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

我國(guó)有些油田由于多年的開(kāi)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(kāi)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(lái)，就需要轉(zhuǎn)速低的潛油電機(jī)和潛油螺桿泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一、潛油電機(jī)概述

潛油異步電動(dòng)機(jī)

目前市場(chǎng)上銷(xiāo)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(jí)有0.66KV、1.14KV、3KV、6KV等。此類(lèi)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(guò)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(kāi)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。

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(jí)為0.38KV和0.66KV，由于電壓等級(jí)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。

二、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(chǎng)定向矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。

矢量控制方法

磁場(chǎng)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(chǎng)定向過(guò)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(guò)電子方式而不是通過(guò)類(lèi)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(chēng)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(guò)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(huì)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(duì)稱(chēng)，還會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。交、直軸磁通通路的差異會(huì)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(guò)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(lèi)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(jiǎn)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(hào)和輸出信號(hào)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(jiǎn)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)。

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(guó)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(guò)選擇合適的電壓空間矢量來(lái)直接控制電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩?？臻g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(hào)以及定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯盘?hào)從預(yù)定的最優(yōu)先開(kāi)關(guān)表中選擇出來(lái)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(wú)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(wú)速度傳感器方法可以分為以下幾類(lèi)：

基于反電勢(shì)和磁鏈的位置速度估計(jì)器；

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

三、潛油永磁同步電機(jī)的控制方案

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(kāi)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(kāi)關(guān)電器、控制電器和保護(hù)電器三部分。

開(kāi)關(guān)電器在本方案中主要是指塑殼開(kāi)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(kāi)關(guān)、熔斷器和濾波器。

開(kāi)關(guān)電器的作用

本方案中的塑殼開(kāi)關(guān)既是開(kāi)關(guān)電器又是保護(hù)電器，所謂“開(kāi)關(guān)”主要是指在主回路中起到開(kāi)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Α＿x擇塑殼開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)放大了開(kāi)關(guān)的容量，選用了60A的塑殼開(kāi)關(guān)，分?jǐn)嗄芰?KA。

保護(hù)電器的作用

保護(hù)電器中的塑殼開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

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(duì)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(duì)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(jiàn)下圖。

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?gòu)?00rpm至200rpm再到500rpm，電流沒(méi)有顯著變化?？刂菩Ч浅＠硐耄绕涫瞧涞退倏刂菩阅芊浅＿m合三次采油的實(shí)際工況。

結(jié)論

綜合以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為對(duì)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(guó)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(chǎng)上有廣闊的應(yīng)用空間。
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