1 概述

　　在石油開采領(lǐng)域，高效節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用對于提升生產(chǎn)效 率、降低運營成本至關(guān)重要。高速永磁潛油電泵作為一種創(chuàng)新 型采油設(shè)備，近年來受到了廣泛關(guān)注。其核心部件涵蓋高速永 磁電機(jī)、離心泵、潛油電纜以及控制系統(tǒng)等。相較于傳統(tǒng)采油 設(shè)備，高速永磁直驅(qū)系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的節(jié)能優(yōu)勢，經(jīng)實際應(yīng) 用驗證，可實現(xiàn)20% - 30%的節(jié)能效果。

　　潛油電泵本質(zhì)上是一種在井下工作的多級離心泵，它與油 管一同被下入井內(nèi)。地面電源借助變頻器的作用，將電能傳輸 至井下潛油電機(jī)，電機(jī)隨即帶動多級離心泵高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng) 大的離心力，從而將油井中的井液高效地舉升至地面。在此過 程中，潛油電纜扮演著不可或缺的角色，它作為電泵機(jī)組輸送 電能的關(guān)鍵通道，長期處于高溫、高壓且具有腐蝕性流體的惡 劣井下環(huán)境中。為適應(yīng)這種特殊工況，通常采用長距離扁平電 纜，其長度一般在2000 - 3000米之間。

　　在某用戶現(xiàn)場(見圖1)，高速永磁潛油電泵系統(tǒng)的應(yīng)用 面臨著諸多挑戰(zhàn)，如電機(jī)啟動、電纜傳輸以及電機(jī)參數(shù)變化等 問題，而新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌高壓變頻 器的應(yīng)用為解決這些難題提供了有效的方案。

　　2 電機(jī)參數(shù)

　　高速永磁潛油電泵所采用的電機(jī)具有獨特的參數(shù)特性，這 些參數(shù)對于其在井下復(fù)雜環(huán)境中的高效穩(wěn)定運行起著決定性作 用。電機(jī)的額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速等參數(shù) 需根據(jù)油井的具體工況進(jìn)行精準(zhǔn)匹配。例如，在不同深度、不 同出油量需求的油井中，電機(jī)參數(shù)的合理選擇能夠確保電泵在 高效區(qū)運行，避免因參數(shù)不匹配導(dǎo)致的能源浪費和設(shè)備損壞。

　　同時，電機(jī)的效率、功率因數(shù)等性能參數(shù)也直接影響著整個采 油系統(tǒng)的節(jié)能效果和運行穩(wěn)定性。一般來說，高速永磁電機(jī)在 效率和功率因數(shù)方面相較于傳統(tǒng)異步電機(jī)具有明顯優(yōu)勢，這也 是高速永磁潛油電泵能夠?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能的重要原因之一。在實 際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的油井條件和采油工藝要求，對電機(jī) 參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計和優(yōu)化，以充分發(fā)揮高速永磁潛油電泵的性 能優(yōu)勢。潛油電泵參數(shù)如表1所示。

圖 1 用戶現(xiàn)場

　　3 控制技術(shù)要點

　　3.1 啟動難度大

　　高壓高速永磁同步電機(jī)直驅(qū)模式下，傳統(tǒng)的啟動方式存 在明顯弊端。由于電機(jī)啟動瞬間需要克服較大的慣性和負(fù)載阻 力，導(dǎo)致沖擊電流過大。這種過大的沖擊電流不僅會對電網(wǎng)造 成嚴(yán)重的沖擊，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還會在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大 的電磁力和熱應(yīng)力，加速電機(jī)繞組和軸承等關(guān)鍵部件的磨損， 極大地縮短潛油電泵的使用壽命。此外，傳統(tǒng)啟動方式難以實 現(xiàn)電機(jī)的平滑啟動，啟動過程中的轉(zhuǎn)速波動容易引發(fā)離心泵的 振動和噪聲，進(jìn)一步影響設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。因此，如何 實現(xiàn)高壓高速永磁同步電機(jī)的平穩(wěn)啟動，成為了高速永磁潛油 電泵應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

　　3.2 電纜壓降大

　　潛油電纜長達(dá)約2000米，其線路阻抗不可忽視。當(dāng)帶載 電流通過如此長距離的電纜時，根據(jù)歐姆定律，必然會產(chǎn)生明 顯的電壓降。這使得實際到達(dá)電機(jī)端的電壓低于電機(jī)的額定電 壓，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足，轉(zhuǎn)速下降，無法正常驅(qū)動離心泵 工作。電纜壓降過大還可能引發(fā)電機(jī)過熱、絕緣老化等問題， 嚴(yán)重威脅電機(jī)的安全運行。特別是在油井開采后期，隨著油井 產(chǎn)量的下降，需要電泵在較低流量下運行，此時電機(jī)工作電流 較小，但電纜壓降依然存在，會進(jìn)一步降低電機(jī)的運行效率。 因此，有效解決電纜壓降問題，對于保證高速永磁潛油電泵的正常運行和高效工作具有重要意義。

　　3.3 電壓畸變

　　變頻器輸出的PWM波在通過長電纜傳輸過程中，由于電 纜本身存在分布電感和分布電容，會引發(fā)一系列復(fù)雜的電磁現(xiàn) 象。這些分布參數(shù)與PWM波相互作用，導(dǎo)致在電機(jī)端產(chǎn)生過電 壓和諧波問題。過電壓可能會超過電機(jī)絕緣材料的耐壓極限， 擊穿電機(jī)的絕緣層，造成電機(jī)短路故障。而諧波則會使電機(jī)電 流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生額外的諧波損耗，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱加劇、 效率降低。同時，諧波還會干擾電機(jī)的正常磁場分布，引起電 機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，影響電機(jī)的運行穩(wěn)定性。此外，電壓畸變還可能 導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過壓或過流保護(hù)動作，使系統(tǒng)頻繁停機(jī)，嚴(yán)重 影響采油作業(yè)的連續(xù)性和生產(chǎn)效率。因此，抑制電壓畸變，保 障電機(jī)和變頻器的可靠運行，是高速永磁潛油電泵控制系統(tǒng)設(shè) 計中必須重點考慮的問題。

　　3.4 電機(jī)參數(shù)辨識問題

　　高速潛油電機(jī)和電纜長期運行在高溫、高濕的深井環(huán)境 中，這種惡劣的工作條件會使電機(jī)的參數(shù)發(fā)生明顯變化。例 如，電機(jī)繞組的電阻會隨著溫度的升高而增大，電機(jī)的電感也 會受到溫度和磁場變化的影響。同時，線路阻抗的存在也給電 機(jī)參數(shù)辨識帶來了極大的困難。在傳統(tǒng)的電機(jī)控制方法中，準(zhǔn) 確的電機(jī)參數(shù)對于實現(xiàn)精確的控制至關(guān)重要。然而，由于電機(jī) 參數(shù)的不確定性和變化性，使得基于固定參數(shù)模型的控制策略 難以適應(yīng)實際工況的變化，容易導(dǎo)致電機(jī)失控。例如，在電機(jī) 啟動和負(fù)載突變過程中，如果不能及時準(zhǔn)確地辨識電機(jī)參數(shù)， 就可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動過大、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)遲緩等問題，影響潛 油電泵的正常運行。因此，開發(fā)一種能夠?qū)崟r準(zhǔn)確辨識電機(jī)參 數(shù)的方法，對于提高高速永磁潛油電泵控制系統(tǒng)的性能和可靠 性具有重要的現(xiàn)實意義。

　　4 高速直驅(qū)永磁同步電機(jī)變頻器控制系統(tǒng)

　　4.1 高壓變頻器系統(tǒng)拓?fù)?/p>

　　高壓變頻器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，它是整個高速直驅(qū) 永磁同步電機(jī)變頻器控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，其設(shè)計的合理性直 接關(guān)系到系統(tǒng)的性能和可靠性。永磁同步電機(jī)變頻器的主控系 統(tǒng)采用高速DSP+FPGA+ARM為核心控制單元，這種組合方式充 分發(fā)揮了三種芯片的優(yōu)勢。高速DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理 能力，能夠快速準(zhǔn)確地執(zhí)行各種復(fù)雜的控制算法;FPGA則擅 長實現(xiàn)高速并行邏輯運算，可對系統(tǒng)的實時信號進(jìn)行快速處理和響應(yīng);ARM芯片則主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和通信等 任務(wù)，實現(xiàn)人機(jī)交互和與外部設(shè)備的通信連接。通 過這種協(xié)同工作的方式，控制算法得以完全數(shù)字化 實現(xiàn)，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。主 控系統(tǒng)與功率單元之間采用高速光纖通訊，這種通 訊方式具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離 遠(yuǎn)等優(yōu)點。主控系統(tǒng)將PWM指令信號通過下行通訊 光纖快速、準(zhǔn)確地傳遞給每個功率單元，確保功率 單元能夠按照主控系統(tǒng)的指令精確地控制電機(jī)的運 行。同時，每個功率單元將自身的溫度、故障、保 護(hù)標(biāo)志等重要信息通過上行通訊光纖及時上傳給主 控系統(tǒng)，以便主控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測功率單元的工 作狀態(tài)，在出現(xiàn)異常情況時迅速采取保護(hù)措施。

　　此外，通過擴(kuò)展系統(tǒng)和外部通訊接口系統(tǒng)，主 控系統(tǒng)能夠與外部的用戶控制或監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)無縫 對接通訊。用戶可以通過遠(yuǎn)程控制終端對設(shè)備進(jìn)行 實時監(jiān)控和操作，實現(xiàn)對高速永磁潛油電泵的遠(yuǎn)程 啟停、調(diào)速、故障診斷等功能。這種遠(yuǎn)程控制方式 不僅提高了生產(chǎn)管理的便捷性和效率，還能夠及時 發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的問題，保障采油 作業(yè)的順利進(jìn)行。

　　4.2 高速永磁同步電機(jī)矢量控制

　　永磁同步電機(jī)在運行過程中，其轉(zhuǎn)子磁場由永磁體提供， 無需勵磁線圈進(jìn)行勵磁，這使得永磁同步電機(jī)具有較高的效率 和功率密度。然而，為了保證永磁同步電機(jī)的穩(wěn)定運行，需要 精確控制定子磁場矢量與轉(zhuǎn)子永磁體磁場矢量之間的角度(即 功率角δ),使其維持在0-90°范圍內(nèi)。一旦功率角超出這個范 圍，電機(jī)就可能出現(xiàn)失步現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。

　　對于高速永磁同步電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速相對更快， 并且在實際應(yīng)用中常常需要進(jìn)行弱磁擴(kuò)速，以滿足不同工況下 的運行需求。這就使得磁場準(zhǔn)確定向控制變得更加困難。在高 速運行狀態(tài)下，電機(jī)的反電動勢增大，對控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度 和控制精度提出了更高的要求。如果不能精確控制磁場定向， 就會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動增大、效率降低，甚至出現(xiàn)電機(jī)失控的 情況。

　　新風(fēng)光公司高壓永磁同步電機(jī)變頻器采用了高性能無位環(huán)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流的精確控制。速度外環(huán)根據(jù) 用戶設(shè)定的轉(zhuǎn)速指令與電機(jī)實際轉(zhuǎn)速反饋信號進(jìn)行比較，經(jīng)過 速度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后，輸出電流給定信號。電流內(nèi)環(huán)則將電流 給定信號與電機(jī)實際電流反饋信號進(jìn)行比較，通過電流調(diào)節(jié)器 的調(diào)節(jié)，生成PWM控制信號，控制功率單元的輸出，從而實現(xiàn) 對電機(jī)的精確控制。這種雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)具有良好的轉(zhuǎn)速和電流跟 蹤性能，能夠快速響應(yīng)電機(jī)運行過程中的轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化，保 證電機(jī)的穩(wěn)定運行。

　　為了使高速恒功率區(qū)能夠穩(wěn)定運行，該變頻器采用了帶 反饋補償?shù)娜醮趴刂撇呗浴Ｔ诟咚龠\行時，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升 高，電機(jī)的反電動勢也隨之增大。為了維持電機(jī)的正常運行， 需要對電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，即通過減小電機(jī)的勵磁電流來降低 電機(jī)的反電動勢。該弱磁控制策略通過將輸出電壓反饋到弱磁 控制器，根據(jù)輸出電壓的變化實時調(diào)整弱磁控制量，以保證輸 出電壓在約束范圍內(nèi)。由于采用了電流環(huán)輸出電壓反饋的方 式，這種弱磁方法對于因環(huán)境因素導(dǎo)致的電機(jī)參數(shù)變化具有較 強(qiáng)的魯棒性，能夠在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時依然保持良好的控制 性能。

圖 3 永磁同步電機(jī)無位置傳感器矢量控制技術(shù)原理圖

　　實現(xiàn)高速永磁同步電機(jī)無位置傳感器矢量控制的關(guān)鍵在于 設(shè)計高性能的位置/轉(zhuǎn)速觀測器。該觀測器通過精確測量電機(jī) 定子側(cè)的電壓和電流信號，利用先進(jìn)的算法估算出轉(zhuǎn)子位置和 速度信息。位置/轉(zhuǎn)速觀測器采用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，其基 本原理如圖4所示。該系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)參考模型構(gòu)建一個可調(diào)模 型，兩個模型的輸出變量通過反饋比較器進(jìn)行比較，得到誤差 方程。然后，通過構(gòu)造合適的自適應(yīng)律，使得可調(diào)模型能夠跟 隨參考模型的響應(yīng)，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在這個過程中，通過不 斷調(diào)整可調(diào)模型的參數(shù)，使其輸出與參考模型的輸出盡可能接 近，此時即可實時估算出轉(zhuǎn)子位置和速度。這種模型參考自適 應(yīng)系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性，能夠在無位置傳感器的情況 下，準(zhǔn)確地獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度信息，為實現(xiàn)高速永磁 同步電機(jī)的無位置傳感器矢量控制提供了有力保障。

　　5 現(xiàn)場應(yīng)用

　　在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，該變頻器的運行頻率范圍在180Hz - 250Hz之間。通過對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，可以直觀 地了解高速永磁潛油電泵在新風(fēng)光高壓變頻器控制下的運行 性能。

　　圖5展示了潛油電機(jī)高速空載運行數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以看 出，在高速空載運行狀態(tài)下，電機(jī)的各項參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速 波動較小，電流波形正弦度良好，這表明電機(jī)在空載情況下能 夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)運行，變頻器的控制策略能夠有效地抑制電機(jī)的振 動和噪聲，保障電機(jī)的穩(wěn)定運行。

圖 4 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)框圖

圖 5 潛油電機(jī)高速空載運行數(shù)據(jù)

圖 6 潛油電機(jī) 215Hz 油泵滿載運行數(shù)據(jù)

　　圖6呈現(xiàn)的是潛油電機(jī)在215Hz油泵滿載運行數(shù)據(jù)。在滿 載運行時，電機(jī)能夠輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動離心泵高效工作， 滿足油井的采油需求。同時，通過對數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速依然能夠保持穩(wěn)定，電流和電壓 等參數(shù)也在正常范圍內(nèi)波動，這說明變頻 器能夠根據(jù)負(fù)載的變化實時調(diào)整輸出，保 證電機(jī)在滿載工況下的穩(wěn)定運行。

　　圖7為潛油電機(jī)215Hz油泵滿載A相 電流監(jiān)控波形。從波形圖中可以清晰地看 到，電流波形呈現(xiàn)出良好的正弦特性，這 意味著電機(jī)的電流諧波含量較低，電機(jī)運 行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動小。這種穩(wěn)定的運行狀 態(tài)不僅有利于提高電機(jī)的使用壽命，還能 夠保證離心泵的高效運行，減少設(shè)備的磨損和維護(hù)成本。

　　綜合現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)來看，高速永磁潛油電泵在新風(fēng)光高 壓變頻器的控制下，運行穩(wěn)定可靠。變頻器能夠根據(jù)出油量大 小的實際需求，靈活調(diào)整高速永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了精 準(zhǔn)的流量控制。經(jīng)實際統(tǒng)計，該設(shè)備的綜合節(jié)能效果大約達(dá)到 20%左右，節(jié)能效益顯著。這一成果不僅為用戶帶來了可觀的 經(jīng)濟(jì)效益，也為石油開采行業(yè)的節(jié)能降耗提供了成功的應(yīng)用案 例，具有廣泛的推廣意義。

　　6 應(yīng)用效果

　　6.1 解決電纜阻抗壓降問題

　　新風(fēng)光高壓變頻器通過其先進(jìn)的控制算法和補償技術(shù)， 有效解決了長電纜帶來的阻抗壓降大的問題。在電機(jī)啟動過程 中，變頻器能夠根據(jù)電纜的阻抗特性和電機(jī)的啟動需求，自動 調(diào)整輸出電壓和電流，實現(xiàn)了高速永磁潛油電泵電機(jī)啟動過程 的平穩(wěn)性。這不僅避免了因啟動沖擊電流過大對電機(jī)和電纜造 成的損害，還延長了設(shè)備的使用壽命。在電機(jī)運行過程中，變 頻器持續(xù)監(jiān)測電纜壓降，并實時對輸出電壓進(jìn)行補償，確保電 機(jī)端始終能夠獲得穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，保證電機(jī)在各種工況下都 能正常工作。

　　6.2 節(jié)能效果顯著

　　采用高速永磁同步變頻方式，該系統(tǒng)展現(xiàn)出了寬調(diào)速范圍 和高精度調(diào)速的優(yōu)勢。變頻器能夠依據(jù)現(xiàn)場實際流量需求，精 確調(diào)節(jié)電機(jī)的運行頻率。當(dāng)油井出油量需求較低時，變頻器降 低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少電機(jī)的能耗;當(dāng)出油量需求增加時，變頻器 則提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足生產(chǎn)需求。這種精準(zhǔn)的調(diào)速控制使得電 機(jī)始終工作在高效區(qū)，從而實現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。經(jīng)實際應(yīng)用驗證，該系統(tǒng)的節(jié)能效果可達(dá)到20%-30%，與傳統(tǒng)采油 設(shè)備相比，大大降低了能源消耗，為用戶節(jié)省了大量的電費 支出。

　　6.3 完善的保護(hù)功能

　　變頻器具備欠載保護(hù)、過載保護(hù)、失速保護(hù)等多種完善的 檢測和保護(hù)功能。在采油過程中，當(dāng)出現(xiàn)卡泵堵轉(zhuǎn)、長時間無 載空轉(zhuǎn)、泵功率超載等異常情況時，變頻器能夠迅速檢測到并 及時采取保護(hù)措施，如停止電機(jī)運行或調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免油 泵因過載或異常運行而損壞。這些保護(hù)功能的存在，有效地提 高了油泵的使用壽命，減少了設(shè)備維修次數(shù)和維修成本，保障 了采油作業(yè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

　　6.4 滿足現(xiàn)場需求，贏得客戶好評

　　該高速永磁潛油電泵系統(tǒng)在現(xiàn)場一次性調(diào)試并帶載運行 成功，完全滿足了現(xiàn)場復(fù)雜的實際運行需求。其穩(wěn)定的運行性 能、顯著的節(jié)能效果以及完善的保護(hù)功能，得到了客戶的高度 認(rèn)可和好評。這不僅證明了新風(fēng)光高壓變頻器在高速永磁潛油 電泵應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢和可靠性，也為新風(fēng)光公司在石油開采 領(lǐng)域樹立了良好的品牌形象，為進(jìn)一步拓展市場奠定了堅實的 基礎(chǔ)。

　　7 結(jié)束語

　　綜上所述，新風(fēng)光高壓變頻器在高速永磁潛油電泵上的應(yīng) 用，成功解決了傳統(tǒng)采油設(shè)備面臨的諸多技術(shù)難題，實現(xiàn)了高 效節(jié)能、穩(wěn)定運行和智能化控制，為石油開采行業(yè)的技術(shù)升級 和可持續(xù)發(fā)展提供了有力的支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用 經(jīng)驗的積累，相信這種先進(jìn)的采油系統(tǒng)將在未來得到更廣泛的 推廣和應(yīng)用。