永磁同步电机在石油钻机上的应用探讨.pdf

2 0 1 3年 第 4 2 卷 第 3期第 8 9页 石 油 矿 场 机 械 0I L FI E LD E QUI PMENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 3 0 3 0 0 8 9 0 3 永磁 同步 电机在石油钻机上 的应 用探讨 李艳琴 ， 侯尉生 ， 田树贵 ， 徐 正庭孙， 孙 中明。 1 ． 西安宝美 电气 工业 有限公司 ， 西安 7 1 0 0 7 7 ； 2 ． 塔里木油 田 a ． 第 四勘 探公司 ； b ． 第二勘探 公司 ， 新疆 库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 从 永磁 同步 电机 的机 电特性 与 负载 的机械 特性 匹配性 、 系统性 能指标要 求与控 制技 术方案 选 择等 方 面考虑 ， 对 永磁 同步 电机在 石 油钻机 直 驱机械 设备 上 的适 应性进 行 了探 讨 。 关键 词 永磁 同步 电机 ； 直驱 ； 机 电特性 中 图分类 号 TE 9 2 2 文 献标 识码 B Di s c u s s i o n o f Ap p l i c a t i o n o f Pe r m a ne n t M a g n e t S y n c h r o n o u s M o t o r o n Dr i l l i n g Ri g LI Ya n qi n ， HOU W e i s he ng ， TI AN Shu gu i ， XU Zhe n g t i n g ， SUN Zhon g mi ng 1 ． Bo r n a y El e c t r i c I n d u s t r i e s C o ．， Lt d ．， Xi a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a； 2 ． a ． No ． 4 Dr i l l i n g C o mp a n y； b ． No ． 2 Dr i l l i n g C o mp a n y， T a r i m O i l f i e l d， Ko r l a 8 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ta k i ng t h e f o l l owi ng f a c t or s i n t o c o ns i de r a t i o n， s uc h a s t he l oa d m a t c h i n g b e t we e n e l e c t r o m e c ha n i c a l c ha r a c t e r i s t i c s a nd m e c ha ni c a l pr o pe r t i e s， t he r e q ue s t i n s y s t e m pe r f o r ma n c e i nd i c a t o r s a n d s e l e c t i o n o f c o n t r o l t e c h n i c a l s c h e me 。 t h i s t h e s i s p r e s e n t s t h e s t u d y o f t h e a d a p t a b i l i t y o f p e r man e n t ma g ne t s yn c h r o n ou s m o t o r i n o i l r i g di r e c t dr i v e ma c h i ne ． Ke y wo r ds pe r m a ne n t ma g ne t s yn c hr on ous m o t o r； d i r e c t dr i v e n； e l e c t r ome c ha n i c a l c ha r a c t e r i s t i c s 永 磁 同步 电机 具有 功率 密度 大 、 效 率 高 、 功 率 因 数大等优点 ， 但对于大功率、 宽调速、 高性能的场合 ， 过去 由于 受到 控制 技术水 平 的 限制未 能得 到较 好 的 应用。近几年来 ， 随着控制技术的发展以及高性能 变频器 的出现 ， 使永磁 同步 电机的应用得到很大 的 发 展 ， 特别 在直 驱机 械设 备方 面更 有潜 力 。 1 机 电特性及控制要 求 在 结构 上 ， 永 磁 同步 电机转 子上 装有 永磁 体 ， 定 子 上装 有 电枢绕 组 ， 由于转 子 上没有 励磁 绕组 ， 所 用 永磁体磁密又很高， 转子直径可以做得较小 ， 效率较 高 ， 功率因数也较大， 这是其显著优点。基于此 ， 在 某些对电机体积要求严格 、 对节能考虑较多的领域 ， 例如航空、 航天、 舰船等行业 ， 如果负载特性匹配， 采 用永磁同步电机是最佳的选择。 虽然永磁 同步电机具有以上优点 ， 但在具体应 用 中还要 考虑 电机 的机 械 特性 与负 载 特性 的 匹配 ， 否则不适当的应用不仅不能发挥其优势， 而且将带 来 某些 弊 端 。 永 磁 同步 电 机 变 频 调 速 时 的 机 械 特 性 如 图 1 所 示 。 图 1 永磁 同步 电动机调速特性 曲线 图 1中实线为对应 的限制线， 虚线为调速时的 机械特性 ； 高速时的恒功和降功区需要弱磁控制 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 0 6 作者简介 李艳琴 1 9 7 6 一 ， 女 ， 陕西合 阳人 ， 工程师 ， 主要从 事电气设计工作 ， E - ma i l l i y a n q i n 0 8 1 2 6 ． c o rn。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 3年 3月 由于永磁电机采用了永久磁体做为磁极 ， 因此 不太适合有弱磁调速要求的场合 ， 否则将使效率降 低 ， 功率 因数 降低 ， 而 且 还 要 增 大 变 频 器 的装 机 容 量 ； 尤其对于深度弱磁调速的系统 ， 如果在弱磁高速 期间发生故障， 电机的旋转将产生很高的发 电电压 ， 极易损坏与其相连的变频器 。此时即使采用机械刹 车或者断路器保护， 但在响应时间上是来不及的。 另外 ， 对于变速控制的永磁同步电机 ， 为了得到 高性能的技术指标 ， 需要辨识转子磁极位置， 并实时 测量转速 ， 这就需要安装磁极位置传感器和速度传 感器 ， 尽 管 这 二 者 可 以合 二 为 一 例 如 ， 光 电编 码 器 ， 一旦编码器 出现故障， 系统将不能正常运行 。 2 适应性分析 2 ． 1 直 驱泥 浆泵 直驱泥浆泵省掉 了传 动带、 传动 轮、 传 动带护 罩 ， 还减小了底座长度 ， 降低 了泵组的体积 和质量 ， 免去了易耗件传动带的更换及松紧度调整等一系列 问题_ 3 ] ， 在某些特殊场合 例如钻井平 台上 有很大 意义 。 泥浆泵的负载特性如 图 2所示 ， 图中实线为对 应 的限制线 ， 虚线 为 不 同缸 套 或水 眼时 的负载 特性 。 折算 到输 入轴 的负 载特性 如 图 3所 示 。 面 吲 辩 压力 图 2 泥浆泵负载特性 曲线 图 3 折算 到输入轴的负载特性 由图 3可以看 出 泥浆泵不会用到等功或降功 区 ， 也 即不 需要 电动 机弱 磁调 速 ， 因此采 用永 磁 同步 电机进行直驱很适合 。泥浆泵、 电动机及变频器 的 功率匹配非常经济 ， 只需控制 电机在额定转速、 额定 扭矩 下运 行 即可 。 但是 ， 尽管对泵系统的技术指标要求不高， 不需 要速度传感器 ， 但一般 仍需要带磁 极位置传感器 。 虽然也有关于无位置传感 器的控制技术 ， 但在大功 率的变速传动上应用还不太理想。在直驱泵上安装 位置传感器非常不便 。无位置传感器的永磁同步电 动机的控制技术将成为研究重点 。 2 ． 2直 驱转盘 转盘的负载特性近似如图 4 ， 图 中实线为对应 的限制线 ， 虚线为不同转速时的转矩特性 。 O 扭矩 图 4 转 盘负载特性曲线 由图 4可 以看 出 转盘需要工作到等功区， 但区 域很 小 ， 即弱 磁深 度较 小 1 ． 3 ， 因此 在 转 盘 电 机 及 变频 器 匹配时 ， 要考 虑一 定 的弱磁 深度 ， 才 能使 方 案 比较 经济 。 在 钻井 工艺 上要 求转 盘在 工作 区之 内速 度尽 量 稳定， 但转盘在切削钻进过程中却是一种典型 的变 化载荷 ， 也即对转盘系统的技术指标要求较高。因 此 ， 对 于永 磁 同步 电机 的控 制 不 仅要 带 磁 极 位 置 传 感器 ， 而且要带速度传感器 ， 目前都把这 2 种传感器 合 二 为一 。 上 述对 转 盘 的分析 同样适 用 于顶 驱设备 。 2 ． 3直 驱绞 车 绞车的负载特性近似如图 5 ， 图 中实线为对应 的限制线 ， 虚 线为 不 同钩载 时 的速度 特性 。 埤 0 恒扭矩 图 5 绞车负载特性 曲线 由图 5可以看出 绞车主要工作在等功 区或 降 功区， 对于永磁同步 电机来说 ， 采用深度弱磁 ≈3 控制可 以满足其工况要求 ， 但变频器容量需要加大 ， 尤其是永磁同步电机在深度弱磁运行时不仅其效率 和功率 因数都明显降低 ， 还存在设备安全隐患 。 2 0 1 3 年第 4 2 卷 第 1 期第 9 1页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI PME NT 文 章 编 号 1 0 0 卜3 4 8 2 2 0 1 3 0 1 - 0 0 9 1 - 0 3 补偿式多用途环形防喷器的研制 胡 霄 ， 翟桂新。 。 胡慧婷 ， 张 旺宁 ， 高怀伟 ， 雷宽成 1 ． 西安 石油大学 ， 西安 7 1 0 0 1 6 ； 2 ． 长庆 油田公 司 采油一厂 ， 陕西 延安 7 1 6 0 0 0 ； 3 ． 中国石油物资采购中心 ， 北京 1 0 0 0 1 0 ； 4 ． 西安 宇星石油机械新技术开发有限公司 ， 西安 7 1 0 0 3 2 ； 5 ． 长庆油 田公司 工程技术管理部 ， 西 安 7 1 0 0 2 1 摘要 修 井 用 闸板 类 防喷 器存 在 的 问题 是 2个 闸板难 同步关 闭、 密封 油 管后 不 能调整 管 柱 、 手动 闸 板防喷器关井慢 、 液动 闸板防喷器的结构复杂和成本 高、 单闸板 防喷器的功能单一、 多闸板防喷器 的高度较 高和体积大、 闸板防喷器封井具有局限性等 。研制 了补偿 式多用途环形防喷 器。该 防喷 器通过从上部拧入不 同的补芯 ， 实现密封油管、 电缆 、 钢丝绳及全封空井等功用， 而且可以带压调整 钻具， 实现 了一机 多用。远程控制箱关井反应迅速 ， 操作 简单方便 ， 现场使用效果好。 关键 词 环形 防喷 器 ； 补 偿 ； 主胶 套 ； 补 芯 中图分类 号 TE 9 3 1 ． 1 文献标 识 码 B 目前在修井 、 试油过程中， 使用闸板类防喷器和 环形防喷器 ， 由于环形 防喷器体积大、 成本 高、 安装 维修复杂 ， 在试油 修井 作业中未得到广泛使用 ； 闸 板类防喷器得到了广泛使用 。但 闸板类防喷器 如果不采用弱磁控制 ， 必 须选择很大功率的电 机才能满足绞车的工作特性 ， 电机的体积就很大 ， 这 与使用永磁同步电机的初衷不符 。 尽 管在 电机 弱磁 深度 与机 械特 性匹 配上作 出优 化 ， 弱磁深度 ≈2 还是 比较高 ， 否则功率和体积就 很大， 这样一旦在弱磁高速期间发生故障 ， 电机 的旋 转将产生很高的发电电压 ， 尤其在下放过程中更是 如此 ， 这极易损坏与其相连的变频器 。为此 ， 在变频 器的输出侧增加 1台同容量的断路器 ， 希 望在故障 时分断断路器来保护变频器 ， 但在响应 时间上实际 是来 不及 的 ； 同时 也考 虑 故 障 时 启 动机 械 刹 车 以减 速 ， 但其响应时间也是太慢。 在实际应用 中， 由于绞车为带载甚至重载启动， 为 了得 到足 够 的启 动转 矩 ， 对永 磁 同步 电机 的 控 制 需要带磁极位置传感器； 同时 ， 为了保证 良好的低速 性 能 例如悬 停 或 自动 送钻 ， 还 需要 速度 传感 器 ， 这 2种传 感器 也 可 以合 二 为一 。 3 结 论 1 永磁同步电机在体积、 效率 、 功率因数等指 标上具有明显的优点， 但如何恰当地使用 ， 需要根据 负载性质及系统的技术指标进行合理选择。对于石 油钻机来说 ， 在直驱泵上应用比较适合 ， 但在直驱泵 上不适合装传感器 ， 因此需要解决不带传感器的控 制技术问题 ； 在直驱转盘上也比较适合 ， 而在直驱绞 车上却不太适合 。 2 目前用于制造永磁同步电机 的永磁材料 ， 为了保证其优 良、 稳定的磁性能， 基本上都采用高性 能 的稀 土 永磁材 料 ， 而 制 造 这 种永 磁 材 料 需 要储 量 稀少的稀土金属 例如钐 、 钕 和昂贵的战略金属 例 如钴 ， 因此在使用上受到限制 ， 近年来价格也大 幅 度 上涨 ， 有 些材 料甚 至上 涨近 3 倍 。基于此 ， 永 磁 同 步电机在石油钻机上的应用应全面考虑 ， 在性价 比 等各方面做出科学、 合理的选择 。 参考文献 [ 1 ] 李继志 ， 陈荣振． 石油 钻采 机械概论[ M] ． 北京 中 国石 油 大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 李发海 ， 王岩． 电机 与拖 动基 础E M3 ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． E 3 ] 崔荣海 ， 王红 占， 吕阿波 ， 等． J B Z S 0 0型单机 泵组 的研 制E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 1 6 8 7 2 ． 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 1 作者简 介 胡霄 1 9 7 3 ～ ， 男 ， 山西兴县人 ， 主要从事 石油与天然气工程方面 的工作 ， E ma i l y x - p m1 6 3 ． c o m。