干貨 | 潛油永磁同步電機(jī)的控制應(yīng)用

來源 | 電氣技術(shù)

導(dǎo)語：本文主要講述了直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC）在潛油永磁同步電機(jī)上的控制應(yīng)用；列舉了幾種不同的直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC）及具有直接轉(zhuǎn)矩控制模式的ABB變頻器。

我國是一個(gè)石油資源比較匱乏的國家，國際原油市場的價(jià)格波動(dòng)直接影響著國內(nèi)成品油的價(jià)格波動(dòng)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對石油的需求越來越大，這就要求我們不斷提高國內(nèi)原油的產(chǎn)量，提高每一口油井的產(chǎn)出率。

我國有些油田由于多年的開采，原油的含油量在不斷下降，有的油井含水能達(dá)到80%-90%。開采已進(jìn)入三次采油階段（一次采油主要靠地層本身的壓力采油，二次采油主要靠向地下注水或注入蒸汽增大地層壓力，三次采油主要是向地層注入聚合物，依靠聚合物的吸附作用進(jìn)行采油）。

三次采油所用的聚合物非常粘稠，它的水合物從外觀上看就像是膠水；要想從地層深處將這樣粘稠的聚合物抽出來，就需要轉(zhuǎn)速低的潛油電機(jī)和潛油螺桿泵來實(shí)現(xiàn)。

潛油電機(jī)概述

1 潛油異步電動(dòng)機(jī)

目前市場上銷售的潛油電機(jī)都是為潛油離心泵配置的，這種電機(jī)嚴(yán)格上應(yīng)該叫潛油異步電機(jī)；特點(diǎn)就是額定轉(zhuǎn)速高，一般都在1500rpm，功率也比較大，電壓等級有0.66KV、1.14KV、3KV、6KV等。此類電機(jī)的控制也很成熟，主要是使用高壓變頻器，高壓變頻器的控制方式主要是V/F模式，也就是我們通常用的控制模式。

這種模式是通過控制頻率從而控制輸出的電壓，再控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)際上是電壓和轉(zhuǎn)速存在著正比例關(guān)系，電壓大轉(zhuǎn)速就大，電壓小轉(zhuǎn)速就小，是一種開環(huán)的控制模式。此種采油系統(tǒng)比較適合原油較稀的油田（二次采油）而不適合進(jìn)行三次采油的油田。

2 潛油永磁同步電動(dòng)機(jī)

另外一種潛油電機(jī)就是潛油永磁同步電機(jī)，此種電機(jī)的特點(diǎn)就是額定轉(zhuǎn)速低，一般在300-500rpm，目前的電壓等級為0.38KV和0.66KV，由于電壓等級比較低，所以功率也較小。此種電機(jī)的低速性能較好，比較適合三次采油的油田。

潛油永磁同步電機(jī)的控制方法

目前常用于永磁同步電機(jī)的控制策略主要是磁場定向矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。

1 矢量控制方法

磁場定向矢量控制首先應(yīng)用于異步電機(jī)中，這之后被引入到永磁同步電機(jī)的控制中。矢量控制的基本思想就是模仿直流電機(jī)的磁場定向過程。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)在矢量控制系統(tǒng)中一般采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向，因此需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確的空間角度，這是通過電子方式而不是通過類似直流電機(jī)那樣的機(jī)械方式獲得的。

永磁同步電機(jī)的模型可以很方便的在隨永磁轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（d-q軸）中表示。永磁同步電機(jī)的矢量控制通常被稱作 =0控制，這是因?yàn)榇朔N控制方式能使永磁同步電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩為零，電磁轉(zhuǎn)矩直接與q軸定子電流 成正比的緣故。因而通過定子電流的控制使線性的單閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制成為可能。

然而矢量控制并不是適用于所有的永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的氣隙磁鏈會因電樞反應(yīng)而受到電機(jī)電流和電感所產(chǎn)生的磁鏈影響。如果電機(jī)的磁路不對稱，還會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。交、直軸磁通通路的差異會導(dǎo)致其電感的不同。如果永磁體安裝于轉(zhuǎn)子表面，由于永磁體的磁導(dǎo)率近似于空氣，因此有效氣隙非常大。大氣隙下電感非常小且交、直軸電感近似相等。

如果永磁體埋于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，則永磁磁路大不相同。交軸磁鏈通常不通過永磁體，通常使得q軸電感大于d軸電感。因此矢量控制更適合于面貼式永磁同步電機(jī)。

矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，精確的速度控制，零速時(shí)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載運(yùn)行，進(jìn)而可獲得類似于直流電機(jī)的工作特性。但是為得到高性能的轉(zhuǎn)矩和速度控制，必須設(shè)置位置傳感器，這不僅增加了系統(tǒng)的造價(jià)，同時(shí)也使通常簡單的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，特別是傳感器如隨電機(jī)放入油井中，其通訊、供電及穩(wěn)定性都有待考察。

另外調(diào)制方式的使用也使電機(jī)輸入信號和輸出信號之間通訊變得較為復(fù)雜。因此與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式比較，這種控制方式電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單但是控制系統(tǒng)復(fù)雜。ABB廠家具有矢量控制功能的變頻器（如：ACS550系列），不推薦使用此種控制模式控制永磁同步電機(jī)。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

另一種用于永磁同步電機(jī)的控制策略就是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）：此種控制策略首先在上世紀(jì)80年代由2名西班牙人提出并發(fā)表在德國刊物上。1996年ABB公司宣布了第一個(gè)工業(yè)應(yīng)用之后，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）得到了普遍的重視。之后DTC控制方面用于異步電動(dòng)機(jī)的文獻(xiàn)發(fā)表了不少，在1997年才有研究者發(fā)表了將DTC控制用于永磁同步電機(jī)的文章。

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的主要原理是不采用電流控制而通過選擇合適的電壓空間矢量來直接控制電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。空間電壓矢量是根據(jù)兩個(gè)轉(zhuǎn)矩、磁鏈滯緩控制器的輸出信號以及定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯盘枏念A(yù)定的最優(yōu)先開關(guān)表中選擇出來的。

潛油永磁同步電機(jī)由于安裝于井下1000m深處，工作環(huán)境惡劣，位置或速度傳感器的使用有著非常大的困難，此外也增加了控制系統(tǒng)的成本。因此無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)運(yùn)而生。

潛油永磁同步電機(jī)的主要無速度傳感器方法可以分為以下幾類：

• 基于反電勢和磁鏈的位置速度估計(jì)器；

• 基于觀測器的位置速度估計(jì)器（卡爾曼濾波器、龍伯格觀測器、模型參考自適應(yīng)和滑模觀測器）；

• 基于集合和飽和效應(yīng)引起的電感變化的估計(jì)器；

• 基于定子三相諧波的估計(jì)器；

• 基于智能控制器（模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法）的估計(jì)器。

潛油永磁同步電機(jī)的控制方案

1 控制方案的組成

本方案所控制的潛油永磁同步電機(jī)參數(shù)：額定電壓0.40KV；額定功率15KW；額定頻率50Hz。

本方案是由塑殼開關(guān)、熔斷器、ABB變頻器、濾波器及輔助電器設(shè)備組成。由以上電器元件組成了本方案的開關(guān)電器、控制電器和保護(hù)電器三部分。

開關(guān)電器在本方案中主要是指塑殼開關(guān)；控制電器是本方案的核心部分主要是指ABB變頻器；保護(hù)電器主要是塑殼開關(guān)、熔斷器和濾波器。

2 開關(guān)電器的作用

本方案中的塑殼開關(guān)既是開關(guān)電器又是保護(hù)電器，所謂“開關(guān)”主要是指在主回路中起到開關(guān)電路的作用，所謂“保護(hù)”主要是指瞬時(shí)短路保護(hù)也就是分?jǐn)嗄芰?。選擇塑殼開關(guān)的主要依據(jù)一個(gè)是主回路中的額定電流，另一個(gè)就是分?jǐn)嗄芰?。由于本方案控制的潛油永磁同步電機(jī)的工作模式是重載模式，所以在選擇塑殼開關(guān)時(shí)放大了開關(guān)的容量，選用了60A的塑殼開關(guān)，分?jǐn)嗄芰?KA。

3 保護(hù)電器的作用

保護(hù)電器中的塑殼開關(guān)主要作用是短路保護(hù)；熔斷器也是起到短路保護(hù)的作用但它的動(dòng)作時(shí)間短，反應(yīng)時(shí)間快，所以在本方案中加以選用。選用的原則是熔斷器額定電流必須大于等于負(fù)荷的電流，在這里我們選擇和塑殼開關(guān)的容量一致，也是60A。濾波器的選用主要是為了減少變頻器所產(chǎn)生諧波危害，延長電機(jī)的使用壽命。

4 控制電器的作用

控制電器為ABB變頻器，主要參數(shù)：額定電壓0.4KV ；額定功率18.5KW；額定頻率50Hz。

此種變頻器的控制模式有三種：V/F模式；矢量控制模式（VC）；直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC）。

我們使用三種方式對電機(jī)驅(qū)動(dòng)，得出以下結(jié)論：

V/F模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，空載起動(dòng)電流60A，空載運(yùn)行電流4~6A，帶負(fù)載不能起動(dòng)。

矢量控制模式（VC）驅(qū)動(dòng)電機(jī)，空載不能起動(dòng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC）驅(qū)動(dòng)電機(jī)，參數(shù)設(shè)置正確，對啟動(dòng)時(shí)間和PI值進(jìn)行調(diào)試后，空載起動(dòng)電流及轉(zhuǎn)速曲線見下圖。

圖1

圖1中的1（棕色）為電流曲線，2（綠色）為轉(zhuǎn)速曲線。帶負(fù)載時(shí)起動(dòng)電流為17A，運(yùn)行時(shí)電流為6~8A，轉(zhuǎn)速從100rpm至200rpm再到500rpm，電流沒有顯著變化?？刂菩Ч浅＠硐?，尤其是其低速控制性能非常適合三次采油的實(shí)際工況。

結(jié)論

綜合以上實(shí)測數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為對潛油永磁同步電機(jī)的控制策略只能采用直接轉(zhuǎn)矩控制模式（DTC）。但ABB的此種變頻器價(jià)格較高，如果國產(chǎn)品牌的變頻器也能有此種控制模式和控制效果，將在油田的市場上有廣闊的應(yīng)用空間。