頻繁調(diào)整參數(shù)的抽油機(jī)井，選取10 口井進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，試驗(yàn)井優(yōu)化前后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1，平均單井節(jié)電率達(dá)到了19.86%，系統(tǒng)效率提高了5.46%，取得了較好的試驗(yàn)效果。

表1 試驗(yàn)井優(yōu)化前后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2.2 增液情況

從試驗(yàn)井的跟蹤效果上看，由于具有無(wú)級(jí)調(diào)速功率，采用了“上快下慢，死點(diǎn)滯留”的控制模式后，使參數(shù)調(diào)整范圍更精細(xì)，適應(yīng)范圍更寬泛。根據(jù)地層供液情況設(shè)計(jì)，合理調(diào)制上下運(yùn)行頻率和死點(diǎn)滯留時(shí)間，有效的提高了泵的單程進(jìn)液量，尤其適用于低產(chǎn)井。對(duì)比選取的10 口試驗(yàn)井，單井日產(chǎn)液量均有不同程度的增加，平均單井日增液2.39 t，較好的緩解了地層供液不足的問(wèn)題。

優(yōu)化后平均泵充滿度由55%上升到87%，增幅58.18%，功圖的平均最大載荷由38.97 kN 下降到38.12 kN，下降了2.18%，最小載荷由17.95 kN 上升到18.93 kN，上升了5.46%，上下載荷差值變小，功圖面積明顯增大，說(shuō)明供液不足情況有所緩解，平均泵效由42.19% 提高到66.06%，提高了23.87%，抽油桿優(yōu)化運(yùn)行見(jiàn)到了較好的效果。

以4#為例，抽油機(jī)優(yōu)化前后功圖對(duì)比見(jiàn)圖3，泵充滿度提高了65.46%，產(chǎn)液量增加了15.2%，功圖圖形由優(yōu)化前的供液不足到優(yōu)化后的正常，在產(chǎn)量不降略有增加的情況下，改善了該井的供排關(guān)系。

圖3 抽油桿優(yōu)化前后功圖對(duì)比

4.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

1）節(jié)電效益：平均單井節(jié)電率19.86%，單井耗電119.52 kWh/d，生產(chǎn)時(shí)間按350 天算，電價(jià)按0.637 元/kWh，10 口井年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益5.29 萬(wàn)元。

2）免調(diào)參效益：需配備2 個(gè)左右的皮帶輪以備調(diào)參使用，應(yīng)用矢量技術(shù)后，無(wú)需皮帶輪即可調(diào)參，節(jié)省皮帶輪費(fèi)用以及調(diào)參少影響產(chǎn)油效益合計(jì)1.2 萬(wàn)元。

3）節(jié)省設(shè)備更新費(fèi)用：3 口井配電箱損壞嚴(yán)重，采用矢量控制箱后少更新配電箱3 臺(tái)，配電箱按4 萬(wàn)元/臺(tái)，則節(jié)省更新費(fèi)用12 萬(wàn)元。

4）增油效益（提高泵效）：?jiǎn)尉骄鲆?.39 t/d，含水按97%計(jì)算，日增油量按0.07 t 計(jì)算，生產(chǎn)時(shí)間按350 天，油價(jià)按3 084 元/t，全成本2 143 元/t，10 口井年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益23.06 萬(wàn)元。

5）其它效益：優(yōu)化抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，減少抽油機(jī)故障，10 口井年節(jié)約地面維護(hù)費(fèi)用0.6 萬(wàn)元；降低抽油機(jī)機(jī)械磨損，檢泵周期由700 天延長(zhǎng)至1 100 天，年少檢泵2 口，節(jié)約檢泵費(fèi)用6 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）矢量控制器在零至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，有3 倍額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力，在抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，控制器可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙皆O(shè)定值，電流平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)。

2）應(yīng)用該技術(shù)對(duì)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，矢量控制器可對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，達(dá)到了節(jié)電的目的，單井節(jié)電率19.86%。

3）采用矢量控制，可以準(zhǔn)確地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了調(diào)整抽油機(jī)沖次的目的，實(shí)現(xiàn)了沖次1-12 次無(wú)級(jí)可調(diào)；采用“上快下慢、死點(diǎn)滯留”的抽油桿運(yùn)行模式，提高泵效幅度較大。

4）10 口試驗(yàn)井累計(jì)獲節(jié)電效益、增油效益、減少調(diào)參設(shè)備效益等共48.15 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均較為顯著，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的潛力。