永磁电机在钻井装备中的应用探讨.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 1 期 第 8 O页 石 油矿 0I L FI ELD 场 机 械 EQUI P MENT 2 0 1 0 ， 3 9 1 1 8 O ～8 4 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 1 1 - 0 0 8 0 0 5 永磁 电机在钻井装备中的应用探讨 于兴军 ， 魏培静 ， 丛万生 ， 张青锋 ， 严小妮 ， 田风仙 宝鸡石油机 械有 限责任公司 ， 陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 2 摘要 永磁 电机具有体积小、 质量轻、 效率高， 可提供低速 大扭 矩输 出特性等优点， 已被 广泛应用。 对 目前 几种永磁 电机 的性 能特点进行 了阐述 ， 并结合钻 井装备 的工 况进 行 了对 比 匹配分析 ， 提 出了 研 制永磁 电机 直驱式 泥浆泵 的可行性 。针 对永磁 电机 应 用到钻 井装备 中必 须解 决的几项 关键 技 术 提 出 了建议 。 关 键词 永磁 电机 ； 钻 井装备 ； 泥浆泵 ； 直驱 ； 同步调速 中图分类号 T E 9 2 6 文献标 识码 B Di s c u s s i o n o n Ap p l i c a t i o n o f Pe r ma n e nt M a g n e t M o t o r o n Dr i l l i n g Eq u i pme n t YU Xi n g - j u n ， WEI Pe i j i n g， CONG Wa n s h e n g， Z HANG Qi n g - f e n g， YAN Xi a o n i ， TI AN Fe n g xi a n B a o j i Oi l f i e l d Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， B 口 o j i 7 2 1 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e P e r ma n e n t Ma g n e t Mo t o r P M mo t o r h a s b e e n u s e d wi d e l y d u r i n g ma n y i n d u s t r i a l f i e l d be c a u s e t h e r e a r e m a ny m e r i t s， s uc h a s s ma l l c u ba ge， l i t t l e we i g ht ， hi gh e f f i c i e nc y a n d t he c h a r a c t e r i s t i c o f b i g t o r qu e bu t l ow s p e e d ．Th e c omp a r i s o n a b ou t t he c ha r a c t e r i s t i c du r i ng s u c h P M mo t o r s wa s ma d e ． Th e ma t c h i n g s t a t u s b e t we e n t h e PM mo t o r a n d t h e d r i l l i n g e q u i p me n t wa s a n a l y z e d ．Ac c or d i n g t o t h e c o m p a r i s o n， i t c a n d r a w t h e c on c l u s i on t ha t i t i s v i a b l e t h a t t he m u d pu mp i s d r i v e n by t h e PM mo t o r d i r e c t l y ． Fi n a l l y， a f e w s ug ge s t i o ns a b ou t t h e ke y t e c hn ol og y wa s p u t f o r wa r d d u r i n g t h e d e v e l o p i n g p r o c e s s o f t h e d r i l l i n g e q u i p me n t wh i c h d r i v e n b y t h e P M mo t o r d i r e c t l y ． Ke y wo r ds p e r ma ne nt ma g ne t m o t or ； d r i l l i n g e q u i pme n t ； mud pu mp； d r i v e n d i r e c t l y； s yn c h r on o us t i mi ng 电机是 以磁场 为媒介进 行机 械能和 电能相 互转 换的电磁装置 。为在电机内建立进行机电能量转换 所必 需的气 隙磁场 ， 可 以有 两种方 法 一 种是在 电机 绕组内通电流产生 ， 即感应 电机 ， 如 鼠笼式异步 电 机； 另一种是由永磁体来产生磁场 ， 即永磁电机。 1 钻 井装备采用永磁 电机作动力的优势口 剞 a 高效节能永磁电机不需要定子无功励磁 电流产生励 磁磁 场 ， 可 减 少定 子 绕 组损 耗 。据 相关 资料统计， 永磁 电机额定效 率较感 应 电机 可提 高 5 9 ／ 5 左右。感应电机的经济运行范 围一般为额定负 载 的 6 0 ～ 1 0 0 ， 而 永磁 电机在 2 5 ～1 2 0 额定 负载范围内都有较高的效率。因此 ， 利用永磁 电机 效率 高 、 经济运 行 范 围宽 的 特性 可减 少 钻 井 系统 的 电力 消耗 。 b 低 速 大扭 矩 输 出特 性 感 应 电机 起 动 转 矩倍数较小 ， 钻井设备需选 择大容量的感应电机满 足设备启动要求 ， 而到了正常运行状态后 ， 电机又处 于轻载运行状态 ， 效率和功率因数均较低 大马拉小 车 。永磁 电机大扭矩特性符合了石油钻井工况起 动转矩大的特性 ， 而且低速特性使直接驱动成为可 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 2 作者简介 于兴军 1 9 8 0 一 ， 男 ， 吉林 安图人 ， 工程师 ， 硕士， 现从事石 油机械研究与开发工作 ， E - m a i l y x j s w p i 1 6 3 ． c o rn。 第 3 9 卷第 1 1 期 于兴军 ， 等 永磁电机在钻井 装备 中的应用探讨 能 ， 取消 了齿轮箱 等 传 动机 构 ， 减 小设 备 的体 积 、 质 量 及维护工作 。因此 ， 低 速 大扭 矩 是 永磁 电机 应 用 于 石油钻井 装备 的最大优 势之 一 。 c 体 积小质 量轻结 构形式 配置 灵活 永 磁材 料具有高剩余磁感应强度和矫顽力 ， 可提供很高的 磁负荷 ， 使 电机 尺 寸 缩小 。感 应 电机 的齿 槽 结 构约 束着磁 负荷 和 电负 荷 的关 系 ， 过 高 的磁负 荷 将 减小 放置绕 组 的空 间 ， 成 为 实现 高 功率 密 度 的瓶 颈 。此 外 ， 永磁 电机结 构形 式具有 很强 的灵 活 性 ， 其 长度 L 与 电机直 径 D 的配 比关 系为 L一 0 ． 1 ～3 ． 5 D， 而 感应电机一般 L一1 ． 5 D。 2 永磁 电机在钻井装备中的应用现状 鉴于 永磁 电机 的上 述优点 ， 目前 ， 国外 一些公 司 已将永磁电机应用到石油钻井装备 中。NOV公司 的 1 2 - P 一 1 6 0型泥浆 泵应 用 2台永 磁 电机进 行 直 驱 ， 功率可达 1 1 7 6 k W 1 6 0 0 h p ， 采用该驱动方式后 ， 泥浆 泵 总 体 积 及 质 量 均 减 少 2 0 ， 如 图 1所 示 ； T E S C O公 司 的 5 0 0 ／ 6 0 0 E C I 9 0 0和 5 0 0 ／ 6 0 0 E C I 1 3 5 0型顶 驱也 分别应 用 了美 国 DR S公 司 的 2台 和 3台 P A4 4型永磁 电机驱动 ， 功率达 6 6 2 k W 9 0 0 h p 和 9 9 2 k w 1 3 5 0 h p ， 电 机体 积 较 原 交 流 电机 也有所 降低 ， 如 图 2 。 图 1 NO V公司永磁电机直驱式泥浆泵 国内， 我国胜利石油管理局也曾对外转子一体 式 绞车进行 了研 发 工 作 。如 图 3所 示 l_ 4 ] ， 驱 动 电机 安 装于绞 车滚筒 外侧 ， 该 电机 的转 子 外 置 于绞 车 滚 筒轴两端 ， 并与滚筒 同轴固定 。电机的转子与绞车 滚筒共用 1套 2个 轴承支撑 。驱动电机定子直接 固定在 绞车两 侧 的轴 承座 上 ， 绞 车 滚 筒一 侧 装单 盘 式刹车盘， 另一侧安装用于应 急驱动和 自动送钻 的 齿圈。这种驱动电机和绞车滚筒紧密结合形成一体 化的电驱动绞车， 转子与绞车滚筒同轴， 中间无任何 减速 和传 动装 置 ， 减 轻 了质 量 ， 并 减 少 了 日常 维 护 工作 。 图 2 D R S公 司 P A4 4永磁 电机 1 一定子 ； 2 一转 子； 3 一轴承 ； 4 轴 承座 ； 5 一绞车轴 ； 6 一绞车滚筒 ； 7 一刹车盘 ； 8 一齿圈 ； 9 底座 图 3 外转子一体式绞车 3 几种永磁 电机在钻 井装备 中的适用性 3 ． 1永磁 直流 电动机 永 磁直 流 电动机是将 普通 直流 电动机励 磁绕组 和磁极铁心用永磁磁极代替 ， 但仍需电刷换向， 其特 性类 似于他 励直 流电机 。同绕组 感应 式直流 电机一 样 ， 电 机 电 刷 换 向 会 产 生 火 花 ， 这 一 弊 端 仍 没 有 克 服 。 3 ． 2永磁 无刷 直流 电动机 永 磁无 刷 直 流 电动机 电枢绕 组 位于 定子 ， 永 磁 体固定于转子 与永磁直流电机不同 ， 根据转子永 磁磁极的位置确定定子绕组的导通状态 ， 使 电机产 生稳定 连续 的 电磁 转矩 。永磁 无刷直 流 电机 用 电子 换 向装置代 替 了永 磁 直 流 电机 的机 械换 向装 置 ， 解 决了换 向火花的问题 。该种 电机转子旋转时， 在定 子上产生的反电动势波形为梯形波， 为产生恒定力 矩 ， 要求定子电枢绕阻中驱动电流为梯形波， 进而造 成 了转矩脉动现象 ， 这是永磁无刷直流 电机存在的 突出问题 ， 对 钻井装 备的寿命 以及 现场操作 十分 不 利 。 石 油 矿场 机 械 2 0 1 0 年 1 1 月 3 ． 3异步启 动永磁 同步 电机 该电机依靠定子旋转磁场与笼型转子 具有起 动绕组或具有启动作用的整体铁心 相互作用产生 的异步转矩实现起动。当起动完成正常运行 时， 笼 型转子不再起作用 ， 转子依靠永磁体产生的磁场运 行在 同步转 速 。异 步启动永 磁 同步 电机 具有 自启 动 能力 ， 可直接在 电网上运行。这种电机常用于无需 调速的设备中， 例如纺织机械 、 水泵等 例如 国家稀 土永磁 电机工 程技术 研究 中心研 制 的 1 1 2 0 k W 异 步启动高效稀土永磁电机 ， 目前正用于大功率水泵 中 ， 但 不太 适 合 应 用 在需 经 常调 速 的石 油 钻 井装 备 中 。 3 ． 4调速 永磁 同步 电动机 该电机定子具有多相绕组 ， 转子安装永磁体， 当 转子旋转时， 在定子上产生的反 电动势波形为正弦 波， 则定子绕组供电电流为正 弦波时电机可产生连 续稳定 的输 出力矩 ， 相 对 于梯 形 波 电流驱 动 的永 磁 无刷 直流 电机 ， 调 速永 磁 同步 电机 克 服 了输 出力 矩 脉动 的不利 因素 。由变频器 控制 的调速永 磁 同步 电 机可获得良好的调速性能 、 转矩平稳性能和动态响 应性能 。 综上所述 ， 在钻井装备 中应用永磁 电机作为动 力 ， 调速永磁 同步 电机 比其他几 种永磁 电机更具 优 势 。 4 永磁 同步电机与钻 井装备特性匹配 永磁 电机应用 于钻井 装备 的最大优 势之 一是直 驱。为了实现直驱 ， 首先应研究各钻井装备输入特 性与永磁同步电机输出特性的匹配问题 。 目前， 常规绞车、 转盘 、 顶驱电机 的工作状态通 常涵盖了恒扭区、 恒功 区、 降功区 3个工况区， 如图 4 所示。恒扭区内， 可利用 电机和变频器过载特性 实现井下事故处理或下套管等工作 ， 满足钻机最大 载荷的要求。在恒功区和降功区实施正常钻井作 业， 并可以接近最大钩速解空吊卡等操作 。考虑到 减速机构的传动关系， 经转化可得到钻井设备输入 轴输入特性， 即 将常规电机输 出转速降低 i 倍 ， 扭 矩增大 i 倍 i为减速 比 ， 但 仍然 具有上 述 3个 区域 。 常规泥浆泵电机虽然也具有 3 个工况区的工作 能力， 但是在实际工作过程中， 仅仅利用到了其恒转 矩区， 折算到泥浆泵输入轴上后， 可得到泥浆泵输入 轴的轴端特性曲线， 如图 5所示 。 n 图 4 绞车转 盘顶驱 电机轴端及设备轴端特性 曲线 0 图 5 泥浆泵电机轴端及设 备轴端特性 曲线 永磁 同步 电机输 出特 性 曲线 如 图 6所 示 ， 其 具 有 很宽 的恒转 矩输 出段 ， 在 达到额 定转速 之后 ， 通 过 调 节定子 电流 ， 增加定 子直轴 去磁 电流分量 ， 也可 实 现弱磁调速， 转速继续升高 ， 但输出转矩将会迅速降 低 ， 故一般无法利用。考虑到直驱工作方式 ， 钻井设 备对永磁电机转速要求不会很高 ， 故弱磁升速这一 功能 在钻井 设备直 驱 时也基本 不会用 到 。 图 6 永磁同步电机 MZ n特性 曲线 通过对钻井设备工况与永磁电机输出特性的对 比， 可见永磁电机输出特性与泥浆泵工作需要的输 入特性较为匹配。对于绞车、 转盘 、 顶驱等设备， 如 采用永磁 电机直驱 ， 则要求电机仍然需要具有这 3 个区域的工作能力， 这样就需要永磁 电机的功率阈 量很大 如图 7 所示 ， 而且相对于泥浆泵而言， 其他 第 3 9 卷第 l 1 期 于兴军 ， 等 永磁 电机在钻井装备 中的应用探讨 8 3 钻井设备的扭矩需求要大很多 ， 令其能够覆盖钻井 设备输入轴的恒功率 、 降功率区， 虽然在变频器的控 制下也可满足钻井工况的要求， 但同样会造成“ 大马 拉 小车” 的问题 ， 。 图 7 绞车等设备输入特性与永磁 电机输出特性匹配示 意 综上 所述 ， 调速 永 磁 同步 电机 应用 于 直 驱式 泥 浆泵具有 可行性 。 5 关键技术 5 ． 1 永磁 电机 a 低 速大扭 矩大功 率永磁 电机 开发通过 相 关调研， 目前国内调速永磁电机功率均较小 ， 国外公 司曾有大功率永磁电机产品， 但这些 电机的输 出转 矩、 转速与钻井设备需求不是很匹配， 因此钻井装备 用永 磁 电机 还需依 靠专业 电机公 司进 行开 发 。 b 永 磁 电 机 失 磁 现 象 的 有 效 解 决 永 磁 体 在高温以及瞬间大电流冲击的作用下会产生失磁现 象 ， 这将 严重影 响 到电机 的可靠性 。 对高温失磁 的解决办法有 采用耐高温永磁体、 配置 良好 的散 热 系统 、 调 整 定 转子 问气 隙 等 。据 相 关资料介 绍 ， 目前高 性 能钕 铁 硼 材料 的最 高 工作 温 度可达 1 8 0℃； 另外 ， 采用水冷方式 ， 对永磁体 的散 热也会有所 帮助 ； 增 加磁 场 气 隙对 永 磁 电机 的散 热 有利， 但气隙增加会导致转子磁能积 的减弱以及漏 磁 现象 ， 因此气 隙大 小 的选 择 是一 项 需 要 优化 权 衡 的工 作 。 c 成本 的控 制 永 磁材 料 的价 格 近年来 虽 有 所下 降 ， 但相 对 于 感应 电机 的 C u 、 F e等材 料 ， 其 价 格仍较 高， 据 统计 ， 永磁 电机 一般 比感 应 电机 贵 7 0 或更高。如何有效控制 电机成本， 对于永磁电 机在驱动钻井装备上的普及推广至关重要。 5 ． 2 永磁 同步 调速 的变频 控制 永 磁 同步 电机 不存 在 转 差率 ， 与 异 步 电机 的变 频 控制 有 所 不 同 ] ， 其 控 制 方 式 也 有 2种 矢 量 VC 控 制和 直接转矩 D TC 控制 。 永磁同步电机定子电流瞬时值取决于转子的瞬 时位置 ， 所 以必须连续地检测转子位置。因此， 需在 转子轴上安装传感器， 机械传感器提供 了电机控制 所需的转子信号， 但也带来了一些问题 例如加大了 电机尺寸 ； 增加了电机与控制系统接 口电路 ， 使系统 易受干扰等。为此， 有学者开展了无机械传感器同 步调速系统的研究， 即根据测量的电机电流和电压 信号 ， 利用其特殊 的电磁特性估算 电机的转速和转 子位置， 取代机械传感器 ， 实现控制功能[ 7 ] ， 但 其稳 定性 还有待 提高 ， 推广 到工业上 还有一 定 问题 。 目前 广泛 应 用 的变频 器 以异步 调 速 的居多 ， 通 过查询 丹佛斯、 安川、 明电舍、 艾默生等变频器可实 现同步调速 ， 但其额定功率太小 ， 无法驱动几百千瓦 的永磁 电机。AB B的 AC S 8 0 0变频器在软件上再 增 加一 个 软 件 包 P e r ma n e n t Ma g n e t S y n c h r o n o u s Ma c h i n e D r i v e A p p l i c a t i o n P r o g r a m 即可实现 同步 调速功能[ 8 ] ， 且功率也可匹配； 此外 V AC ON公司 的 NX P型变频器也具有同步调速功能[ g ] ， 且功率最 高可达 5 3 0 0 k W ， 将来也可用于钻井设备永磁 电机 的驱 动 。 除上述 2个方面之外 ， 如何充分利用永磁 电机 结构形式灵活的特性 ， 确保永磁电机直驱式钻井设 备整体尺寸满足铁路、 公路等运输的要求 ， 以及减少 电机 现场维 护工作 等也 非常重 要 。 6结论及建议 1 永磁电机在体积 、 质量 、 效率上具有一定优 势， 且其理论输出特性与泥浆泵输入特性较为匹配 ， 所 以 泥 浆 泵 采 用 永 磁 电 机 直 驱 的 方 式 是 完 全 可 行 的 。 2 控制系统建议采用 A B B等大公司的变频 器， 一方面将来可更容易为使用者所接受； 另一方 面， 易于实现与其他钻井设备控制系统的集成。 3 积极加强与电机及变频器提供 的技术沟 通， 可加快永磁电机直驱钻井装备工业化的速度。 参考文献 [ 1 ] 唐 任 远． 现 代 永 磁 电机 [ M] ． 北 京 机 工 业 出 版 社 ， 1 9 9 7 ． 1- 2 ] 闫敬东． 永磁同步 电动机在抽 油机上 的应用分 析[ J ] ． 石 油 机 械 ， 2 0 0 6 ， 3 4 2 5 4 5 6 ． [ 3 ] 郭勤 良， 王钊 ， 王群章 ， 等． 稀土永磁 同步 电 L 在抽油 机上的应用分析[ J ] ． 石油矿场机械， 2 o O 5 ， 3 4 2 5 4 5 6 ． 2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 1期 第 8 4页 石 油 矿 场机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 00 1 3 4 82 2 01 O 11 0 0 8 4 0 3 自动送钻技术研究进展 张新旭 ， 赵敏 1 ． 胜利石油管理局 黄河钻井总公 司， 山东 东 营 2 5 7 0 6 4 ； 西安宝德 自动化股份有限公司 ， 西安 7 1 0 0 7 7 摘要 自动送 钻技 术以其无 可 比拟 的优越 性取代 了手动 送钻 方法 ， 引导 了钻机 的发展 趋 势。分析 对 比 了盘 式刹 车 自动 送钻 、 主 电机 自动送钻 和辅助 电机 自动送钻 的优 劣 ， 认 为应 重 点推 广 交流 变频 辅 助 电机 自动送钻 系统 。指 出交流 变频 自动 送钻 系统应 在 结构 方 面做 改进 ， 并提 出 了人 工智 能的模 式识别技 术在 自动送钻控 制 中的应 用前景 。 关键词 钻机 ； 自动送钻 ； 辅 助 电机 ； 控 制技 术 中图分类 号 T E 9 2 8 文献 标识码 B 钻井 质量受 到 2大 因素 的影 响 ， 一类 是 地 质条 件 等不能任 意改 变的客 观 因素 ； 另一类 是钻 头类型 、 钻压 、 转速等可以控制的变量。在可控变量中， 一旦 钻井设备确定， 则相应的钻头类型也就确定。所以， 在钻井过程中钻压和转速是需要控制的 2个主要参 数。传统的送钻技术是由司钻根据经验来设置和控 制相关参数 ， 导致工人劳动强度大、 钻头磨损大 ， 钻 井成本 较高 。随着 自动送 钻技 术 的发展 ， 改善 了工 人的工作环境 ， 并提高了钻井质量 ， 对钻机的 自动化 控制技术 的发展 也起 到 了关 键作用 1 ] 。 1 钻压 转速与钻 速的关 系 钻 压 、 转 速 是直 接 作用 于井 底 以破 碎 岩石 的基 本 参数 。图 1 ～2是油 田钻进试 验 的典 型拟 合 曲线 。 其中， 图 1是在其他钻进参数保持不变的情况下 ， 钻 压 与钻 速 的关 系 曲线 。由 图 1可知 ， 在 o a段 ， 钻压 很 小 ， 井底 净化充 分 ， 钻 速 与钻 压 平 方成 正 比关 系 ； 在 n 6 段 ， 随着 钻压 的增加 ， 岩屑量相 应增 多 ， 但 因水 力参数不变 ， 井底净化条件逐渐 变差 ， 钻 速增 长率 逐步下降， 钻速与钻压成线性关 系。此后再增加钻 压 ， 井底净 化 条 件 将 严 重 恶 化 ， 钻 速 增 长缓 慢 或 不 增加 。 图 2是 钻压 和 其他 参数 不 变 的条 件下 ， 转 盘转 速与钻进速度的关系曲线， 可以看出， 在井底净化充 分 的情况下 ， 转速 与 钻速 成 正 比； 当地 层 变 硬 ， 钻 速 与转 速不再 成正 比 ， 这是 因为转 速快 ， 单 位 时间 内钻 齿对岩 石 的冲击次数 多 ， 钻 速加快 ， 但却 缩短 了钻 齿 与地层 的接触 时 间 t ， 当 t 低于 岩石破碎 所需 要 的时 间时 ， 破岩效率就会显著下降。 图 1 钻压与钻速 的关系曲线 E 4 ] 张慧峰 ， 王平 ， 董怀荣 ， 等． 石油钻机用单轴外置转子 电驱动绞车 中国 ， 2 0 0 5 2 0 0 8 1 4 3 7 ． 9 [ P ] ． 2 0 0 6 0 3 2 2 ． [ 5 ] 王秀和． 永磁电机[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] Mo r i mo t o S ， S a n a d a M． ， T a k e d a Y． I n v e r t e r - d r i v e n s y s c h r o n n u s mo t o r f o r c o n s t a n t p o w e r E J ] ． I E E E T r a n s ， I n d ． M a g a z i n e ， 1 9 9 6 2 1 9 2 4 ． E 7 ] A e a me y P P ， H i l l R J ， Ho o p e r C、 D e t e c t i o n o f R o t o r p o s i t i o n i n s t e p i n g a n d s wit c h e d mo t o r b y mo n i t o r i n g o f c u r r e n t w a r e f o r m[ J ] ． I E E E T r a n s ， 1 9 8 5 ， 3 2 3 2 1 5 2 2 2 ． [ 8 ] AB B电气传 动系统有限公司． S u p p l e me n t t O F i r mw a r e M a nu a l f o r ACS8 0 0 St an d a r d Ap pl i c at i o n Pr o gr a m 7 ．x [ M] ． 北京 ， 2 0 0 4 ． [ 9 ] 伟肯电气传动有 限公 司． VA C 0N N XP变频 器使用手 册[ K] ． 北京 ， 2 0 0 4 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 2 5 作者简介 张新旭 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山东胶南人 ， 教授级高级工程师 ， 主要从事 钻井工程 技术研究及 管理工作 ， E - ma i l z x x 2 0 0 2 s l o f ． c o rn。