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潜油永磁同步电机的控制应用

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-07-21 09:53:24



本文主要介绍了直接转矩控制模式(DTC)控制应用于潜油永磁同步电机;列出了几种不同的直接扭矩控制模式(DTC)并具有直接转矩控制模式ABB变频器。


中国是一个石油资源匮乏的国家。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产量和每个油井的产量。

由于我国部分油田多年的开采,原油含油量不断下降,部分油井含水量可达80%-90%。开采已进入三次采油阶段(一次采油主要依靠地层本身的压力,二次采油主要依靠地下注水或蒸汽增加地层压力,三次采油主要依靠聚合物的吸附)。


三次采油中使用的聚合物非常粘稠,其水合物从外观上看就像胶水;要从地层深处提取如此粘稠的聚合物,需要低速潜油电机和潜油螺杆泵。


潜油电机概述


1 潜油异步电机


目前市场上销售的潜油电机均为潜油离心泵,严格称为潜油异步电机;额定速度高,一般为1500rpm,功率也比较大,电压等级为0.66KV、1.14KV、3KV、6KV等。这种电机的控制也很成熟,主要使用高压变频器,主要控制高压变频器V/F我们通常使用的常使用的控制模式。


这种模式是通过控制频率来控制输出电压,然后控制电机转速。事实上,电压与转速之间存在正比关系。电压大,转速大,电压小,转速小。这是一种开环控制模式。该采油系统更适合原油稀少的油田(二次采油),而不是三次采油的油田。


2 潜油永磁同步电机


另一种潜油电机是潜油永磁同步电机,其特点是额定一般在300-500rpm,目前的电压等级为0.38KV和0.66KV,由于电压等级较低,功率也较小。该电机具有良好的低速性能,更适合三次油田。


潜油永磁同步电机的控制方法

永磁同步电机的控制策略主要是磁场定向矢量控制(VC)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,然后引入永磁同步电机控制。矢量控制的基本思想是模仿直流电机的磁场定向过程。由于异步电机通常在矢量控制系统中使用转子磁链定向,因此有必要知道电机转子的准确空间角度,这是通过电子方式获得的,而不是通过类似直流电机的机械方式。


永磁同步电机的模型可以转子旋转的转子坐标系非常方便(d-q轴)表示。永磁同步电机的矢量控制通常被称为 =0控制,因为这种控制方法可以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 成正比的原因。因此,线性单闭环转矩控制可以通过定子电流的控制来实现。


然而,矢量控制并不适用于所有永磁同步电机。永磁同步电机的气隙磁链会受到电机电流和电感的影响。若电机磁路不对称,还会产生磁阻扭矩。交、直轴磁通路的差异会导致其电感不同。若永磁体安装在转子表面,则有效气隙很大,因为永磁体的磁导率与空气相似。大气隙下电感非常小且交、直轴电感近似相等。


如果永磁体埋在转子内,永磁路径就会有很大的不同。交轴磁链通常不通过永磁体,通常使q轴电感大于d轴电感。因此,矢量控制更适贴式永磁同步电机。


矢量控制的优点是扭矩响应快,速度控制准确,零速可实现全负荷运行,从而获得与直流电机相似的工作特性。但为了获得高性能的扭矩和速度控制,必须设置位置传感器,这不仅增加了系统的成本,而且使通常简单的交流电机驱动系统结构复杂,特别是传感器,如电机进入井,其通信、电源和稳定性需要调查。


此外,调制模式的使用也使电机输入信号和输出信号之间的通信更加复杂。因此,与直流电机驱动模式相比,电机结构简单,但控制系统复杂。ABB具有矢量控制功能的变频器(如:ACS不建议使用此控制模式控制永磁同步电机。


2 直接转矩控制(DTC)


永磁同步电机的另一种控制策略是直接转矩控制(DTC):20世纪80年代,两名西班牙人首先提出并发表了这种控制策略。1996年ABB公司宣布第一个工业应用后,直接控制扭矩(DTC)受到广泛关注。之后DTC在控制方面,发表了许多用于异步电机的文献,研究人员于1997年发表DTC永磁同步电机控制文章。


直接转矩控制(DTC)主要原理是通过选择合适的电压空间矢量直接控制电机的定子磁链和扭矩,而不是电流控制。空间电压矢量是根据两个扭矩、磁链滞后控制器的输出信号和定子磁链矢量的位置信号从预定的最优先开关表中选择的。


潜油永磁同步电机安装在井下10000m在深处,工作环境恶劣,使用位置或速度传感器非常困难,但也增加了控制系统的成本。因此,无速度传感器的直接扭矩控制出现在历史时刻。


潜油永磁同步电机的主要无速传感器方法可分为以下几类:


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); 饱和效应引起的电感变化估计器;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


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。


本方案由塑壳开关、熔断器组成ABB变频器、滤波器和辅助电气设备。本方案由开关电器、控制电器和保护电器三部分组成。


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


2 开关电器的功能


本方案中的塑壳开关不仅是开关电器,也是保护电器。所谓开关,主要是指开关电路在主电路中的作用。所谓保护,主要是指瞬时短路保护,即分离能力。塑壳开关的选择主要基于主电路中的额定电流,另一种是分断能力。由于本方案控制的潜油永磁同步电机工作模式为重载模式,在选择塑壳开关时放大了开关容量,选择了60台A塑壳开关的分断能力为6KA。


3 保护电器的功能


保护电器中塑料外壳开关的主要功能是短路保护;保险丝也起着短路保护的作用,但其运动时间短,反应时间快,因此在本方案中选择。选择的原则是保险丝的额定电流必须大于等于负载的电流。在这里,我们选择与塑料外壳开关相同的容量,也是60A。滤波器的选择主要是为了减少变频器产生的谐波危害,延长电机的使用寿命。


4 控制电器的功能


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


该变频器有三种控制模式:V/F模式;矢量控制模式(VC);直接转矩控制模式(DTC)。


我们用三种方式驱动电机,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,负载不能启动。矢量控制模式(VC)驱动电机,空载无法启动。直接扭矩控制模式(DTC)对于启动时间和PI调试值后,空载启动电流和速度曲线见下图。



为电流曲线,2(绿色)为转速曲线。负载时起动电流为17A,电流为6~8A,转速从100rpm至200rpm再到500rpm,电流没有显着变化。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

基于上述测量数据,我们认为潜油永磁同步电机的控制策略只能采用直接扭矩控制模式(DTC)。但ABB这种变频器牌的变频器也能有这种控制模式和控制效果,它将在油田市场上有广阔的应用空间。


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