抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的理論與試驗(yàn)研究

李　娜，葛利俊，安　超

(1.渤海石油裝備承德石油機(jī)械有限公司，河北 承德 067000；2.陜西長(zhǎng)實(shí)建設(shè)工程有限公司，西安 710018)

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抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的理論與試驗(yàn)研究

李娜1，葛利俊1，安超2

(1.渤海石油裝備承德石油機(jī)械有限公司，河北 承德 067000；2.陜西長(zhǎng)實(shí)建設(shè)工程有限公司，西安 710018)

摘要：節(jié)能高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)在石油開采領(lǐng)域的應(yīng)用日益增長(zhǎng)。結(jié)合永磁同步電動(dòng)機(jī)理論和磁場(chǎng)有限元計(jì)算理論對(duì)某型永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，并對(duì)該型電動(dòng)機(jī)在大慶油田進(jìn)行測(cè)試。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明，在額定轉(zhuǎn)速200 r/min的條件下，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和效率等參數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致，其中額定轉(zhuǎn)矩值的計(jì)算誤差只有3.84%，表明所采用分析方法的正確性。為實(shí)現(xiàn)該型永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制等提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；有限元法；d-q軸系；抽油機(jī)

抽油機(jī)是石油開采的關(guān)鍵設(shè)備，其動(dòng)力裝置主要采用異步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。普通的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，通過加裝變速箱、傳動(dòng)皮帶等傳動(dòng)裝置來工作，但是其工作效率低，而且抽油桿的應(yīng)力無法在停機(jī)后釋放，存在安全隱患。得益于電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展，變頻異步電動(dòng)機(jī)在采油領(lǐng)域也得到一定應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)異步電機(jī)的設(shè)計(jì)，高速變頻異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)需要有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁設(shè)計(jì)，部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的理論分析和計(jì)算[1]。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)也受到重視，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的高效調(diào)速，具有一定的發(fā)展前景[2]。

相比于采用不同復(fù)雜調(diào)速技術(shù)的異步電動(dòng)機(jī)，直驅(qū)式高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)在抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和成熟，也得到相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員的高度認(rèn)可[3-4]。文獻(xiàn)[5]對(duì)Y280S型電動(dòng)機(jī)和YCHD280L型電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比研究，在模擬井上對(duì)多個(gè)瞬態(tài)節(jié)點(diǎn)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能要優(yōu)于低轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)，中高沖次時(shí)的降載效果較好，但在節(jié)能方面高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。采用麥克馬克方法求解波動(dòng)方程，建立一種新的運(yùn)動(dòng)微分方程與波動(dòng)方程的高度耦合問題的求解方法，對(duì)勝利油田辛1135和辛11138兩口井的計(jì)算結(jié)果表明該方法計(jì)算速度快、精度高[6]。

隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)性能的提升，在抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)有替代傳統(tǒng)高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)[7]。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)而言，其磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，有限元法作為電磁場(chǎng)分析的主流方法，在永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上有著廣泛的應(yīng)用[8]。永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)主要需要考慮磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)矩分析、其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算等，需要結(jié)合電磁場(chǎng)理論和電機(jī)學(xué)理論進(jìn)行分析[9-10]。波形畸變率高和齒槽轉(zhuǎn)矩大也是影響永磁同步電動(dòng)機(jī)性能的主要問題，可嘗試采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組、非均勻氣隙、定子斜槽和改變磁極寬度等方法予以改善[11]。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有強(qiáng)耦合性、非線性的特點(diǎn)，其控制技術(shù)也得到眾多學(xué)者的關(guān)注，包括直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)、自抗擾控制(ADRC)技術(shù)等[12]。復(fù)式永磁同步電機(jī)在直驅(qū)式抽油機(jī)中也得到應(yīng)用，文獻(xiàn)[13]對(duì)其設(shè)計(jì)計(jì)算方法、電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的分析、電機(jī)參數(shù)的優(yōu)化、齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等進(jìn)行了研究。此外，對(duì)于抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)而言，還需要關(guān)注其定轉(zhuǎn)子分段、潤(rùn)滑和密封等對(duì)性能的影響[14]。

由于綜合性能的不斷提升，永磁材料在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及，高效、節(jié)能環(huán)保、工作可靠的直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)成為石油開采領(lǐng)域的一個(gè)新增長(zhǎng)點(diǎn)，得到國內(nèi)外學(xué)者的重視。本文將結(jié)合電磁場(chǎng)理論對(duì)直驅(qū)式永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算，并結(jié)合某型樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析，為此類電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1理論分析

1.1磁場(chǎng)有限元計(jì)算

對(duì)采用永磁材料的高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)而言，有限元法是目前最適合的磁場(chǎng)計(jì)算方法。有限元法是基于變分的原理，建立對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)邊值問題泛函求極值問題，然后將連續(xù)的場(chǎng)域剖分成相連接的多個(gè)子域，就可以利用簡(jiǎn)單的插值函數(shù)來構(gòu)建每個(gè)子域的試探函數(shù)，試探函數(shù)中帶有一組未知系數(shù)，以所求場(chǎng)域的邊界條件為限制條件，通過對(duì)該代數(shù)方程組求解，即可得到邊值問題的解。

根據(jù)麥克斯韋方程，磁場(chǎng)的基本方程為

(1)

(2)

式中：μ=μ0μr，μ、μ0、μr、Hc分別為永磁體磁導(dǎo)率、真空的磁導(dǎo)率、永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率、永磁體矯頑力。

(3)

(4)

在非永磁區(qū)域Ω0等價(jià)的能量泛函極值問題為

(5)

在有限元法中，需要對(duì)求解域進(jìn)行剖分，得到對(duì)應(yīng)能量泛函極值問題的離散格式。對(duì)式(4)和(5)可以在空間域采用三棱柱單元或四面體單元進(jìn)行離散求解。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，通常為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，可以只取一對(duì)稱面，在二維空間采用三角形單元或四邊形單元進(jìn)行離散求解即可。

1.2轉(zhuǎn)矩和電壓計(jì)算

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，磁極上最好不出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，定子的各相繞組對(duì)稱分布，電樞的電阻值完全相等。若忽略漏磁通的影響，氣隙均勻分布，則各相繞組的電感值與轉(zhuǎn)子的所在位置無關(guān)，轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布狀態(tài)。那么在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q軸系)的條件下，永磁同步電動(dòng)機(jī)定子上的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩分別為[17]

(6)

式中：Φd、Ud、id、Ld分別是定子繞組d軸的磁鏈、電壓、電流、電感；Φq、Uq、iq、Lq分別是定子繞組q軸的磁鏈、電壓、電流、電感；Rs、p、T和ω為定子的電阻值、電機(jī)極對(duì)數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率。

磁鏈大小和電感大小可以通過有限元法進(jìn)行計(jì)算。顯然，式(6)是隱式方程組，需要采用迭代的數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。

2仿真分析

以額定功率為22kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，額定轉(zhuǎn)矩、額定效率、額定轉(zhuǎn)速、軸負(fù)荷、氣隙和額定電流分別為1 050N·m、≥87%、200r/min、80kN、1.5mm和42A，磁鋼牌號(hào)為N35，電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和槽數(shù)分別為32極和36槽。為了對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用有限元法對(duì)該電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析。計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)剖面磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布如圖1所示。

圖1　永磁同步電動(dòng)機(jī)剖面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖1可以看出，該電動(dòng)機(jī)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.4T，低于硅鋼片的飽和值，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)該電動(dòng)機(jī)在200r/min額定轉(zhuǎn)速、空載條件下的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。仿真從0ms開始，對(duì)300ms內(nèi)的銅耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的銅耗如圖2所示。

圖2　電動(dòng)機(jī)的銅耗仿真曲線

從圖2可以看出，在仿真初始時(shí)刻由于計(jì)算結(jié)果存在一定的動(dòng)態(tài)參數(shù)影響，銅耗最大值可達(dá)11.4kW，然后銅耗值快速降低，銅耗值在226ms達(dá)到穩(wěn)定值，在額定轉(zhuǎn)速下的銅耗均方根值為2.31kW。若不考慮鐵損，則電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的工作效率為89.5%，實(shí)際工況中電動(dòng)機(jī)的效率應(yīng)比該值略低。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果為1 009.69N·m，比額定值略低。

轉(zhuǎn)子繞組1上計(jì)算得到的電壓U1如圖3所示。電壓最大值和有效值分別為310.42V和219.46V。從圖3可以看出，繞組上的電壓波形良好，說明采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組可較好地消除電壓的畸變。

計(jì)算結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電機(jī)計(jì)算結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期值。

圖3　轉(zhuǎn)子繞組1上的電壓波形

3試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)所用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真值一致，電動(dòng)機(jī)為額定功率22kW的永磁伺服同步電動(dòng)機(jī)，采用立式安裝結(jié)構(gòu)；防爆等級(jí)為ExdIIBT4，可滿足抽油機(jī)工作的爆炸性氣體環(huán)境使用；使用鋁合金鑄造機(jī)座以提高散熱效率；采用牌號(hào)為N35的磁鋼，磁鋼的耐熱溫度為150 ℃，避免因?yàn)殡姍C(jī)的溫升造成失磁或退磁。

在大慶油田對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得的額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、軸向負(fù)荷、表面溫升和噪聲分別為22kW、1 050N·m、80.8kN、57K和72dBA。對(duì)比試驗(yàn)值與仿真值可以發(fā)現(xiàn)，額定轉(zhuǎn)矩值的計(jì)算誤差為3.84%，兩者比較一致，表明上述理論分析可較好地描述該型永磁同步電動(dòng)機(jī)。

試驗(yàn)效率與額定效率對(duì)比如圖4所示。由圖4可以看出，實(shí)際測(cè)得的電動(dòng)機(jī)效率略低于額定效率的設(shè)計(jì)值。在額定轉(zhuǎn)速200r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)效率是額定效率的0.95倍，表明該電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖4　試驗(yàn)效率與額定效率對(duì)比圖

4結(jié)論

針對(duì)抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q軸系)的條件下，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)定子上的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩方程對(duì)其進(jìn)行描述，并采用有限元法和磁鏈進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某22kW永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。對(duì)比該電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，為實(shí)現(xiàn)該型電動(dòng)機(jī)的控制提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

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TheoreticalAnalysisandExperimentalResearchforPermanentMagnetSynchronousMotorUsedforPumpingUnit

LINa1，GELijun1，ANChao2

(1.Bohai Oil Equipment Chengde Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Chengde 067000，China；2.Shaanxi Changshi Construction Engineering Limited,Xi’an 710018)

Abstract：Permanent magnet synchronous motor is growing in the field of oil drilling applications because of higher energy efficiency.The theoretical analysis is on the basis of permanent magnet synchronous motor theory and finite element method for magnetic field and the motor is tested in Daqing oil field.Simulation results and the experimental results show that the calculated results and experimental results of torque and efficiency have reached a basic agreement on the condition at the rated speed of 200 r/min.The calculation error of rated torque value is 3.84% which shows the correctness of the analysis methods.The research provides theory basis for the control and application of such permanent magnet synchronous motor.

Keywords：permanent magnet synchronous motor；finite element method；d-q shafting；pumping unit

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0061-04

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51107030)，河北省自然科學(xué)基金(E2012202070)

作者簡(jiǎn)介：李娜(1983-)，女，河北承德人，工程師，碩士研究生，主要從事石油鉆采機(jī)械的研發(fā)，E-mail：jessie_1983@126.com.

中圖分類號(hào)：TE933.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.013