干货 | 潜油永磁同步电机的控制应用

来源 | 电气技术

导语：本文主要讲述了直接转矩控制模式（DTC）在潜油永磁同步电机上的控制应用；列举了几种不同的直接转矩控制模式（DTC）及具有直接转矩控制模式的ABB变频器。

我国是一个石油资源比较匮乏的国家，国际原油市场的价格波动直接影响着国内成品油的价格波动。随着国民经济的不断发展，对石油的需求越来越大，这就要求我们不断提高国内原油的产量，提高每一口油井的产出率。

我国有些油田由于多年的开采，原油的含油量在不断下降，有的油井含水能达到80%-90%。开采已进入三次采油阶段（一次采油主要靠地层本身的压力采油，二次采油主要靠向地下注水或注入蒸汽增大地层压力，三次采油主要是向地层注入聚合物，依靠聚合物的吸附作用进行采油）。

三次采油所用的聚合物非常粘稠，它的水合物从外观上看就像是胶水；要想从地层深处将这样粘稠的聚合物抽出来，就需要转速低的潜油电机和潜油螺杆泵来实现。

潜油电机概述

1 潜油异步电动机

目前市场上销售的潜油电机都是为潜油离心泵配置的，这种电机严格上应该叫潜油异步电机；特点就是额定转速高，一般都在1500rpm，功率也比较大，电压等级有0.66KV、1.14KV、3KV、6KV等。此类电机的控制也很成熟，主要是使用高压变频器，高压变频器的控制方式主要是V/F模式，也就是我们通常用的控制模式。

这种模式是通过控制频率从而控制输出的电压，再控制电机转速，实际上是电压和转速存在着正比例关系，电压大转速就大，电压小转速就小，是一种开环的控制模式。此种采油系统比较适合原油较稀的油田（二次采油）而不适合进行三次采油的油田。

2 潜油永磁同步电动机

另外一种潜油电机就是潜油永磁同步电机，此种电机的特点就是额定转速低，一般在300-500rpm，目前的电压等级为0.38KV和0.66KV，由于电压等级比较低，所以功率也较小。此种电机的低速性能较好，比较适合三次采油的油田。

潜油永磁同步电机的控制方法

目前常用于永磁同步电机的控制策略主要是磁场定向矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）。

1 矢量控制方法

磁场定向矢量控制首先应用于异步电机中，这之后被引入到永磁同步电机的控制中。矢量控制的基本思想就是模仿直流电机的磁场定向过程。因为异步电动机在矢量控制系统中一般采用转子磁链定向，因此需要知道电机转子准确的空间角度，这是通过电子方式而不是通过类似直流电机那样的机械方式获得的。

永磁同步电机的模型可以很方便的在随永磁转子而旋转的转子坐标系（d-q轴）中表示。永磁同步电机的矢量控制通常被称作 =0控制，这是因为此种控制方式能使永磁同步电机的磁阻转矩为零，电磁转矩直接与q轴定子电流 成正比的缘故。因而通过定子电流的控制使线性的单闭环转矩控制成为可能。

然而矢量控制并不是适用于所有的永磁同步电机。永磁同步电机的气隙磁链会因电枢反应而受到电机电流和电感所产生的磁链影响。如果电机的磁路不对称，还会产生磁阻转矩。交、直轴磁通通路的差异会导致其电感的不同。如果永磁体安装于转子表面，由于永磁体的磁导率近似于空气，因此有效气隙非常大。大气隙下电感非常小且交、直轴电感近似相等。

如果永磁体埋于转子内部，则永磁磁路大不相同。交轴磁链通常不通过永磁体，通常使得q轴电感大于d轴电感。因此矢量控制更适合于面贴式永磁同步电机。

矢量控制的优点是转矩响应快，精确的速度控制，零速时可实现全负载运行，进而可获得类似于直流电机的工作特性。但是为得到高性能的转矩和速度控制，必须设置位置传感器，这不仅增加了系统的造价，同时也使通常简单的交流电机驱动系统结构变得复杂，特别是传感器如随电机放入油井中，其通讯、供电及稳定性都有待考察。

另外调制方式的使用也使电机输入信号和输出信号之间通讯变得较为复杂。因此与直流电机驱动方式比较，这种控制方式电机结构简单但是控制系统复杂。ABB厂家具有矢量控制功能的变频器（如：ACS550系列），不推荐使用此种控制模式控制永磁同步电机。

2 直接转矩控制（DTC）

另一种用于永磁同步电机的控制策略就是直接转矩控制（DTC）：此种控制策略首先在上世纪80年代由2名西班牙人提出并发表在德国刊物上。1996年ABB公司宣布了第一个工业应用之后，直接转矩控制（DTC）得到了普遍的重视。之后DTC控制方面用于异步电动机的文献发表了不少，在1997年才有研究者发表了将DTC控制用于永磁同步电机的文章。

直接转矩控制（DTC）的主要原理是不采用电流控制而通过选择合适的电压空间矢量来直接控制电机的定子磁链和转矩。空间电压矢量是根据两个转矩、磁链滞缓控制器的输出信号以及定子磁链矢量的位置信号从预定的最优先开关表中选择出来的。

潜油永磁同步电机由于安装于井下1000m深处，工作环境恶劣，位置或速度传感器的使用有着非常大的困难，此外也增加了控制系统的成本。因此无速度传感器的直接转矩控制应运而生。

潜油永磁同步电机的主要无速度传感器方法可以分为以下几类：

• 基于反电势和磁链的位置速度估计器；

• 基于观测器的位置速度估计器（卡尔曼滤波器、龙伯格观测器、模型参考自适应和滑模观测器）；

• 基于集合和饱和效应引起的电感变化的估计器；

• 基于定子三相谐波的估计器；

• 基于智能控制器（模糊逻辑、神经网络和遗传算法）的估计器。

潜油永磁同步电机的控制方案

1 控制方案的组成

本方案所控制的潜油永磁同步电机参数：额定电压0.40KV；额定功率15KW；额定频率50Hz。

本方案是由塑壳开关、熔断器、ABB变频器、滤波器及辅助电器设备组成。由以上电器元件组成了本方案的开关电器、控制电器和保护电器三部分。

开关电器在本方案中主要是指塑壳开关；控制电器是本方案的核心部分主要是指ABB变频器；保护电器主要是塑壳开关、熔断器和滤波器。

2 开关电器的作用

本方案中的塑壳开关既是开关电器又是保护电器，所谓“开关”主要是指在主回路中起到开关电路的作用，所谓“保护”主要是指瞬时短路保护也就是分断能力。选择塑壳开关的主要依据一个是主回路中的额定电流，另一个就是分断能力。由于本方案控制的潜油永磁同步电机的工作模式是重载模式，所以在选择塑壳开关时放大了开关的容量，选用了60A的塑壳开关，分断能力为6KA。

3 保护电器的作用

保护电器中的塑壳开关主要作用是短路保护；熔断器也是起到短路保护的作用但它的动作时间短，反应时间快，所以在本方案中加以选用。选用的原则是熔断器额定电流必须大于等于负荷的电流，在这里我们选择和塑壳开关的容量一致，也是60A。滤波器的选用主要是为了减少变频器所产生谐波危害，延长电机的使用寿命。

4 控制电器的作用

控制电器为ABB变频器，主要参数：额定电压0.4KV ；额定功率18.5KW；额定频率50Hz。

此种变频器的控制模式有三种：V/F模式；矢量控制模式（VC）；直接转矩控制模式（DTC）。

我们使用三种方式对电机驱动，得出以下结论：

V/F模式驱动电机，空载起动电流60A，空载运行电流4~6A，带负载不能起动。

矢量控制模式（VC）驱动电机，空载不能起动。

直接转矩控制模式（DTC）驱动电机，参数设置正确，对启动时间和PI值进行调试后，空载起动电流及转速曲线见下图。

图1

图1中的1（棕色）为电流曲线，2（绿色）为转速曲线。带负载时起动电流为17A，运行时电流为6~8A，转速从100rpm至200rpm再到500rpm，电流没有显著变化。控制效果非常理想，尤其是其低速控制性能非常适合三次采油的实际工况。

结论

综合以上实测数据，我们认为对潜油永磁同步电机的控制策略只能采用直接转矩控制模式（DTC）。但ABB的此种变频器价格较高，如果国产品牌的变频器也能有此种控制模式和控制效果，将在油田的市场上有广阔的应用空间。