直接转矩控制技术在油田应用效果分析

薛朝妹 金晓阳 张奇志

1.西安石油大学 电子工程学院 （陕西 西安 710065）

2.西安科瑞自动化有限责任公司 （陕西 西安 710082）

直接转矩控制技术在油田应用效果分析

薛朝妹1金晓阳2张奇志1

1.西安石油大学 电子工程学院 （陕西 西安 710065）

2.西安科瑞自动化有限责任公司 （陕西 西安 710082）

介绍一种新型的电机控制技术——直接转矩控制技术，并对该技术在油田现场的应用效果进行了分析。该技术通过控制定子电压，实现了对电机转矩的直接控制。现场节能测试结果表明，节能效果显著。因此，该技术具有一定的经济效益和推广应用价值。

抽油机 直接转矩控制技术 应用效果 节能测试

抽油机是石油行业的用电大户，其用电量约占油田总用电量的40%左右。随着油田开采难度的日益增加，抽油机普遍存在运行效率低、能耗高、调节冲次费时费力、未考虑数字化油田需求等缺陷。为了适应抽油机转矩变化快、转矩变化范围大、平衡易受井况变化影响、容易出现发电态等特殊的运行工况。减少抽油机的能耗，提高系统效率，降低采油成本，国内外先后开展了抽油机节能技术的研究工作，开发了许多新型节能电机和新型节能装置，投入使用后，不同程度地提高了抽油机电机的运行效率，但综合节电效果不佳。针对这一问题，提出了一种先进的电机控制技术——直接转矩控制技术，并对该技术在油田现场的应用效果进行了分析研究。

1 抽油机高耗能运行原因分析

抽油机是机械采油的主要设备，与其相匹配的是三相异步电动机。目前，抽油机的功率因数不大于0.4，负载率不足30%，电能浪费现象严重，原因如下[1]。

1.1 电动机的负载率低

为保证抽油机的可靠启动，要求抽油机所用电动机功率较大，而正常运行时电动机都是轻载运行，这就造成了抽油机负载率低，形成了“大马拉小车”现象。另外，油田为了防止蜡卡、砂卡等异常工况而导致电动机烧毁，还有意识地选择更大容量的电动机来驱动抽油机，使得“大马拉小车”问题更加突出。当电动机负荷很低时，电动机仍要从电网吸取较大的无功功率，从而降低了功率因数。低负荷运转，不仅造成电机效率低、功率因素低，而且周期性的负荷波动还会使电动机转速波动，增加了电动机损耗。所以，“大马拉小车”现象是抽油机高耗能的主要原因。

1.2 电动机的倒发电现象

抽油机电能浪费的另一个重要原因是抽油机拖动电动机发电，目前使用的各种类型的电动机都存在这种情况。由于抽油机负载波动很大，在抽油机的正常运转中会出现抽油机减速箱输入轴的运转速度大于电机对它的驱动速度的情况，这时，抽油机就拖动电动机发电，所发的电不会完全与电网同步且存在线路损耗，因此不能完全被电网利用。在整个电能-机械能-电能的转换过程中有很大一部分能量被浪费掉。

1.3 抽油机平衡率低

由于井况复杂，周围环境恶劣，以及原油及抽油机本身等诸多因素的影响，使抽油机很难平衡。严重的不平衡加剧了“倒发电”问题，造成多数电动机电流变化不均匀，电动机内耗大大增加,使得功率因数低下，电能得不到充分利用，从而造成电能的浪费并影响整个抽汲系统的效率。

2 直接转矩控制原理

直接转矩控制又称DTC，该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又一新突破[2]。对电机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制，直接转矩控制技术与矢量控制技术不同，它直接将磁通和电磁转矩作为控制变量，因此无需进行磁场定向和矢量变换[3]。电机直接转矩控制理论的核心在于转矩的“直接控制”，通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。

直接转矩控制系统的原理框图如图1所示。

在对直接转矩控制的分析过程中，采用空间矢量的数学分析方法。在定子参考坐标系下，异步电动机的空间矢量有如下表达式：

由以上关系式，可推出电磁转矩的关系式为：

式中 ψs—定子磁链；

ωψ—定子磁链角速度；

Rs—定子电阻；

p—电机的极对数；

Vqs—定子电压矢量交轴分量。

由（4）式可知，在定子磁链的条件下，电磁转矩受定子电压矢量交轴分量的控制，因此，通过控制定子电压就可以实现对转矩的直接控制。

3 应用效果分析

基于DTC技术的抽油机节能控制系统是针对油田抽油机的特殊工况和需求，采用先进的DTC交流电机控制理论，为油田专门开发的。该技术解决了传统变频控制器在油田抽油机设备上无法节能的难题，同时加入了消除电机出现发电态的专用控制电路，使节能效果进一步提高。

结合现场应用情况，对基于DTC技术的抽油机节能控制系统进行了应用效果分析。

3.1 高效节能

主要表现在以下方面：

（1）充分利用了直接转矩控制技术的特点，较好地适应了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等因素，把转矩作为被控量，根据电机的负载变化情况迅速调整电机的输出转矩，具有极高的动态响应特性。最高可输出300%的电机额定转矩，可解决普遍存在的装机功率大的问题。

图1 直接转矩控制系统原理框图

（2）所供即所需，较好地解决了抽油机出现发电态的问题，通过母线电压限制、转速跟踪、自动弱磁的方法，使电机不进入发电态，将多余势能直接转换为动能加以利用。可自适应负载力矩的变化，在0～300%范围内按需供给电机能量。

（3）全面提高抽油机电机运行效率，大幅度提高了电机的功率因素，基本消除无功损耗。通过实际测试，功率因数达到0.98以上，无功节电率不低于96%。

（4）解决了传统设备有功节能不明显的问题。目前各类抽油机节能设备，在提高功率因数和无功节能上都取得了一定效果，但是有功节能效果很低，一般在5%以下，在抽油机冲次不变的情况下甚至出现负节能状态。

3.2 方便的抽油机冲次调整功能

抽油机调节冲次时需要更换皮带轮，由于受皮带轮最小包角的限制，最低冲次只有4次，而且费时费力。通过该系统用户可根据油井地层供液能力的变化很方便地调整电机的转速，使抽油机的冲次与地层供液能力达到合理地匹配，提高系统效率，达到节电的效果。

3.3 完整的电机保护及自检功能

具有完整的自检功能，可以即时地检测到电机运行过程中的所有重要信息，对异常变化会及时作出反应。在输入断相，输出断相、输出短路、过流、过压、超速等非正常情况下对电机提供全面完整的保护。

3.4 能够实现控制器与工频的自动切换

能够实现DTC控制与工频的自动切换，用户也可以手动实现切换，这样做方便维护，并保证了抽油机不间断工作。

3.5 启动升速时间可设定，实现软启动控制

在电机启动升速时可根据油井的负载情况对电机的启动时间进行设定，实现了电机的软启动，有效地降低了启动时对电机及电网的冲击，延长了电机的使用寿命，降低了机械磨损。

3.6 安装简单，调试启动方便

体积小，重量轻，在抽油机上安装简便。可自动识别电机参数，确定电机模型及电机的所有关键参数。在首次启动时，只需输入电机的铭牌数据即可，操作简单。

3.7 配备手持编程器

配备了专用的手持编程器，现场总线接口、可以带电热插拔、中文大屏幕液晶显示、界面友好、使用简单。可进行参数设置、数据显示、启停控制、复位等操作。

3.8 扩展灵活

考虑到未来数字化油井的趋势及生产过程集中控制的需要，该系统预留了支持现场总线的扩展接口，可以很方便的将相关数据传输到上一级的管理系统中。该系统扩展灵活，可方便的加入下列扩展功能：①工况和示功图的现场显示；②工况和示功图的有线与无线传输；③专家系统的建立；④遥控、遥测功能；⑤油井液位测量。

4 节能测试

将该技术应用于大庆油田采油七厂的3口油井上后，中国石油天然气集团公司油田节能监测中心对其进行了节能测试。以17070号油井为例，该油井的测试数据如表1所示。

表1 17070号油井测试数据表

系统测试表明：有功节电率平均为14.18%，无功节电率平均为 85.45%，综合节电率平均为23.58%，节电效果显著。具有一定的经济效益和推广应用价值。

5 结 论

直接转矩控制是目前国际上先进的电机控制技术，较好地适应了油田抽油机电机的特殊运行工况。将该技术应用于抽油机中，能够显著地提高电机的动态特性，有效地降低有功能耗，进一步解决了发电态的出现问题。在发电态时能够迅速将输出力矩减为零，并进行转矩跟踪，使抽油机的势能向动能转化，保证电机始终工作在最佳的效率点上，从而最大限度地节约电能，实现高效节能的目标。基于DTC技术的抽油机节能控制系统，其设计面向未来，提供了数字化油田所需的接口，使得系统扩展灵活。现场测试数据表明，节电效果显著，具有一定的经济效益和推广应用价值。该系统目前还未进行井深自动测量部分的开发，还不能根据油井液位的实际情况随时调整抽油机的冲次，这是系统有待进一步完善的方面。

[1]张沙萨,杨波,张维平,等.游梁式抽油机用电动机节能讨论[J].微电机，2009,42(15):61-63.

[2]王钦若,杜玉晓.交流电动机直接转矩控制技术研究综述[J].机电工程技术，2005,34(1):13-16.

[3]王成元,夏加宽,杨俊友,等.电机现代控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]高国兴.游梁式抽油机用电动机高效节能控制系统的研究[D].北京：中国石油大学,2007:7-8.

[5]徐甫荣,赵锡生.抽油机电控装置节能综述[J].电气传动自动化, 2004,26(5):1-8.

[6]蒋仕民.游梁式抽油机节能技术在河南油田的应用分析[J].石油天然气学报,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，主要从事自动控制、计算机监控等领域的教学研究工作。

尉立岗

2011-05-06