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、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，電機隨即帶動多級離心泵高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強 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)，如電機啟動、電纜傳輸以及電機參數(shù)變化等 問題，而新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的風光牌高壓變頻 器的應(yīng)用為解決這些難題提供了有效的方案。

　　2 電機參數(shù)

　　高速永磁潛油電泵所采用的電機具有獨特的參數(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)油井的具體工況進行精準匹配。例如，在不同深度、不 同出油量需求的油井中，電機參數(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，高速永磁電機在 效率和功率因數(shù)方面相較于傳統(tǒng)異步電機具有明顯優(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 參數(shù)進行精確設(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直驅(qū)模式下，傳統(tǒng)的啟動方式存 在明顯弊端。由于電機啟動瞬間需要克服較大的慣性和負載阻 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 成嚴重的沖擊，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還會在電機內(nèi)部產(chǎn)生強大 的電磁力和熱應(yīng)力，加速電機繞組和軸承等關(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

　　潛油電纜長達約2000米，其線路阻抗不可忽視。當帶載 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。這使得實際到達電機端的電壓低于電機的額定電 壓，導(dǎo)致電機輸出轉(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)電機過熱、絕緣老化等問題， 嚴重威脅電機的安全運行。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，此時電機工作電流 較小，但電纜壓降依然存在，會進一步降低電機的運行效率。 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)致在電機端產(chǎn)生過電 壓和諧波問題。過電壓可能會超過電機絕緣材料的耐壓極限， 擊穿電機的絕緣層，造成電機短路故障。而諧波則會使電機電 流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生額外的諧波損耗，導(dǎo)致電機發(fā)熱加劇、 效率降低。同時，諧波還會干擾電機的正常磁場分布，引起電 機轉(zhuǎn)矩波動，影響電機的運行穩(wěn)定性。此外，電壓畸變還可能 導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過壓或過流保護動作，使系統(tǒng)頻繁停機，嚴重 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 電機參數(shù)辨識問題

　　高速潛油電機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的參數(shù)發(fā)生明顯變化。例 如，電機繞組的電阻會隨著溫度的升高而增大，電機的電感也 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 機參數(shù)辨識帶來了極大的困難。在傳統(tǒng)的電機控制方法中，準 確的電機參數(shù)對于實現(xiàn)精確的控制至關(guān)重要。然而，由于電機 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)致電機失控。例如，在電機 啟動和負載突變過程中，如果不能及時準確地辨識電機參數(shù)， 就可能出現(xiàn)電機轉(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準確辨識電機參 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)永磁同步電機變頻器控制系統(tǒng)

　　4.1 高壓變頻器系統(tǒng)拓撲

　　高壓變頻器系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是整個高速直驅(qū) 永磁同步電機變頻器控制系統(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具有強大的數(shù)字信號處理 能力，能夠快速準確地執(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)的實時信號進行快速處理和響應(yīng);ARM芯片則主要負責系統(tǒng)的管理和通信等 任務(wù)，實現(xiàn)人機交互和與外部設(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、傳輸速率高、傳輸距離 遠等優(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的運 行。同時，每個功率單元將自身的溫度、故障、保 護標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措施。

　　此外，通過擴展系統(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。用戶可以通過遠程控制終端對設(shè)備進行 實時監(jiān)控和操作，實現(xiàn)對高速永磁潛油電泵的遠程 啟停、調(diào)速、故障診斷等功能。這種遠程控制方式 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)的順利進行。

　　4.2 高速永磁同步電機矢量控制

　　永磁同步電機在運行過程中，其轉(zhuǎn)子磁場由永磁體提供， 無需勵磁線圈進行勵磁，這使得永磁同步電機具有較高的效率 和功率密度。然而，為了保證永磁同步電機的穩(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，電機就可能出現(xiàn)失步現(xiàn)象，導(dǎo)致電機無法正常工作。

　　對于高速永磁同步電機而言，其轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速相對更快， 并且在實際應(yīng)用中常常需要進行弱磁擴速，以滿足不同工況下 的運行需求。這就使得磁場準確定向控制變得更加困難。在高 速運行狀態(tài)下，電機的反電動勢增大，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)致電機轉(zhuǎn)矩波動增大、效率降低，甚至出現(xiàn)電機失控的 情況。

　　新風光公司高壓永磁同步電機變頻器采用了高性能無位環(huán)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對電機轉(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)速指令與電機實際轉(zhuǎn)速反饋信號進行比較，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 給定信號與電機實際電流反饋信號進行比較，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)電機運行過程中的轉(zhuǎn)速和負載變化，保 證電機的穩(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?。在高速運行時，隨著電機轉(zhuǎn)速的升 高，電機的反電動勢也隨之增大。為了維持電機的正常運行， 需要對電機進行弱磁控制，即通過減小電機的勵磁電流來降低 電機的反電動勢。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)致的電機參數(shù)變化具有較 強的魯棒性，能夠在電機參數(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 定子側(cè)的電壓和電流信號，利用先進的算法估算出轉(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，準確地獲取電機轉(zhuǎn)子的位置和速度信息，為實現(xiàn)高速永磁 同步電機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光高壓變頻器控制下的運行 性能。

　　圖5展示了潛油電機高速空載運行數(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的振 動和噪聲，保障電機的穩(wěn)定運行。

圖 4 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)框圖

圖 5 潛油電機高速空載運行數(shù)據(jù)

圖 6 潛油電機 215Hz 油泵滿載運行數(shù)據(jù)

　　圖6呈現(xiàn)的是潛油電機在215Hz油泵滿載運行數(shù)據(jù)。在滿 載運行時，電機能夠輸出足夠的轉(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)負載的變化實時調(diào)整輸出，保 證電機在滿載工況下的穩(wěn)定運行。

　　圖7為潛油電機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 意味著電機的電流諧波含量較低，電機運 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的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了精 準的流量控制。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

　　新風光高壓變頻器通過其先進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。在電機啟動過程 中，變頻器能夠根據(jù)電纜的阻抗特性和電機的啟動需求，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和電纜造 成的損害，還延長了設(shè)備的使用壽命。在電機運行過程中，變 頻器持續(xù)監(jiān)測電纜壓降，并實時對輸出電壓進行補償，確保電 機端始終能夠獲得穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，保證電機在各種工況下都 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)電機的運行頻率。當油井出油量需求較低時，變頻器降 低電機轉(zhuǎn)速，減少電機的能耗;當出油量需求增加時，變頻器 則提高電機轉(zhuǎn)速，滿足生產(chǎn)需求。這種精準的調(diào)速控制使得電 機始終工作在高效區(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 完善的保護功能

　　變頻器具備欠載保護、過載保護、失速保護等多種完善的 檢測和保護功能。在采油過程中，當出現(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 及時采取保護措施，如停止電機運行或調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，避免油 泵因過載或異常運行而損壞。這些保護功能的存在，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功能，得到了客戶的高度 認可和好評。這不僅證明了新風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，也為新風光公司在石油開采 領(lǐng)域樹立了良好的品牌形象，為進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)的不斷進步和應(yīng)用 經(jīng)驗的積累，相信這種先進的采油系統(tǒng)將在未來得到更廣泛的 推廣和應(yīng)用。