抽油机电机直接转矩控制器研制
仪器信息网 · 2007-06-20 21:40 · 38591 次点击
西北电力设计院薛嫣严泊
摘要:油田采油设备使用大量的游梁式抽油机,由于抽油机电机的运行效率很低,浪费了大量的电能,目前也采用了许多电机节能技术,但效果均不佳。文中介绍了采用直接转矩控制技术来控制抽油机电机,从而达到良好的节能效果。
关键词:抽油机;感应电机;节能;直接转矩控制
1简介
目前全国各油田共有机采井约11万口,其中抽油机井占90%以上,产液量的65%,产油量的75%都是靠抽油机采出的,其数量每年按10%速度增长,是油田产油的主要方式,同时,也是能耗大户,其能耗占油田总能耗的1/3。因而,减少抽油机的能耗、提高系统效率、降低采油成本成为各油田实现节能增效的主要任务。
抽油机电机一般均使用三相异步感应电机,目前,对于抽油机电机采取了多种节能技术,可归纳为以下几种。
(1)更换节能电机;
(2)并接补偿电容器;
(3)采用电压调节装置;
(4)采用通用变频器。
采用上述节能措施后,抽油机电机运行效率有所提高,但由于抽油机电机运行工况存在转矩变化快、转矩变化范围大、平衡受井况变化影响、出现发电态等因素影响,长期运行节电效果不佳,一般平均综合节电率<5%。
针对这种状况,笔者采用当前最新的电机直接转矩控制原理,结合抽油机电机的运行工况,研制了抽油机电机直接转矩控制器,提高抽油机电机的综合节电效率。
电机的直接转矩控制(DTC)理论最先由德国鲁尔大学Depenbrock教授于1985年提出。这是交流电机调速理论继矢量控制之后的一新突破。它用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系中计算电机磁链和转矩,由磁链和转矩的BangBang控制产生PWM信号,对逆变器的开关状态进行最佳选择,从而获得高效的动态性能。
2直接转矩控制原理
直接转矩控制是定子磁场定向,因此建立在静止的坐标系(α,β)上。定子各量的变换公式如下:
其中:Xa(t),Xb(t),Xc(t)是定子相应量的瞬时值,Xα(t),Xβ(t)是(α,β)坐标系上的两个分量。
直接转矩控制的核心是磁链控制和转矩控制,控制原理框图如图1所示。
控制时首先测出直流母线电压和定子电流,再按式(1)的坐标变换,将它们分解到α,β方向,并在这两个方向计算出实际的磁链值和转矩值,作为反馈分别与磁通给定和转矩给定构成闭环,进行BangBang控制,产生磁链和转矩请求信号,同时还要计算出磁链所在扇区位置,最终通过转矩请求、磁链请求、磁链扇区使逆变器开关优化器发出优化的PWM信号,驱动IGBT输出电压达到控制电机的目的。
3系统构成
系统构成如图2所示。图中包括主回路和控制回路,主回路逆变器采用IGBT功率管;控制回路的核心采用DSP处理器,它具有高速数据计算处理能力,能够满足DTC高速实时计算的要求。
4现场运行效果
基于直接转矩控制原理研制的AMCS100型抽油机电机直接转矩控制器,在大庆油田采油七厂第三油矿170-70、174-82、176-663口抽油机井上安装运行,经检测,在原运行工况(冲次、冲程)不变的条件下,有功节电率分别达30.51%、20.96%、14.52%;无功节电率分别达97.74%、97.88%、96.11%;功率因数分别达0.989、0.992、0.987;综合节电率分别达39.35%、29.71%、21.60%,节能效果显著。从节电效果来看,平均负载重、有发电态的井节电率很高;对于平衡好基本无发电态的井节电率也可达到20%以上。
5结论
将直接转矩控制技术应用于抽油机的电机控制上,具有转矩调节动态响应速度快的特点,转矩和磁链可分别进行控制,易于抑制发电态的产生。经实际运行,达到了显著的节能效果。极具推广价值。
参考文献
[1]吴守箴,臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京:机械工业出版社.
[2]李夙.异步电机直接转矩控制技术[M].北京:机械工业出版社.
[3]符曦.系统最优化及控制[M].北京:机械工业出版社.
[4]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社.