變極式三相異步電機(jī)用于石油鉆機(jī)絞車傳動(dòng)控制的研究

王華勇 周 驥

(西安寶美電氣工業(yè)有限公司 陜西西安)

變極式三相異步電機(jī)用于石油鉆機(jī)絞車傳動(dòng)控制的研究

王華勇 周 驥

(西安寶美電氣工業(yè)有限公司 陜西西安)

石油鉆井用電動(dòng)鉆機(jī)有交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車的傳動(dòng)系統(tǒng),絞車的調(diào)速是通過電機(jī)的變頻調(diào)速和機(jī)械傳動(dòng)比變換聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的。文章介紹了鉆機(jī)絞車工況對(duì)傳動(dòng)的需求和變極三相異步電動(dòng)機(jī)Δ/YY的變極調(diào)速特性,并以此設(shè)計(jì)一種新型石油鉆機(jī)用絞車機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)。

石油鉆機(jī);絞車;異步電動(dòng)機(jī);Δ/YY變極調(diào)速

0 引 言

隨著電動(dòng)鉆機(jī)在石油鉆井行業(yè)的廣泛使用,使用者對(duì)設(shè)備的要求呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。針對(duì)絞車的傳動(dòng)系統(tǒng)方面使用者提出了減小變速機(jī)構(gòu)體積和增加提升載荷能力的要求。目前,電動(dòng)鉆機(jī)的絞車拖動(dòng)有直流電動(dòng)機(jī)加四檔機(jī)械變送箱拖動(dòng)和交流異步電動(dòng)機(jī)加兩檔機(jī)械變速箱拖動(dòng)兩種方案。本文介紹一種采用變頻器控制變極三相異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)絞車調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)方案,在機(jī)械上可以不需要兩檔變速結(jié)構(gòu),并針對(duì)此方案進(jìn)行了理論上的研究與探討。

1 變極三相異步電機(jī)技術(shù)用于石油鉆機(jī)絞車電氣傳動(dòng)控制的可行性[1]

1.1 絞車的工作特性的分析

絞車是鉆機(jī)起升系統(tǒng)的重要設(shè)備,主要功用有上緊、卸扣和懸掛鉆具,提升和下放鉆具或套管,利用撈沙滾筒提取巖心筒、試油等工作,同時(shí)在自升式井架的鉆機(jī)設(shè)備中用來起放井架。鉆井絞車的工作特點(diǎn)是載荷大,而且載荷變化也大。實(shí)際工作中,每起一個(gè)立根,載荷變化一次,重載荷時(shí)提升慢一些。例如鉆機(jī)的起升,深層時(shí)的起鉆;輕載荷時(shí)提升快一些。例如空大鉤起升、下降,這樣才能充分利用動(dòng)力機(jī)組在理想的恒功率曲線上工作。

針對(duì)石油鉆機(jī)絞車的工作特點(diǎn),對(duì)動(dòng)力機(jī)組提出的要求是:

2)可短期過載,以克服啟動(dòng)動(dòng)載、輕度卡鉆和振動(dòng)沖擊。

3)絞車啟、停操作頻繁,要求動(dòng)力系統(tǒng)有良好的啟動(dòng)性能和靈敏、可靠的控制離合裝置。

1.2 存在的問題

目前,電動(dòng)鉆機(jī)絞車采用第二種傳動(dòng)方案的傳動(dòng)系統(tǒng)被廣泛使用,具體表現(xiàn)為通過變頻器控制交流異步電機(jī)和具有高、低速兩個(gè)檔位機(jī)械變速箱組成的傳動(dòng)系統(tǒng),通過變換檔位和電機(jī)變頻調(diào)速,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車的寬范圍調(diào)速控制。但這種傳動(dòng)系統(tǒng)存在以下不足之處:

1)由于異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速范圍有限,滿足了低速段的大扭矩輸出要求,就滿足不了小扭矩高速段的最高速度要求;

2)絞車在高速段運(yùn)行時(shí),為了得到更高的速度,只有提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí),異步電機(jī)工作在恒功率特性段,通過變頻器控制,實(shí)現(xiàn)弱磁增速。但是,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降,絞車的提升力也隨之大幅下降;

3)需要頻繁切換變速箱檔位。

設(shè)計(jì)新型的絞車拖動(dòng)系統(tǒng)在高速時(shí)提供足夠大的提升力是一個(gè)新的課題,單純采用提高電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩段的方法將加大電機(jī)的輸入功率,會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)成本的大幅上升,實(shí)現(xiàn)起來困難極大。采用雙速電機(jī)使絞車低速大扭矩和高速小扭矩工作在電機(jī)的不同額定轉(zhuǎn)速段,是現(xiàn)實(shí)而經(jīng)濟(jì)的選擇。

1.3 變極三相異步電機(jī)的變極調(diào)速特性

三相異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)變極調(diào)速的方法有多種,我們采用Δ/YY的變極調(diào)速,Δ和YY是指變極調(diào)速時(shí),兩種極數(shù)的接法。其中,Δ接法是低速,YY接法是高速,如圖1所示。對(duì)比圖1(b)和圖1(a),一半繞組的電流反向,實(shí)現(xiàn)了變極。

圖1 Δ-YY的變極調(diào)速

兩種接法運(yùn)行情況,假設(shè)電源電壓不變,不考慮不同接法時(shí)η和cosφ的變化,電機(jī)固有特性簡(jiǎn)述如下:

1)電機(jī)繞組Δ接法

上述公式中,N為額定轉(zhuǎn)速;P為額定功率;T為輸出轉(zhuǎn)矩;IP為線圈流過的電流;Ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度;cosφ為功率因數(shù);η為電功效率。

比較兩種運(yùn)行情況我們有如下結(jié)論:

1)兩種運(yùn)行情況下,由于采用了變極調(diào)速,電機(jī)在YY接法時(shí)的額定轉(zhuǎn)速是電機(jī)在Δ接法時(shí)額定轉(zhuǎn)速的2倍;

2)兩種運(yùn)行情況下,線圈流過的電流如果相等,且不考慮功率因數(shù)和電功效率的變化,電機(jī)在Δ接法時(shí)的額定扭矩是在電機(jī)YY接法時(shí)額定扭矩的1.7321倍,也就是說,此時(shí)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速提高了一倍,但輸出扭矩僅下降了43%左右;

3)兩種運(yùn)行情況下,如果保持電源電壓不變,同時(shí)每個(gè)線圈允許流過的電流相等,電機(jī)在YY接法時(shí)允許輸出功率是在電機(jī)Δ接法時(shí)允許輸出功率的1.1547倍;

4)當(dāng)繞組的線圈中流過的電流相同時(shí),Δ-YY接法適合帶動(dòng)恒功率類型的負(fù)載運(yùn)行。

1.4 解決方案

綜上所述,我們的設(shè)計(jì)方案是,采用變極三相異步電動(dòng)機(jī)作為絞車的拖動(dòng)電機(jī)構(gòu)成新型傳動(dòng)系統(tǒng),采用Δ/YY的變極調(diào)速附加變頻器調(diào)速的調(diào)速方案。這個(gè)此方案切合了絞車的工作特點(diǎn),可以滿足絞車設(shè)備的要求。在低速大扭矩工況,例如鉆機(jī)的起升,深層時(shí)的起鉆時(shí),變極三相異步電動(dòng)機(jī)采用Δ接法,電機(jī)工作在低速大扭矩特性區(qū)間。在高速小扭矩工況,例如空大鉤起升,變極三相異步電動(dòng)機(jī)采用YY接法,電機(jī)工作在高速小扭矩特性區(qū)間。變極三相異步電動(dòng)機(jī)的Δ/YY調(diào)速方案使電機(jī)成實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙速,極大地增加了電機(jī)的調(diào)速范圍。

該設(shè)計(jì)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):

變極三相異步電動(dòng)機(jī)采用Δ接法,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是n1,額定扭矩是T,此時(shí)電機(jī)在額定功率范圍內(nèi)工作,適合工作在大扭矩特性區(qū)間。變極三相異步電動(dòng)機(jī)采用YY接法,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是2n1,額定扭矩是57%的T,此時(shí)我們可以得到2倍的轉(zhuǎn)速,但扭矩只減少了43%。這種特性很好的適應(yīng)了絞車在高速時(shí)需要足夠大的提升力矩的要求,避免了弱磁增速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇下降的缺點(diǎn)。

兩種運(yùn)行情況下,如果保持電源電壓不變,同時(shí)每個(gè)線圈允許流過的電流相等,電機(jī)在YY接法時(shí)允許輸出功率是在電機(jī)Δ接法時(shí)允許輸出功率的1.1547倍。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是考慮了短期過載的需求,同時(shí)考慮到絞車的運(yùn)行是短時(shí)工作制,估計(jì)所用變頻器功率無需增大,僅利用其過載能力即可實(shí)現(xiàn)Δ接法時(shí)電機(jī)的恒功率運(yùn)行。

變極三相異步電動(dòng)機(jī)Δ/YY的變極調(diào)速可以采用接觸器切換電機(jī)的繞組,采用電氣切換的方法,取代兩檔機(jī)械變速箱的機(jī)械換檔。

2 變極三相異步電機(jī)技術(shù)用于石油鉆機(jī)絞車電氣傳動(dòng)控制需要解決的問題[2]

1)變極三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。此種原理的電機(jī)具體設(shè)計(jì)制造和實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)一步的研究。2)低速時(shí)電機(jī)的額定扭矩是高速時(shí)電機(jī)的額定扭矩的1.732倍,絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩設(shè)計(jì)時(shí)需要平衡好電機(jī)高、低速時(shí)的最大扭矩。

[1] 孫松堯.鉆井機(jī)械[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006

[2] 鎖超民.石油鉆井絞車剎車系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2005,34(1)

The application of the pole three-phase asynchronous motor in the driving sys- tem of the rig winch.

Wang Huayong and Zhou Ji.

An oil drilling rig is operated by AC electric motor driven winch drive system.The winch speed is decided by the frequency control of motor and mechanical transmission ratio change.This article describes the condition of the rig winch drive demand and pole three-phase asynchronous motorΔ/YY′s pole speed characteristics.A new oil rig with a winch mechanical and electrical drive system is designed accordingly.

Drilling;Drawworks;Asynchronism-Electromotor;Δ/YYVariable Speed

TE928

B

1004-9134(2011)04-0005-02

王華勇,男,1962年生,1987年畢業(yè)于西安電視廣播大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)。現(xiàn)在西安寶美電氣工業(yè)有限公司生產(chǎn)制造部從事機(jī)械設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作。郵編:710065

2011-07-13編輯梁保江)

PI,2011,25(4):5～6

·儀器設(shè)備·