直接轉矩控制技術在油田應用效果分析

薛朝妹 金曉陽 張奇志

1.西安石油大學 電子工程學院 （陜西 西安 710065）

2.西安科瑞自動化有限責任公司 （陜西 西安 710082）

直接轉矩控制技術在油田應用效果分析

薛朝妹1金曉陽2張奇志1

1.西安石油大學 電子工程學院 （陜西 西安 710065）

2.西安科瑞自動化有限責任公司 （陜西 西安 710082）

介紹一種新型的電機控制技術——直接轉矩控制技術，并對該技術在油田現場的應用效果進行了分析。該技術通過控制定子電壓，實現了對電機轉矩的直接控制。現場節能測試結果表明，節能效果顯著。因此，該技術具有一定的經濟效益和推廣應用價值。

抽油機 直接轉矩控制技術 應用效果 節能測試

抽油機是石油行業的用電大戶，其用電量約占油田總用電量的40%左右。隨著油田開采難度的日益增加，抽油機普遍存在運行效率低、能耗高、調節沖次費時費力、未考慮數字化油田需求等缺陷。為了適應抽油機轉矩變化快、轉矩變化范圍大、平衡易受井況變化影響、容易出現發電態等特殊的運行工況。減少抽油機的能耗，提高系統效率，降低采油成本，國內外先后開展了抽油機節能技術的研究工作，開發了許多新型節能電機和新型節能裝置，投入使用后，不同程度地提高了抽油機電機的運行效率，但綜合節電效果不佳。針對這一問題，提出了一種先進的電機控制技術——直接轉矩控制技術，并對該技術在油田現場的應用效果進行了分析研究。

1 抽油機高耗能運行原因分析

抽油機是機械采油的主要設備，與其相匹配的是三相異步電動機。目前，抽油機的功率因數不大于0.4，負載率不足30%，電能浪費現象嚴重，原因如下[1]。

1.1 電動機的負載率低

為保證抽油機的可靠啟動，要求抽油機所用電動機功率較大，而正常運行時電動機都是輕載運行，這就造成了抽油機負載率低，形成了“大馬拉小車”現象。另外，油田為了防止蠟卡、砂卡等異常工況而導致電動機燒毀，還有意識地選擇更大容量的電動機來驅動抽油機，使得“大馬拉小車”問題更加突出。當電動機負荷很低時，電動機仍要從電網吸取較大的無功功率，從而降低了功率因數。低負荷運轉，不僅造成電機效率低、功率因素低，而且周期性的負荷波動還會使電動機轉速波動，增加了電動機損耗。所以，“大馬拉小車”現象是抽油機高耗能的主要原因。

1.2 電動機的倒發電現象

抽油機電能浪費的另一個重要原因是抽油機拖動電動機發電，目前使用的各種類型的電動機都存在這種情況。由于抽油機負載波動很大，在抽油機的正常運轉中會出現抽油機減速箱輸入軸的運轉速度大于電機對它的驅動速度的情況，這時，抽油機就拖動電動機發電，所發的電不會完全與電網同步且存在線路損耗，因此不能完全被電網利用。在整個電能-機械能-電能的轉換過程中有很大一部分能量被浪費掉。

1.3 抽油機平衡率低

由于井況復雜，周圍環境惡劣，以及原油及抽油機本身等諸多因素的影響，使抽油機很難平衡。嚴重的不平衡加劇了“倒發電”問題，造成多數電動機電流變化不均勻，電動機內耗大大增加,使得功率因數低下，電能得不到充分利用，從而造成電能的浪費并影響整個抽汲系統的效率。

2 直接轉矩控制原理

直接轉矩控制又稱DTC，該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又一新突破[2]。對電機的控制歸根結底是要實現對電磁轉矩的有效控制，直接轉矩控制技術與矢量控制技術不同，它直接將磁通和電磁轉矩作為控制變量，因此無需進行磁場定向和矢量變換[3]。電機直接轉矩控制理論的核心在于轉矩的“直接控制”，通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。

直接轉矩控制系統的原理框圖如圖1所示。

在對直接轉矩控制的分析過程中，采用空間矢量的數學分析方法。在定子參考坐標系下，異步電動機的空間矢量有如下表達式：

由以上關系式，可推出電磁轉矩的關系式為：

式中 ψs—定子磁鏈；

ωψ—定子磁鏈角速度；

Rs—定子電阻；

p—電機的極對數；

Vqs—定子電壓矢量交軸分量。

由（4）式可知，在定子磁鏈的條件下，電磁轉矩受定子電壓矢量交軸分量的控制，因此，通過控制定子電壓就可以實現對轉矩的直接控制。

3 應用效果分析

基于DTC技術的抽油機節能控制系統是針對油田抽油機的特殊工況和需求，采用先進的DTC交流電機控制理論，為油田專門開發的。該技術解決了傳統變頻控制器在油田抽油機設備上無法節能的難題，同時加入了消除電機出現發電態的專用控制電路，使節能效果進一步提高。

結合現場應用情況，對基于DTC技術的抽油機節能控制系統進行了應用效果分析。

3.1 高效節能

主要表現在以下方面：

（1）充分利用了直接轉矩控制技術的特點，較好地適應了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等因素，把轉矩作為被控量，根據電機的負載變化情況迅速調整電機的輸出轉矩，具有極高的動態響應特性。最高可輸出300%的電機額定轉矩，可解決普遍存在的裝機功率大的問題。

圖1 直接轉矩控制系統原理框圖

（2）所供即所需，較好地解決了抽油機出現發電態的問題，通過母線電壓限制、轉速跟蹤、自動弱磁的方法，使電機不進入發電態，將多余勢能直接轉換為動能加以利用。可自適應負載力矩的變化，在0～300%范圍內按需供給電機能量。

（3）全面提高抽油機電機運行效率，大幅度提高了電機的功率因素，基本消除無功損耗。通過實際測試，功率因數達到0.98以上，無功節電率不低于96%。

（4）解決了傳統設備有功節能不明顯的問題。目前各類抽油機節能設備，在提高功率因數和無功節能上都取得了一定效果，但是有功節能效果很低，一般在5%以下，在抽油機沖次不變的情況下甚至出現負節能狀態。

3.2 方便的抽油機沖次調整功能

抽油機調節沖次時需要更換皮帶輪，由于受皮帶輪最小包角的限制，最低沖次只有4次，而且費時費力。通過該系統用戶可根據油井地層供液能力的變化很方便地調整電機的轉速，使抽油機的沖次與地層供液能力達到合理地匹配，提高系統效率，達到節電的效果。

3.3 完整的電機保護及自檢功能

具有完整的自檢功能，可以即時地檢測到電機運行過程中的所有重要信息，對異常變化會及時作出反應。在輸入斷相，輸出斷相、輸出短路、過流、過壓、超速等非正常情況下對電機提供全面完整的保護。

3.4 能夠實現控制器與工頻的自動切換

能夠實現DTC控制與工頻的自動切換，用戶也可以手動實現切換，這樣做方便維護，并保證了抽油機不間斷工作。

3.5 啟動升速時間可設定，實現軟啟動控制

在電機啟動升速時可根據油井的負載情況對電機的啟動時間進行設定，實現了電機的軟啟動，有效地降低了啟動時對電機及電網的沖擊，延長了電機的使用壽命，降低了機械磨損。

3.6 安裝簡單，調試啟動方便

體積小，重量輕，在抽油機上安裝簡便。可自動識別電機參數，確定電機模型及電機的所有關鍵參數。在首次啟動時，只需輸入電機的銘牌數據即可，操作簡單。

3.7 配備手持編程器

配備了專用的手持編程器，現場總線接口、可以帶電熱插拔、中文大屏幕液晶顯示、界面友好、使用簡單。可進行參數設置、數據顯示、啟停控制、復位等操作。

3.8 擴展靈活

考慮到未來數字化油井的趨勢及生產過程集中控制的需要，該系統預留了支持現場總線的擴展接口，可以很方便的將相關數據傳輸到上一級的管理系統中。該系統擴展靈活，可方便的加入下列擴展功能：①工況和示功圖的現場顯示；②工況和示功圖的有線與無線傳輸；③專家系統的建立；④遙控、遙測功能；⑤油井液位測量。

4 節能測試

將該技術應用于大慶油田采油七廠的3口油井上后，中國石油天然氣集團公司油田節能監測中心對其進行了節能測試。以17070號油井為例，該油井的測試數據如表1所示。

表1 17070號油井測試數據表

系統測試表明：有功節電率平均為14.18%，無功節電率平均為 85.45%，綜合節電率平均為23.58%，節電效果顯著。具有一定的經濟效益和推廣應用價值。

5 結 論

直接轉矩控制是目前國際上先進的電機控制技術，較好地適應了油田抽油機電機的特殊運行工況。將該技術應用于抽油機中，能夠顯著地提高電機的動態特性，有效地降低有功能耗，進一步解決了發電態的出現問題。在發電態時能夠迅速將輸出力矩減為零，并進行轉矩跟蹤，使抽油機的勢能向動能轉化，保證電機始終工作在最佳的效率點上，從而最大限度地節約電能，實現高效節能的目標。基于DTC技術的抽油機節能控制系統，其設計面向未來，提供了數字化油田所需的接口，使得系統擴展靈活。現場測試數據表明，節電效果顯著，具有一定的經濟效益和推廣應用價值。該系統目前還未進行井深自動測量部分的開發，還不能根據油井液位的實際情況隨時調整抽油機的沖次，這是系統有待進一步完善的方面。

[1]張沙薩,楊波,張維平,等.游梁式抽油機用電動機節能討論[J].微電機，2009,42(15):61-63.

[2]王欽若,杜玉曉.交流電動機直接轉矩控制技術研究綜述[J].機電工程技術，2005,34(1):13-16.

[3]王成元,夏加寬,楊俊友,等.電機現代控制技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]高國興.游梁式抽油機用電動機高效節能控制系統的研究[D].北京：中國石油大學,2007:7-8.

[5]徐甫榮,趙錫生.抽油機電控裝置節能綜述[J].電氣傳動自動化, 2004,26(5):1-8.

[6]蔣仕民.游梁式抽油機節能技術在河南油田的應用分析[J].石油天然氣學報,2010,32(4):394-396.

The paper introduces a new type of motor control technology----the direct torque control technology.Meanwhile,an analysis is carried out aiming at the applicative effects of this technology in the oilfields.This technology achieves the direct control of motor torque by controlling the stator voltage.Besides,the field energy-saving tests demonstrate that energy-saving effect is remarkable.Therefore,this technology possesses certain economic benefits and the value of popularization and application.

pumping unit;the direct torque control technology;applicative effect;energy-saving test

薛朝妹（1969-），女，主要從事自動控制、計算機監控等領域的教學研究工作。

尉立崗

2011-05-06