錢坤 蔡萌 孫延安 宋興良 鄭東志 盧成國(guó)

作者簡(jiǎn)介：錢坤（1988-），高級(jí)工程師，博士研究生，從事高效節(jié)能舉升新技術(shù)新裝備研發(fā)與應(yīng)用的研究，qk13836956215@163.com。

引用本文：錢坤，蔡萌，孫延安. 潛油直線電機(jī)柔性閉環(huán)控制技術(shù)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 針對(duì)潛油直線電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種柔性閉環(huán)控制方法。依據(jù)潛油直線電機(jī)自適應(yīng)法與轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法相結(jié)合的控制策略，適時(shí)引用井下壓力傳感器的反饋，改善電機(jī)失步監(jiān)測(cè)效果，提高閉環(huán)控制精度和自適應(yīng)調(diào)參能力。通過利用該控制技術(shù)，電機(jī)在相同工作頻率、電壓、運(yùn)行速度的試驗(yàn)條件下，推力提升20%以上，電機(jī)振動(dòng)幅度降低50.26%，在現(xiàn)場(chǎng)相同工況條件下，電機(jī)系統(tǒng)效率提高29.67%以上。

關(guān)鍵詞? 柔性控制? 潛油直線電機(jī)? 系統(tǒng)振動(dòng)

中圖分類號(hào)? TP273? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼? A? ? ? ? 文章編號(hào)? 1000-3932（2023）06-0000-00

直線電機(jī)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，無論在電磁計(jì)算還是制造工藝上都有了比較成熟的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在，直線電機(jī)在無桿采油中的應(yīng)用越來越廣泛，但由于該應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和可靠性要求很高，所需驅(qū)動(dòng)負(fù)載的特性變化復(fù)雜，導(dǎo)致電機(jī)設(shè)計(jì)方案和控制技術(shù)不是十分完善，使得現(xiàn)有的潛油柱塞泵用圓筒型直線電機(jī)的效率、推力等指標(biāo)均未達(dá)到一個(gè)較為理想的水平，即電機(jī)的有效功率密度和推力密度指標(biāo)過低，同體積下的性能指標(biāo)無法滿足采油現(xiàn)場(chǎng)的需要[1～3]。因此，針對(duì)油田采油領(lǐng)域的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)開發(fā)高性能的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)可在一定程度上彌補(bǔ)直線電機(jī)及其控制技術(shù)在該應(yīng)用領(lǐng)域的缺陷。同時(shí)，通過技術(shù)改進(jìn)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高潛油柱塞泵的運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)其運(yùn)行和檢修周期，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，可在很大程度上達(dá)到節(jié)能降耗減排的目的，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

目前永磁電機(jī)（無啟動(dòng)繞組）在控制方式上分為兩種：一種是有感控制方式，即通過在電機(jī)上安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，使得電機(jī)控制器能夠?qū)崟r(shí)掌握電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)調(diào)整定子三相繞組的通電順序、通電時(shí)間及換相頻率等指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。這種控制方式由于建立了電機(jī)與控制系統(tǒng)的閉環(huán)回路，安全可靠，控制精度高，但對(duì)傳感器的依賴性太高，可靠性較差。另一種是無感控制方式，即無需在電機(jī)上安裝任何傳感器，控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)和磁極位置的感知通過控制軟件自身的特殊算法來實(shí)現(xiàn)。這種控制方式取消了傳感器，減少了故障點(diǎn)，大幅提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，拓展了永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，無感控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子狀態(tài)的感知是通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，精度較差且反應(yīng)速度較慢（需要運(yùn)算時(shí)間），如果軟件存在漏洞則易出現(xiàn)電機(jī)失控、飛車等故障[4，5]。

在潛油永磁直線電機(jī)領(lǐng)域，以上兩種控制方式現(xiàn)在都在應(yīng)用。由于電機(jī)安裝在千米左右的油井井下，電機(jī)的動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜都需要到達(dá)千米左右的長(zhǎng)度，造成動(dòng)力電纜壓降損失，信號(hào)電纜傳輸?shù)男盘?hào)衰減甚至消失，控制器所必須的運(yùn)行條件無法建立[6，7]。有感控制方式為解決轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳輸問題，將電機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理部分安裝在電機(jī)本體上，與電機(jī)一同下入井底，解決了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，這種方式無疑是最佳控制方案。但由于井下的應(yīng)用環(huán)境惡劣，相對(duì)于電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理系統(tǒng)屬于微電子產(chǎn)品，無法長(zhǎng)期耐受高溫、高壓的環(huán)境，其使用壽命必然大打折扣，這就從根本上影響了電機(jī)的使用壽命，縮短了檢修周期，增加了維護(hù)成本，不利于現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用。另外一種無感控制方式也被應(yīng)用于潛油永磁直線電機(jī)，但由于無感控制技術(shù)不成熟，導(dǎo)致電機(jī)空載電流過大，電機(jī)效率和功率因數(shù)極低。這種無感控制技術(shù)在使用效果上等同于普通變頻器硬性驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)，所反映的效果為：電機(jī)空載、負(fù)載運(yùn)行電流大，振動(dòng)、噪音、發(fā)熱嚴(yán)重，過載能力小。旋轉(zhuǎn)型永磁電機(jī)的無感控制方式是近幾年才開始研究和發(fā)展的，由于其技術(shù)不成熟，存在控制精度低、對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控不準(zhǔn)確、長(zhǎng)距離傳輸易產(chǎn)生信號(hào)丟失等缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外能做到比較穩(wěn)定可靠的無感控制的廠家屈指可數(shù)。

柔性閉環(huán)控制技術(shù)是以矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)的無感驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，矢量驅(qū)動(dòng)是控制類電機(jī)，尤其是伺服電機(jī)比較常用的一種精度較高的控制策略。通過建立直線電機(jī)狀態(tài)方程，用數(shù)學(xué)方法分別將驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的電流、電壓解耦，區(qū)分出有功和無功分量，然后單獨(dú)進(jìn)行分量控制，使電機(jī)按照負(fù)載要求在最優(yōu)條件下運(yùn)行。矢量驅(qū)動(dòng)方式從發(fā)明到發(fā)展再到成熟已經(jīng)歷了數(shù)十年，對(duì)于感應(yīng)電機(jī)和帶傳感器的永磁電機(jī)而言是一項(xiàng)穩(wěn)定可靠的技術(shù)。柔性閉環(huán)控制技術(shù)的核心就是長(zhǎng)距離無感矢量控制技術(shù)，其在矢量控制的基礎(chǔ)上引入無感控制技術(shù)，電機(jī)與控制器之間完全通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)[8]。這種控制方式在普通應(yīng)用場(chǎng)合下的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上得到了較好的控制效果。由于應(yīng)用井深要求的限制，所謂長(zhǎng)距離就是指電機(jī)與控制器之間的連接電纜長(zhǎng)度超過100 m。眾所周知，在通常狀態(tài)下，與電機(jī)電阻和電感相比，電纜內(nèi)阻和電感很小，可以忽略不計(jì)。由于電纜電阻和電感所引起的電機(jī)電壓、電流的變化微乎其微，對(duì)控制精度也不會(huì)產(chǎn)生任何影響。當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過100 m時(shí)，由于長(zhǎng)線電纜的分布特性，即存在漏電感和耦合電容，PWM逆變器的輸出脈沖經(jīng)過長(zhǎng)線電纜這種傳輸線傳至電動(dòng)機(jī)，會(huì)產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在電動(dòng)機(jī)端產(chǎn)生過電壓、高頻阻尼振蕩[9，10]。

筆者的目的是針對(duì)現(xiàn)有的潛油直線電機(jī)存在的推力密度低、運(yùn)行沖擊振動(dòng)嚴(yán)重等問題，進(jìn)行柔性驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究開發(fā)，主要依據(jù)潛油直線電機(jī)自適應(yīng)法與轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法相結(jié)合的控制策略，適時(shí)引用井下壓力傳感器的反饋，改善電機(jī)失步監(jiān)測(cè)效果，提高閉環(huán)控制精度和自適應(yīng)調(diào)參能力。

1? 長(zhǎng)距離無感矢量驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)化和柔性控制技術(shù)研究

采用長(zhǎng)線電纜時(shí)，逆變器和電動(dòng)機(jī)之間傳輸?shù)腜WM脈沖與傳輸線上行波的情況類似。PWM脈沖作為正向行波（或入射波），由逆變器傳向電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)端反射后產(chǎn)生反向行波（或反射波）傳向逆變器。其反射機(jī)理可看作是一面鏡子對(duì)正向行波V+反射產(chǎn)生一個(gè)反射波V－，V－作為V+的鏡像，等于V+乘以電壓反射系數(shù)。終端（負(fù)載端）反射系數(shù)N2為：

（1）

其中，為負(fù)載（電動(dòng)機(jī)）阻抗；為電纜特性阻抗，、分別是電纜單位長(zhǎng)度電感、電容。

起端電壓反射系數(shù)N1為：

（2）

其中，是起端電阻，一般，則。

在逆變器端，反射后得到的正向行波與傳輸來的反向行波波形相同，但幅值變?yōu)榉聪蛐胁ǖ谋?。而入射波被反射后得到的反射波傳向逆變器，反射波的值等于其值乘以?fù)載反射系數(shù)，由于電動(dòng)機(jī)的繞組電感很大，即，由式（2）可知，入射波與反射波疊加使電動(dòng)機(jī)端電壓近似加倍。這種電壓反射現(xiàn)象與逆變器輸出脈沖的上升時(shí)間以及電纜的長(zhǎng)度有關(guān)。逆變器輸出脈沖上升時(shí)間越小，電纜越長(zhǎng)，電壓反射現(xiàn)象越明顯。

對(duì)于電機(jī)自身而言，這種放大了數(shù)倍的脈沖電壓和高頻諧波將對(duì)其絕緣結(jié)構(gòu)造成不可修復(fù)的損傷，甚至損壞定子繞組。對(duì)于控制器而言，雖然這種反射電壓只作用于電機(jī)端，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息是依靠電纜上傳輸過來的電機(jī)定子反電勢(shì)信號(hào)解析出來的，反射電壓的存在對(duì)電機(jī)真實(shí)反電勢(shì)信息必然產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子信息判斷失誤，電機(jī)失控。因此，長(zhǎng)距離無感矢量控制需要綜合考慮各方面的因素，尤其是抑制電壓反射，消除電壓反射對(duì)控制上的影響更是解決問題的關(guān)鍵。

柔性驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是專有技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)的控制中。該技術(shù)與長(zhǎng)距離矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)的區(qū)別在于：長(zhǎng)距離矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)是基本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是在常規(guī)的矢量控制（與矢量變頻技術(shù)相類似）基礎(chǔ)之上針對(duì)超長(zhǎng)電源線開發(fā)的專用控制技術(shù)；而柔性驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)則是一種高級(jí)控制技術(shù)，是專門針對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)單元（含電機(jī)及變頻器）研究開發(fā)的上位機(jī)控制技術(shù)，其特點(diǎn)在于可根據(jù)負(fù)載的不同狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)做功電流，使電機(jī)按需做功、按需運(yùn)行，最大限度地降低了電機(jī)的無功損耗，使電機(jī)自身較硬的機(jī)械特性適應(yīng)原油開采的實(shí)際要求。其實(shí)施的前提條件是變頻驅(qū)動(dòng)單元具備基本的變頻調(diào)速控制技術(shù)[11]。

2? 潛油柱塞泵永磁直線電機(jī)無感控制策略

對(duì)于電動(dòng)機(jī)無速度傳感器矢量控制的實(shí)現(xiàn)方式主要有如下幾個(gè)通用方法：直接計(jì)算法、模型參考自適應(yīng)法、轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法、磁鏈觀測(cè)器法、信號(hào)注入法及人工智能方法等。這些方法在不同的系統(tǒng)中各有長(zhǎng)處與短處，根據(jù)油田直線電機(jī)系統(tǒng)的使用環(huán)境，確定的方案是模型參考自適應(yīng)法與轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法相結(jié)合的控制策略。所謂自適應(yīng)控制是對(duì)于系統(tǒng)無法預(yù)知的變化，能自動(dòng)地不斷使系統(tǒng)保持所希望的狀態(tài)。因此，一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)能在其運(yùn)行過程中通過不斷地測(cè)取系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù)，逐漸地了解和掌握對(duì)象，然后根據(jù)所獲得的過程信息，按一定的設(shè)計(jì)方法，作出控制決策去修正控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或控制作用，以便在某種意義下，使控制效果達(dá)到最優(yōu)或近似更優(yōu)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理（圖2）是通過測(cè)量和控制電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。實(shí)現(xiàn)上是通過將電流首先做3/2變換，變成靜止的d-q坐標(biāo)，然后通過前面介紹的無感自適應(yīng)理論計(jì)算出電機(jī)磁場(chǎng)的相位，將電流分離出轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場(chǎng)電流分量，這樣就實(shí)現(xiàn)了解耦控制、矢量控制，電機(jī)可以在最高效的狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)時(shí)根據(jù)負(fù)載變化調(diào)節(jié)電流，提高整個(gè)系統(tǒng)的功率因素，尤其是在長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合下，可以降低電纜的線損，提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2.1? 長(zhǎng)距離無感矢量控制核心軟件構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)無感控制下的穩(wěn)定運(yùn)行，專用控制器中的核心算法部分區(qū)別于普通無感控制器，對(duì)電機(jī)電壓、電流環(huán)及速度環(huán)重新構(gòu)建計(jì)算程序，針對(duì)直線電機(jī)超大阻抗、感抗特性對(duì)控制算法進(jìn)行細(xì)化處理。

在軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線電機(jī)的矢量控制，在控制算法中包含了對(duì)應(yīng)的永磁電機(jī)的各個(gè)物理參數(shù)，如電機(jī)的磁場(chǎng)、相電阻、電感及功率等，控制方式上采取高精度的電流矢量控制。但是在實(shí)際的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電機(jī)在運(yùn)行過程中，電機(jī)數(shù)學(xué)模型的各個(gè)參數(shù)變化范圍很大，這些參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低，筆者通過一個(gè)高階的觀測(cè)器算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可根據(jù)系統(tǒng)本身的時(shí)間常數(shù)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)電流的準(zhǔn)確解耦，另外通過對(duì)電機(jī)電阻的準(zhǔn)確評(píng)估，甚至可以估算出電機(jī)當(dāng)前的定子溫度。

2.2? 長(zhǎng)電纜反射電壓抑制技術(shù)

正常條件下當(dāng)動(dòng)力電纜長(zhǎng)度超過100 m時(shí)將會(huì)在電機(jī)端產(chǎn)生電壓反射現(xiàn)象，嚴(yán)重的電壓反射將損壞電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的絕緣薄弱環(huán)節(jié)。

普通電機(jī)一般采用散嵌線工藝，同一槽內(nèi)往往存在兩組不同相序的線圈，定子繞組的端部也是三相繞組的線圈相互疊加在一起，形成了絕緣上的薄弱點(diǎn)。由于潛油直線電機(jī)采用的是容錯(cuò)式結(jié)構(gòu)，即初級(jí)繞組線圈相與相之間完全隔離，處于不同的沖片槽中，每個(gè)槽中的繞組線圈也都同屬于一組線圈，因此潛油直線電機(jī)的繞組絕緣結(jié)構(gòu)相比于普通電機(jī)來說可靠性有了絕對(duì)性的提高。

潛油直線電機(jī)的動(dòng)力電纜長(zhǎng)度往往在千米左右，其產(chǎn)生的反射電壓值也會(huì)很高。在電機(jī)與電纜組成的系統(tǒng)中，絕緣薄弱點(diǎn)將是反射電壓作用的主要部位。與容錯(cuò)性較高的直線電機(jī)初級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)相比，電機(jī)繞組線與電纜連接處的絕緣結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱一些，且由于三相電纜線同處于一個(gè)鎧裝的空間內(nèi)，反射電壓極易在此部位造成相間擊穿現(xiàn)象。瞬間的尖峰值電壓會(huì)將兩相之間的二次處理的絕緣層擊穿并產(chǎn)生局部高溫現(xiàn)象，燒毀連接線。

為解決上述問題，平抑反射電壓，筆者在進(jìn)行控制器軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)置了輸出高階有源濾波系統(tǒng)。有源濾波系統(tǒng)的增加對(duì)平抑反射電壓有很強(qiáng)的作用，但同時(shí)由于控制器的工作方式為無感矢量控制，有源濾波系統(tǒng)的存在必將干擾控制器對(duì)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的檢測(cè)和通過實(shí)時(shí)反電動(dòng)勢(shì)推算次級(jí)磁極位置的精度。為此筆者在軟件內(nèi)部做了精細(xì)化處理，將有源濾波器的參數(shù)指標(biāo)作為常量固化到程序之中，由此所引起的其他感應(yīng)變量也通過建立合理的運(yùn)算模型將其轉(zhuǎn)化為常量因子。

為檢測(cè)反射電壓抑制技術(shù)的實(shí)際效果和對(duì)電機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，筆者通過電機(jī)的空載試驗(yàn)進(jìn)行了一系列驗(yàn)證，分別在控制器輸出端和電機(jī)輸入端檢測(cè)電壓和電流波形，檢測(cè)結(jié)果如圖3～10所示，從檢測(cè)結(jié)果來看效果十分明顯。

由以上圖形可以明顯看出：在控制器中內(nèi)嵌有源濾波電路后無論是控制器輸出端還是電機(jī)輸入端，其電壓波形由典型的變頻器輸出PWM波形改善為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。電壓波形中的高頻諧波成分明顯減少，反射電壓的典型代表——尖峰脈沖基本消失。另外，從電流波形來看，加裝濾波電路后電流波形在電機(jī)輸入端干擾性毛刺明顯減少但波形基本形狀不變，可見電流輸出正常，電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反饋正常，有源濾波器對(duì)于控制電路和控制策略沒有任何影響。

2.3? 柔性閉環(huán)控制技術(shù)在直線電機(jī)控制上的嵌入和應(yīng)用

柔性控制技術(shù)是比較成熟的電機(jī)控制技術(shù)，在普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)上的應(yīng)用收到了良好的效果。潛油直線電機(jī)的運(yùn)行同樣存在S曲線的特征，將柔性控制技術(shù)引入潛油直線電機(jī)的控制中是提高潛油柱塞泵系統(tǒng)效率、減少附加損耗的有效方法。為此在無感矢量控制程序中嵌入柔性控制算法，通過PID的高級(jí)智能調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)生成全沖程內(nèi)的最佳運(yùn)行速度分布和輸出功率分布方案，并能根據(jù)工況的變化情況自動(dòng)完成運(yùn)行方案的優(yōu)化調(diào)整；全程圍繞最佳速度分布和功率輸出分布預(yù)案做持續(xù)無級(jí)變速運(yùn)行；自動(dòng)追蹤負(fù)荷功率與運(yùn)行速度，并隨動(dòng)做出動(dòng)態(tài)主動(dòng)變速運(yùn)行響應(yīng)；實(shí)現(xiàn)柔性啟動(dòng)、柔性運(yùn)行、軟剎車等功能，從而形成閉環(huán)控制。

潛油直線電機(jī)柔性閉環(huán)控制裝置具有的基本功能和高級(jí)功能見表1。

2.4? 柔性閉環(huán)控制技術(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

為直觀判斷柔性技術(shù)的性能指標(biāo)，首先利用柔性控制裝置驅(qū)動(dòng)單節(jié)直線電機(jī)，試驗(yàn)原理如圖11所示，與普通控制技術(shù)相比較的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出，在驅(qū)動(dòng)相同電機(jī)的前提下，柔性閉環(huán)控制時(shí)電機(jī)輸入電壓明顯下降，同等輸入電流條件下，輸入電壓明顯降低，有用功顯著提升。

直線電機(jī)整機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示，試驗(yàn)通過負(fù)載油缸的阻尼作用模擬加載運(yùn)行，運(yùn)行期間的直線電機(jī)通過循環(huán)水噴淋水槽進(jìn)行冷卻，測(cè)試直線電機(jī)在柔性控制和常規(guī)控制條件下的電參數(shù)。試驗(yàn)給定相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

沖程? 1.23 m

沖次? 8 min-1

井口壓力? 8 MPa

排量? 35 m3/s

電機(jī)推力? 1.22 t

圖12? 直線電機(jī)推力及振動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

1——水閥；2——水泵；3——噴淋水槽；4——噴淋水管；5——直線電機(jī)；6——供電電纜；7——控制柜；8——推力位移傳感器；9——推力測(cè)試聯(lián)接裝置；10——支架；11——蹩壓閥；12——負(fù)載油缸；13——液壓油槽；14——壓力軟管

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖13～15所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線可以看出，采用柔性控制后，同工況、相同電機(jī)推力條件下，最大電流和平均電流大幅降低，降幅分別為53.94%和44.73%。同時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)也大幅減弱，常規(guī)控制時(shí)振動(dòng)頻域曲線的最大值為0.577 m/s2，采用柔性控制后電機(jī)振動(dòng)頻域曲線最大值為0.287 m/s2，降幅50.26%。

2.5? 柔性閉環(huán)控制技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選取采油五廠X9-D4-319和X8-21-B481兩口生產(chǎn)井分別采用常規(guī)控制和柔性閉環(huán)控制技術(shù)進(jìn)行比較測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表4～7。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，柔性控制比常規(guī)控制在相同工作頻率、電壓、運(yùn)行速度條件下，兩口試驗(yàn)井直線電機(jī)電流分別降低34.22%、28.47%以上，系統(tǒng)效率分別提升了35.01%、29.67%以上。

3? 結(jié)束語(yǔ)

與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，潛油直線電機(jī)較高的阻抗、感抗值使電機(jī)的磁極位置、運(yùn)行狀態(tài)等信息的捕捉難度加大，普通直線電機(jī)用變頻器的通用型控制算法無法有效地按既定程序控制電機(jī)正常運(yùn)行，有時(shí)甚至無法正?？蛰d運(yùn)行。筆者針對(duì)潛油直線電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種柔性閉環(huán)控制方法。改善了電機(jī)失步監(jiān)測(cè)效果，提高了閉環(huán)控制精度和自適應(yīng)調(diào)參能力。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，筆者提出的控制算法具有良好控制效果。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-07-07，修回日期：2023-10-08）