修井機用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)

張炳義，劉博年，馮桂宏，丁宏龍

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，沈陽 110870)

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修井機用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)

張炳義，劉博年，馮桂宏，丁宏龍

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，沈陽 110870)

傳統(tǒng)油田修井機采用柴油機或異步電機驅(qū)動。柴油機驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率低、能耗大、污染高。異步電機和減速箱組成的驅(qū)動系統(tǒng)的功率因數(shù)低、系統(tǒng)維護復雜、噪聲大。永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，高效節(jié)能，系統(tǒng)維護簡單，噪聲低等優(yōu)點，可以解決傳統(tǒng)柴油機以及異步電機存在的問題。該系統(tǒng)還具有易于控制，運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。通過單星形與雙串星形雙繞組變換的方法實現(xiàn)電機的寬恒功率調(diào)速。采用特殊表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以削弱電機轉(zhuǎn)矩脈動。控制上采用閉環(huán)矢量控制來實現(xiàn)電機的平穩(wěn)運行以及帶載懸停等功能。

修井機；永磁電機；直驅(qū)；恒功率調(diào)速；閉環(huán)矢量控制

油田修井作業(yè)機主要是用于提升和下放油管及抽油桿，檢測和維修抽油泵，進行井口設備的安裝和起重輔助[1-2]。目前，我國的修井機驅(qū)動方式主要有2種：一種是車載柴油發(fā)動機驅(qū)動方式，另一種就是異步電機加減速箱驅(qū)動方式[3]。以柴油機為動力的傳統(tǒng)修井機通過變速機構(gòu)、角傳動機構(gòu)和卷筒減速機構(gòu)驅(qū)動鋼絲繩卷筒，以卷揚的方式實現(xiàn)修井作業(yè)功能[4-5]。柴油機在無電的情況下可以正常工作，但是空轉(zhuǎn)時間比較長，移動速度慢，工作效率低、耗能大、污染高。隨著全球性的能源價格上漲，以柴油機為動力的修井機的成本也不斷提高[6]。以異步電機為動力的修井機，整機采用車載式電驅(qū)動、變速箱機械傳動、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，與柴油機相比效率有所提高，節(jié)能，環(huán)保，成本低。但是，與永磁電機相比效率和功率因數(shù)都比較低，耗電量較大，系統(tǒng)維護復雜，噪聲大[7-12]。

永磁電機與異步電機相比具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、性能優(yōu)異、易于控制、高效節(jié)能等優(yōu)點，并且沒有減速箱，電機直接驅(qū)動滾筒，可使維護難度及費用大幅降低。因此，本文采用低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機驅(qū)動修井機。

1　油田修井機用永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)的關鍵問題

1.1載荷特性

本文基于勝利油田修井機工程實例進行永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)的設計。修井機在提起抽油桿和油管時，由于石油的粘滯力等因素，修井機在提起前幾根油管的時候需要提供更大的拉力。在工作一段時間后，由于阻力的減小，修井機就轉(zhuǎn)為工作在輕載的階段，而且修井機大部分時間都是工作在輕載階段，為了保證輕載階段工作的效率，需要將電機的轉(zhuǎn)速提高。

電機在提起重物的過程中需要穩(wěn)定運行，不能發(fā)生抖動。提起和下放重物的過程很短，電機要對控制信號作出快速的響應。由于電機在吊起重物后不能夠馬上進行下放工作，所以電機要能夠?qū)崿F(xiàn)帶載懸停。

勝利油田對修井機驅(qū)動電機在不同負載下要求的轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示。

圖1　修井機驅(qū)動電機載荷-轉(zhuǎn)速曲線

根據(jù)修井機對驅(qū)動電機的要求，確定了永磁電機的額定參數(shù)，如表1所示。

表1　修井機驅(qū)動電機額定參數(shù)

1.2永磁電機的極槽配合

修井機用驅(qū)動電機需要實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。與異步電機不同，永磁電機可以采用多極結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。多極結(jié)構(gòu)下，如果采用整數(shù)槽繞組，必將導致定子槽數(shù)過多，這樣會大幅加劇齒槽效應，從而導致轉(zhuǎn)矩脈動的加強，影響電機低速的平穩(wěn)性。而且，槽數(shù)過多必將導致定子齒寬度的減小，影響齒部飽和程度，進而影響電機性能。同時，由于槽數(shù)過多，會影響定子的機械強度。

永磁電機可以通過改變磁極形狀來調(diào)整氣隙磁場，因此，不同于異步機，永磁電機可以采用分數(shù)槽繞組。分數(shù)槽繞組能夠減小特定次數(shù)的諧波，減小齒槽效應引起的轉(zhuǎn)矩脈動，繞組跨距小，線圈端部長度可以縮短，易于下線和整形。根據(jù)修井機驅(qū)動電機的要求，本文設計的電機采用分數(shù)槽繞組，取極對數(shù)p=40，定子槽數(shù)Q=96，每極每相槽數(shù)q=0.4。

1.3永磁電機寬恒功率調(diào)速

修井機在重載工作時轉(zhuǎn)速要求40 r/min。修井機大部分時間工作在輕載情況下，修井機的轉(zhuǎn)速為128 r/min，在空鉤的時候電機需要達到的最高速度為300 r/min。電機需要滿足0 ～300 r/min的轉(zhuǎn)速變化范圍，同時還需要滿足一定的轉(zhuǎn)矩輸出，保證重物能夠被提起。在轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時與變頻器配合進行弱磁擴速。但是永磁電機弱磁擴速的范圍是有一定限制的，若想增加電機擴速的需求，同時滿足轉(zhuǎn)矩需求，就要增加電機的功率、電壓等級以及變頻器的容量，但是，現(xiàn)場對電機的功率以及電壓等級要求是有一定限制的。因此，本文采用一臺電機雙繞組結(jié)構(gòu)的方法來進行寬恒功率調(diào)速，不增加電機和變頻器的功率實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的升高。

本文采取了單星形和串星形雙繞組接法相切換實現(xiàn)電機的寬恒功率調(diào)速。分為兩個擋位，輕載時將額定轉(zhuǎn)速定在128 r/min，重載時將額定轉(zhuǎn)速定在64 r/min。

本文在進行電機設計時，將并聯(lián)支路數(shù)設計為a=4，從單元電機的角度來看，可以看成該電機是由4臺單元電機來組成的。通過4條并聯(lián)支路的不同組合實現(xiàn)繞組連接方式的改變。

串星形繞組接法如圖2，單星形繞組接法如圖3所示。

圖2　串星形繞組接法

圖3　單星形繞組接法

電機的繞組工程控制圖如圖4所示，PLC控制檔位切換梯形圖如圖5所示。低速擋10.0閉合時，Q0.0得電，K1、K3、K5閉合，K2、K4斷開，電機繞組連接方式為串星形，電機工作在低速擋。高速擋10.1閉合時，K2、K4閉合，K1、K3、K5斷開時，電機繞組連接方式為單星形，電機工作在高速擋。

圖4　電機繞組工程控制圖

圖5　擋位切換梯形圖

所謂的串星形繞組，就是將兩條支路先進行串聯(lián)，再將串聯(lián)的兩條支路進行并聯(lián)，如圖2所示，此時的并聯(lián)支路數(shù)a=2。單星形繞組的接法如圖3所示。根據(jù)電機的空載反電勢公式，當電機轉(zhuǎn)速升高時，電機的反電勢也會相應的增高，而變頻器的容量是一定的，變頻器所允許的電壓和電流是一定的，電機的反電勢升高是有一定的極限的，變頻器需要增大電機的直軸去磁電流來減小磁密，從而減小反電勢。直軸電流的增加會導致電機電流的增加，而變頻器允許的電流值是有一定限制的，因此電機的轉(zhuǎn)速升高就會受到限制。從圖2～3可以看出電機串星形繞組的匝數(shù)是單星形繞組的2倍，根據(jù)電機反電勢公式可以得出，在相同的轉(zhuǎn)速情況下單星形繞組所產(chǎn)生的反電勢是串星形繞組所產(chǎn)生的反電勢的1/2。因此，單星形繞組可以將轉(zhuǎn)速提高2倍，此時的反電勢才與串星形繞組所產(chǎn)生的反電勢相同，也就實現(xiàn)了電機的擴速。雖然這種做法會影響電機的轉(zhuǎn)矩輸出，但是由于電機在高速狀態(tài)下是輕載運行，所以不會影響修井機正常工作。

1.4環(huán)流的避免

以A相為例，電機的4條并聯(lián)支路在定子上是沿著圓周均勻分布的，如圖6所示。

圖6　A相繞組支路分布示意

電機在單星繞組連接時，實際上只是將電機的一半繞組接入電網(wǎng)，也就是說只有一半電機在工作。在選擇工作繞組時，如果選擇相鄰的兩條支路，由于電機只有一半繞組通電，另一半繞組不通電，這樣電機在轉(zhuǎn)動時就會受到單邊磁拉力的影響而使轉(zhuǎn)子偏心，影響電機運行的平穩(wěn)性。為減小單邊磁拉力的影響，在選取工作繞組時，選取相對的兩條支路作為工作繞組，這樣電機轉(zhuǎn)子兩邊所受拉力對稱，可以減小單邊磁拉力的影響。連接方式如圖3所示。

另外，電機在串星形繞組連接時，如果將相鄰兩條支路進行串聯(lián)，再將串聯(lián)的兩條支路并聯(lián)，由于制造時不能保證轉(zhuǎn)子與定子嚴格的同心，以及電機加工上的其它偏差，會導致兩條并聯(lián)支路上的電勢不是完全相等，這樣在兩條并聯(lián)支路間就會產(chǎn)生環(huán)流。為了削弱環(huán)流的產(chǎn)生，在串星形接法時將電機相對的兩條支路進行串聯(lián)，再將兩條支路并聯(lián)，這樣可以使兩條并聯(lián)支路對稱度增加，減小環(huán)流作用。具體連接方法如圖2所示。

2　永磁電機仿真分析

本文采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體磁鋼表面的弧度與轉(zhuǎn)子圓心偏心，構(gòu)成不均勻氣隙，由于磁鋼兩邊厚度較小而中間的厚度較大，導致磁鋼中間的磁場強于磁鋼兩邊的磁場，這樣就會使氣隙磁密波形更加接近正弦波，減小氣隙磁密的諧波含量，減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，使電機性能更加穩(wěn)定。

本文通過ANSOFT有限元軟件對所設計的電機進行仿真，分析電機的性能參數(shù)。

電機的空載反電勢波形如圖7所示。

從電機的反電勢波形可以看出，由于磁鋼兩邊的厚度偏小而中間厚度偏大，空載反電勢受氣隙磁密波形的影響，其波形正弦度很好，并無明顯的畸變，電機的平穩(wěn)性更好。

圖7　電機的空載反電勢波形

使用Matlab軟件對常規(guī)表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及本文所采用的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機氣隙磁密波形進行傅里葉分解，得到了兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波所占百分比對比圖，如圖8所示。

圖8　氣隙磁密諧波百分比

對兩種結(jié)構(gòu)的空載反電勢進行傅里葉分解得到圖9，可以從圖中看出，本文采用的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反電勢諧波含量相比于普通表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反電勢諧波含量有所減少，諧波含量減少一方面可以減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，另一方面也能夠減少電機永磁體上的渦流損耗。

圖9　空載反電勢諧波百分比

從圖8中可以很清晰地看出，本文采用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波含量明顯小于常規(guī)表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密諧波含量。

3　閉環(huán)矢量控制以及帶載懸停的實現(xiàn)

修井機工作時驅(qū)動電機需要平穩(wěn)的運行，不可以產(chǎn)生抖動。傳統(tǒng)修井機在將重物吊起后需要使用機械抱閘來保證重物的懸停，由于修井機是在轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下被機械抱閘抱死，因此，會影響機械抱閘的使用壽命。

本文采用匯川變頻器來對電機進行控制，控制方式采用閉環(huán)矢量控制，電機工作在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時采用的是id=0的控制方式，單位電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，當電機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時采用的是弱磁控制，增大直軸去磁電流，保證電壓的平衡，達到擴速的目的。

當變頻器頻率為0時，變頻器會對相繞組輸入直流電，使電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩來克服重物的重力，實現(xiàn)電機帶載懸停，然后再用機械抱閘抱死，這樣可以增加機械抱閘的使用壽命。

永磁電機控制電路圖如圖10所示。

圖10　永磁電機控制電路圖

工作人員通過手柄來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，手柄的信號輸入到PLC，PLC進而改變變頻器的輸出頻率等參數(shù)進而改變電機的轉(zhuǎn)速。永磁電機中裝有編碼器，反饋電機的參數(shù)給變頻器，進行閉環(huán)控制。

4　樣機試驗研究

修井機用永磁電機的樣機已經(jīng)在勝利油田進行試驗，圖11是油田修井機低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機的實物圖。圖12是修井機控制柜實物圖。

圖11　永磁電機實物圖

圖12　控制柜實物圖

試驗時，采用不同質(zhì)量的配重塊來模擬修井機在油田工作時的不同負載。根據(jù)油田修井機的實際工作狀況，采用短時反復工作制，測量電機的實際轉(zhuǎn)速，工作電流，以及溫升情況。

電機的理論轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖13所示，電機的實際轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖14所示。

負載實際上就是大鉤所提升配重塊的質(zhì)量。在高速擋的工作狀態(tài)下，電機可以滿足修井機的實際要求，在指定的負載下達到所要求的速度。電機額定電流180 A，工作時電機電流在200 A左右，最高為206 A，在合理范圍之內(nèi)。在環(huán)境溫度28 ℃，長時間運行的過程中，電機的溫度沒有超過60 ℃。與變頻器相配合，電機在整個運行過程中并無抖動現(xiàn)象，運行平穩(wěn)，可以實現(xiàn)帶載懸停，因此電機在高速擋是可以正常穩(wěn)定工作的。

圖13　電機理論轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖14　電機實際轉(zhuǎn)矩特性曲線

在實際工作中，電機帶動600 kN負載是極其少有的情況，電機的重載情況主要是300 kN以及400 kN負載，此時電機工作在低速擋狀態(tài)。而且，修井機工作在重載的時間很短，所以只是進行了短時間的帶載試驗。經(jīng)過試驗，電機可以輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，并能夠滿足一定的轉(zhuǎn)速。額定電流為180 A，電機在負載600 kN時電流達到214 A，在300 kN以及400 kN負載時電流為208 A和210 A，由于重載工作時間較短，所以該電流是可以接受的。在環(huán)境溫度為28 ℃，短時間工作的情況下，電機的溫升可以穩(wěn)定在60 ℃左右。電機在整個運行過程中并沒有抖動的情況發(fā)生，可以平穩(wěn)地進行工作。

5　結(jié)論

1)本文通過對油田修井機低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)的設計、仿真分析以及現(xiàn)場試驗，認為該系統(tǒng)可以很好地替代傳統(tǒng)的修井機驅(qū)動系統(tǒng)。

2)采用多極結(jié)構(gòu)，分數(shù)槽繞組，能夠滿足電機的轉(zhuǎn)矩要求，使電機穩(wěn)定的運行。

3)采用單星與串星相結(jié)合的繞組結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了擴展電機的恒功率調(diào)速范圍，使電機可以達到更高的轉(zhuǎn)速，電機的電流得到了很好地控制，在運行中保持在合理的范圍之內(nèi)。

4)通過繞組對稱連接方式，削弱了環(huán)流以及單邊磁拉力的影響。

5)將磁鋼加工成特殊形狀，采用不均勻氣隙，通過有限元軟件進行仿真分析，空載反電勢波形正弦度好，與傳統(tǒng)表貼式相比，氣隙磁密以及反電勢諧波有明顯減少，可以使電機穩(wěn)定運行。

6)采用變頻器對電機進行閉環(huán)矢量控制，電機運行平穩(wěn)，響應速度快。不需要機械抱閘，電機可以實現(xiàn)帶載懸停。

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Low-speed and High-torque Permanent Magnetic Motor Direct Drive System for Oil Field Workover

ZHANG Bingyi，LIU Bonian，F(xiàn)ENG Guihong，DING Honglong

(School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The traditional oil field workover adopts a diesel engine or asynchronous motor as the drive.The diesel engine driving system has low efficiency，high energy consumption and high pollution.The drive system of the induction motor with the gearbox has low power factor，system maintenance is complex and the noise is large.Permanent magnetic motor direct drive system has the advantages of simple structure，high efficiency and energy saving，system maintenance is simple and the noise is low.Permanent magnetic motor direct drive system can solve the problem of traditional diesel engine and asynchronous machine.At the same time，the system also has the advantages of easy control and stable operation.The wide range of constant power expansion of the motor is realized by using the transformation of single star winding and double star winding.The torque ripple of the motor can be reduced by using a special form of surface mounted rotor structure.The closed-loop vector control is adopted to realize the stable running of the motor and the function of cease with load.

workover；permanent magnetic motor；direct drive；constant power expansion；closed loop vector control

1001-3482(2016)05-0047-06

2015-11-10

張炳義(1954-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導師，主要研究領域為機械裝備低速大轉(zhuǎn)矩及低壓、低速大功率永磁電機直驅(qū)系統(tǒng)。

TE935

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.010