抽油機電機直接轉矩控制器研制

       摘    要：油田采油設備使用大量的游梁式抽油機，由于抽油機 電機的運行效率很低，浪費了大量的電能，目前也采用了許多電機節能技術，但效果均不佳 。文中介紹了采用直接轉矩控制技術來控制抽油機電機，從而達到良好的節能效果。 
        關鍵詞：抽油機；感應電機；節能；直接轉矩控制 
        1   簡介 
        目前全國各油田共有機采井約11萬口，其中抽油機井占90%以上，產液量的65 %，產油量的75%都是靠抽油機采出的，其數量每年按10%速度增長，是油田產油的主要方式 ，同時，也是能耗大戶，其能耗占油田總能耗的1/3。因而，減少抽油機的能耗、提高 系統效率、降低采油成本成為各油田實現節能增效的主要任務。 
        抽油機電機一般均使用三相異步感應電機，目前，對于抽油機電機采取了多種節能技術，可 歸納為以下幾種。 
        (1)更換節能電機； 
        (2)并接補償電容器； 
        (3)采用電壓調節裝置； 
        (4)采用通用變頻器。 
        采用上述節能措施后，抽油機電機運行效率有所提高，但由于抽油機電機運行工況存在轉矩 變化快、轉矩變化范圍大、平衡受井況變化影響、出現發電態等因素影響，長期運行節電效 果不佳，一般平均綜合節電率＜5%。 
        針對這種狀況，筆者采用當前最新的電機直接轉矩控制原理，結合抽油機電機的運行工況， 研制了抽油機電機直接轉矩控制器，提高抽油機電機的綜合節電效率。
電機的直接轉矩控制(DTC)理論最先由德國魯爾大學Depenbrock教授于1985年提出。這是交 流電機調速理論繼矢量控制之后的一新突破。它用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系 中計算電機磁鏈和轉矩，由磁鏈和轉矩的Bang-Bang控制產生PWM信號，對逆變器的開關狀態 進行最佳選擇，從而獲得高效的動態性能。 
        2  直接轉矩控制原理 
        直接轉矩控制是定子磁場定向，因此建立在靜止的坐標系(α,β)上。定子各量的變換公式如下：

 

        其中：Xa(t),Xb(t),Xc(t)是定子相應量的瞬時值，Xα(t)，Xβ(t)是(α，β) 坐標系上的兩個分量。

        直接轉矩控制的核心是磁鏈控制和轉矩控制，控制原理框圖如圖1所示。

        控制時首先測出直流母線電壓和定子電流，再按式(1)的坐標變換，將它們分 解到α，β方 向，并在這兩個方向計算出實際的磁鏈值和轉矩值，作為反饋分別與磁通給定和轉矩給定構 成閉環，進行Bang-Bang控制，產生磁鏈和轉矩請求信號，同時還要計算出磁鏈所 在扇區位置，最終通過轉矩請求、磁鏈請求、磁鏈扇區使逆變器開關優化器發出優化的PW M信號，驅動IGBT輸出電壓達到控制電機的目的。

        3   系統構成 
         系統構成如圖2所示。圖中包括主回路和控制回路，主回路逆變器采用IG BT功率管；控制回路的核心采用DSP處理器，它具有高速數據計算處理能力，能夠滿足DTC高 速實時計算的要求。

        4  現場運行效果 
        基于直接轉矩控制原理研制的AMCS100型抽油機電機直接轉矩控制器，在大慶 油田采油七廠第三油礦170－70、174－82、176－663口抽油機井上安裝運行，經檢測，在 原運行工況(沖次、沖程)不變的條件下，有功節電率分別達30.51%、20.96%、14.52%； 無功節電率分別達97.74%、97.88%、96.11%；功率因數分別達0.989、0.992、0.987 ；綜合節電率分別達39.35%、29.71%、21.60%，節能效果顯著。從節電效果來看，平均 負載重、有發電態的井節電率很高；對于平衡好基本無發電態的井節電率也可達到20%以上 。 
        5  結論 
        將直接轉矩控制技術應用于抽油機的電機控制上，具有轉矩調節動態響應速 度快的特點，轉矩和磁鏈可分別進行控制，易于抑制發電態的產生。經實際運行，達到了顯 著的節能效果。極具推廣價值。