異步電動機矢量控制裝置研制與應用

高峻

（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

1 背景及現狀

某區塊的抽油機井平均裝機功率為34.49 kW，平均消耗功率6.89 kW，負載率19.98%，平均功率因數為0.42，電動機運行在低效區間，大量的電能消耗在電動機發熱上，負載率低，能耗較高[1]。

常規的節能改造技術只能分級調整電動機負載率，因而還有節能潛力需進一步挖掘[2]?，F有技術大多是根據一個沖次內的最大功率來調整電源或電動機的，在一個沖次內沒有功率匹配能力。而作為一種新的電動機節能控制技術，電動機矢量控制技術在永磁電動機上得到了廣泛的應用，取得了非常好的節能效果，但在抽油機交變負載設備方面應用非常少。普通的變頻器僅改變電動機轉速，不能提高電動機效率，在低頻時輸出轉矩有所下降，低速負載特性差。而矢量技術不僅可以實現大范圍的轉速實時調整，而且可以實現負載跟蹤，提高電動機效率和功率因數，降低裝機功率。

因此，為了進一步挖掘抽油機井舉升系統的節能潛力，研究應用了異步電動機矢量控制技術，使異步電動機具有和直流電動機相似的性能，能夠實時改變電動機輸出力矩，最大限度的提高電動機負載率，同時還可實現無級調速功能，便于調參和優化設計。對提高工作效率、提升系統效率等都具有重要的意義[3]。

2 系統組成與工作原理

矢量控制系統是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統。絕大部分機電一體化系統都具有矢量功能，機電一體化系統中的矢量控制是為執行機構按設計要求實現運動而提供控制和動力的重要環節[4]。

2.1 矢量控制系統的結構組成

矢量控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節等5 部分[5]。

1）比較環節：將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環節，通常由專門的電路或計算機來實現。

2）調節元件：通常是計算機或PID 控制電路，主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執行元件按要求動作。

3）執行元件：作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電動機或液壓、氣動矢量機構等。

4）被控對象：被控制的機構或裝置，是直接完成系統目的的主體。一般包括傳動系統、執行裝置和負載。

5）檢測環節：能夠對輸出進行測量，并轉換成比較環節所需要的量綱的裝置。一般包括傳感器和轉換電路。

在實際的矢量控制系統中，上述的每個環節在硬件特征上并不獨立，可能幾個環節在一個硬件中，如測速直流電動機即是執行元件又是檢測元件。

2.2 矢量控制的技術優勢

1）調速范圍大。大范圍的控制速度是矢量控制的基本功能之一，油田抽油機的交流異步電動機通過矢量控制，可以準確地控制電動機的轉速，達到調節抽油機沖次的目的[6]。

2）低速大轉矩的控制特性。交流矢量控制器具有低速大轉矩的控制特性，在抽油機電動機啟動的過程中，控制器可以驅動電動機輸出足夠的轉矩，轉速從0 上升到設定值，電流平穩，實現真正的軟啟動。在負荷較輕的油井，在矢量軟啟動的基礎上，通過測試，確認完全可以用較小功率的電動機取代原有的電動機，達到進一步的節能[7]。

3）可對電動機的輸出轉矩實現不同的控制方式。在抽油機一個抽油沖次中，由于平衡塊和位能負載的影響，電動機兩次處于發電狀態。電動機電流的變化說明其負載轉矩在抽油做功和位能負載之間的急劇變化。根據對轉矩的變化規律的分析，利用矢量控制器對抽油機轉矩進行監測，按轉矩的變化趨勢，矢量控制器可對電動機輸出轉矩實現不同的控制方式[8]，以達到節電的目的。由于速度與轉矩可解耦，分別控制，矢量控制器對于抽油機的沖程采取了“上快下慢“的速度控制，提高了出油量。

3 技術關鍵

3.1 設計異步電動機位置傳感器

利用電動機定子端電壓和電流直接計算轉速和轉子位置，這種方法計算簡單、動態響應快、延遲小，但是需要準確的電動機數學模型。目前在永磁力矩電動機矢量控制方面，已經成功應用了一種基于觀測器的轉子轉速、運行位置估算方法[9]。該方法依據電動機定子相電流，根據電動機電磁方程式構造滑模變結構觀測器，對轉速和轉子位置進行估算，實現了對永磁同步電動機無位置傳感器狀態下進行矢量控制，并且控制精度滿足生產控制需求[10]。主要借鑒永磁力矩電動機矢量控制技術，利用電動機定子端電壓和電流直接計算轉速和轉子位置，實現了三相異步電動機的無位置矢量控制。

3.2 優化抽油機運行狀態

抽油桿運行模式見圖1，基本是上、下沖程等速運動。抽油機運行到下死點后立刻上提，不利于抽油泵的充滿，同時下沖程速度較快時也容易加劇桿管偏磨。桿柱的彈性伸縮影響泵的充滿程度，通過改變抽油機在上、下死點處的速度使抽油桿的運動狀態發生變化，在上死點時加快轉速利用抽油桿的慣性將柱塞提升一段距離，在下死點時降低轉速或停止一段時間，充分利用抽油桿的慣性使柱塞的下死點更低，以提高泵的充滿系數。

圖1 抽油桿運行模式

3.3 設計異步電動機矢量控制器電氣結構

等效的交流電動機繞組和直流電動機繞組物理模型見圖2，通過“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磁分量和轉矩分量，實現了異步電動機的轉矩和轉速的分別控制，將異步電動機等效成直流電動機，模仿直流電動機的控制策略，實現將異步電動機像直流電動機一樣的控制，同時借鑒永磁力矩電動機無位置矢量控制技術，實現三相異步電動機無位置矢量控制，具備了軟啟動、無級調速、低速大轉矩控制功能。

圖2 等效的交流電動機繞組和直流電動機繞組物理模型

4 現場應用

4.1 電動機矢量調試情況

4.1.1 電動機工作參數自學習

自學習有兩種方式，一種是旋轉自學習，一種是靜止自學習。如果安裝時電動機可以旋轉，建議使用旋轉自學習方式。

1）旋轉自學習。電動機參數的設置可以使用驅動器的自學習功能設置，進入驅動器上面的鍵盤P00.15 功能。選擇旋轉自學習，當驅動器顯示“RUN”的時候，按下驅動器鍵盤的“RUN”。當自學習結束后，電動機會直接運行起來。

2）靜止自學習。電動機參數的設置可以使用驅動器的自學習功能設置，進入驅動器上面的鍵盤P00.15 功能。選擇2 靜止自學習，當驅動器顯示“RUN”時，按下驅動器鍵盤的“RUN”。當自學習結束后，電動機會直接運行起來。

4.1.2 上、下沖程運轉狀態的優化設置

在做好異步電動機矢量控制的同時，為更好地改善抽油機井的運行狀態，針對下沖程中井下桿管偏磨和抽油泵充滿系數低的問題，做了以下優化改進：一是將下沖程的運行速度進行調整，使其低于上沖程的運行速度；二是在下死點進行了延時設置，這樣可延緩活塞上行時間，有利于井液進入泵筒以提高抽油泵的充滿系數。

4.2 應用效果

將異步電動機矢量控制技術某作業區開展現場試驗，選取了10 口井進行試驗應用。

4.2.1 節能效果

異步電動機矢量控制裝置應用在低產液井、需要頻繁調整參數的抽油機井，選取10 口井進行跟蹤評價，試驗井優化前后基礎數據對比見表1，平均單井節電率達到了19.86%，系統效率提高了5.46%，取得了較好的試驗效果。

表1 試驗井優化前后基礎數據對比

4.2.2 增液情況

從試驗井的跟蹤效果上看，由于具有無級調速功率，采用了“上快下慢，死點滯留”的控制模式后，使參數調整范圍更精細，適應范圍更寬泛。根據地層供液情況設計，合理調制上下運行頻率和死點滯留時間，有效的提高了泵的單程進液量，尤其適用于低產井。對比選取的10 口試驗井，單井日產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題。

優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%，抽油桿優化運行見到了較好的效果。

以4#為例，抽油機優化前后功圖對比見圖3，泵充滿度提高了65.46%，產液量增加了15.2%，功圖圖形由優化前的供液不足到優化后的正常，在產量不降略有增加的情況下，改善了該井的供排關系。

圖3 抽油桿優化前后功圖對比

4.2.3 經濟效益

1）節電效益：平均單井節電率19.86%，單井耗電119.52 kWh/d，生產時間按350 天算，電價按0.637 元/kWh，10 口井年可創經濟效益5.29 萬元。

2）免調參效益：需配備2 個左右的皮帶輪以備調參使用，應用矢量技術后，無需皮帶輪即可調參，節省皮帶輪費用以及調參少影響產油效益合計1.2 萬元。

3）節省設備更新費用：3 口井配電箱損壞嚴重，采用矢量控制箱后少更新配電箱3 臺，配電箱按4 萬元/臺，則節省更新費用12 萬元。

4）增油效益（提高泵效）：單井平均增液2.39 t/d，含水按97%計算，日增油量按0.07 t 計算，生產時間按350 天，油價按3 084 元/t，全成本2 143 元/t，10 口井年可創經濟效益23.06 萬元。

5）其它效益：優化抽油機運行狀態，減少抽油機故障，10 口井年節約地面維護費用0.6 萬元；降低抽油機機械磨損，檢泵周期由700 天延長至1 100 天，年少檢泵2 口，節約檢泵費用6 萬元。

5 結論

1）矢量控制器在零至額定轉速范圍內具有恒轉矩輸出特性，有3 倍額定轉矩的過載能力，在抽油機電動機啟動的過程中，控制器可以驅動電動機輸出足夠的轉矩，轉速從零上升到設定值，電流平穩，實現真正的軟啟動。

2）應用該技術對抽油機轉矩進行監測，按轉矩的變化趨勢，矢量控制器可對電動機輸出轉矩實現不同的控制方式，達到了節電的目的，單井節電率19.86%。

3）采用矢量控制，可以準確地控制電動機的轉速，實現了調整抽油機沖次的目的，實現了沖次1-12 次無級可調；采用“上快下慢、死點滯留”的抽油桿運行模式，提高泵效幅度較大。

4）10 口試驗井累計獲節電效益、增油效益、減少調參設備效益等共48.15 萬元，經濟效益和社會效益均較為顯著，具有進一步推廣應用的潛力。