DBZJ-Z系列永磁直驅(qū)電動鉆機的性能和經(jīng)濟性分析

袁文超

(江蘇煤炭地質(zhì)勘探三隊，江蘇常州 213017)

0 引言

永磁直驅(qū)電動鉆機通過永磁同步電機變頻控制直驅(qū)技術(shù)對傳統(tǒng)深井鉆機的創(chuàng)新性改革，實現(xiàn)電機與絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等大功率主體設(shè)備無齒直聯(lián)，減少了大量的傳動裝置與變速減速機構(gòu)，使鉆機整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時，憑借永磁同步電機本身的高效、高功率因數(shù)的特性，該類型裝備具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。傳統(tǒng)深井鉆機多以大功率三相異步電機作為絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等主要設(shè)備的驅(qū)動裝置，不僅傳動效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且維護費用及能耗較高，兩者的運行維護成本、運輸成本等方面也相差甚遠。由于異步電機與永磁同步電機的差異以及永磁同步電機在工程應(yīng)用中的實際優(yōu)勢，結(jié)合地勘單位轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展的需要，以及綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的要求，對高功耗、高運行成本的傳統(tǒng)深井鉆機的改造勢在必行。

1 永磁同步電機的性能優(yōu)勢

常規(guī)三相異步電機在低速段不穩(wěn)定，如果負載轉(zhuǎn)矩大于啟動轉(zhuǎn)矩會造成電機停轉(zhuǎn)，不加保護甚至?xí)龎碾姍C繞組。根據(jù)異步電機功率及效率曲線可知，電機在低速段及高速段效率和功率因數(shù)均較低，且隨負載變化較大[1]，如圖1所示。

圖1 永磁同步電機與異步電機特性比較

稀土永磁電機是20世紀70年代初期出現(xiàn)的一種新型永磁電機，其電機轉(zhuǎn)子采用釹鐵硼稀土永磁體，不需要勵磁線圈[2]，通過幾代改進，性能更加穩(wěn)定，其效率及功率因數(shù)較高且隨負載變化較小[3]。與三相異步電機相比，稀土永磁電機具有效率高、省電、體積小、噪聲低、維護維修成本低的優(yōu)點[4]。

稀土永磁同步電機結(jié)合變頻控制技術(shù)的發(fā)展，其節(jié)能顯著及特性良好的表現(xiàn)使得其在深井鉆機的應(yīng)用成為可能[5]。其超高的安全性和可靠性來自于伺服驅(qū)動器內(nèi)部完整的速度閉環(huán)控制，因此具備過流保護功能，不會出現(xiàn)沖擊電流和由于滑差振動導(dǎo)致退磁、失磁現(xiàn)象。永磁同步電機為低速大轉(zhuǎn)矩電機，定子磁場旋轉(zhuǎn)速度相比異步電動機要慢得多(永磁同步電機為40～100極，異步電機為4～8極)，同時永磁同步電機轉(zhuǎn)子相鄰兩個磁極的磁力線是完全閉合的，對外不顯磁性，因此對于井下定向工具儀器的地面磁干擾遠小于異步電動機的干擾，甚至可以忽略不計。由于永磁同步電機采用直驅(qū)機構(gòu)，沒有減速箱傳動環(huán)節(jié)，不需要進行傳動機構(gòu)的維護保養(yǎng)，總體上使得鉆機運行期間故障率大幅度減小。此外，在整個鉆機的使用周期中，永磁同步電機的采購和后期維護費用遠低于交流異步電機加減速箱驅(qū)動的費用。

總體來講，永磁同步電機具有以下優(yōu)勢：①電機輸出特性曲線(功率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系)與負載特性接近，負載率越高電機效率越高，節(jié)能效果更好；②永磁電機本身的效率特性好，基本不受轉(zhuǎn)速與負載的影響，低負載率時效率和功率因數(shù)變化小，電機電流小，不增加功耗；③永磁電機由于轉(zhuǎn)子自有磁場，無需勵磁，可做成多極，繞組端部短，用銅少，電機長度短，重量輕，銅耗小，進一步節(jié)省電機成本；④永磁電機可做成多支路，按需所取，提高負載率，適配動力需求不同的裝備；⑤采用雙頻技術(shù)拓寬永磁電機高速調(diào)速范圍，克服永磁電機反電勢對控制的影響，進一步增強可控性和安全性；⑥永磁電機多極設(shè)計，額定轉(zhuǎn)速一定的情況下，額定頻率高，變頻器驅(qū)動特性好,易于控制、穩(wěn)定性好；⑦永磁同步電機無轉(zhuǎn)子滑差，速度準確、控制精度高、摩阻小、溫升低，不易失磁，進一步提升電機使用壽命，從而降低成本；⑧電動機額定功率貼近負載所需功率，匹配變頻器容量小，價格低，變頻器損耗小，電纜規(guī)格小，成本低。

2 永磁電動鉆機的性能優(yōu)勢

傳統(tǒng)的鉆機絞車是異步電機通過減速傳動機構(gòu)將動力傳給絞車、轉(zhuǎn)盤，或通過分動箱將動力分別傳給絞車、轉(zhuǎn)盤，用盤剎或帶剎控制下鉆，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。此外，異步電機在低負載率下的功率因數(shù)較低，且大部分時間實際需要的功率只有額定功率的5%左右。

永磁同步電機可精準控制，伺服驅(qū)動器可以通過控制電機轉(zhuǎn)子位移和正負力矩閉環(huán)平衡達到制動或鎖定的效果。該功能可以智能化地控制絞車的運行和懸停，在電子司鉆控制或人工控制鉆進的情況下，起下鉆作業(yè)中最大限度地避免了溜鉆、頓鉆、制動失效和頂天車等惡性事故的發(fā)生。在該功能支持下，不用額外增加其他裝置就能實現(xiàn)主電機送鉆懸停功能，且在正常工作時不用盤式剎車或電磁渦流剎車，這樣不僅提升了整體鉆進效率，還大大增強了裝備的安全性。

施工中泥漿泵的用電量占整個井場用電的70%以上，用永磁電機直驅(qū)方式省去了皮帶輪等傳動機構(gòu)，可實現(xiàn)軟啟動，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，從而節(jié)約了更換缸套的維護時間，進一步提升作業(yè)效率。

由于使用永磁電機直驅(qū)，不需離合器和變速箱，實現(xiàn)了無齒輪傳動。采用能耗制動和變頻控制下鉆速度，省去了盤剎或帶剎。利用永磁電機的發(fā)電功能和控制系統(tǒng)的共直流母線技術(shù)控制鉆具的下放速度，將鉆具下放的勢能轉(zhuǎn)化為電能，并可將所發(fā)電能回饋電網(wǎng)，或蓄電自用。提下鉆和送鉆用一套傳動系統(tǒng)，可實現(xiàn)絞車高精度送鉆和自動送鉆功能(恒速和恒壓送鉆)。

正、反轉(zhuǎn)控制自如，既簡化了設(shè)計、方便了操作，又延長了部分設(shè)備的使用壽命(如泥漿泵定期正反轉(zhuǎn)，可以使動力端運行更好，齒輪副壽命更長)，降低了鉆機的運行成本?？梢詫崿F(xiàn)自動上卸扣、定向鉆進時防止鉆具粘卡、正反向等幅、等時擺動；根據(jù)鉆井工程師的指令轉(zhuǎn)盤正反向不等幅、不等時長擺動實現(xiàn)隨路、隨時糾正方位。定向作業(yè)時轉(zhuǎn)盤及頂驅(qū)控制鉆具左右擺動防止粘卡、隨路隨時修正方位。

絞車直接驅(qū)動，沒有減速箱和離合器，這對鉆機減重和提高性能有很大幫助，適合在高原鉆進，提高鉆進效率。絞車沒有減速箱，不需要潤滑系統(tǒng)，也就沒有了潤滑油泄漏造成環(huán)境污染的風(fēng)險，節(jié)約了維護保養(yǎng)的人力和物力。

永磁電機伺服驅(qū)動器預(yù)留有安裝雙向信息傳輸模塊的空間，也可以為遠程傳輸、記錄設(shè)備提供接口。這使得遠程傳輸、遠程診斷和遠程控制成為現(xiàn)實，進一步提升信息化、數(shù)字化的能力。

智能控制系統(tǒng)可以遠程回傳現(xiàn)場的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員對現(xiàn)場的預(yù)判提供數(shù)據(jù)的支撐。智能系統(tǒng)可以遠程OTA對固件升級或開通功能，還可以對設(shè)備狀態(tài)定義。

3 鉆機的經(jīng)濟性分析

永磁直驅(qū)電動鉆機采用高效永磁電機作為頂驅(qū)、絞車及泥漿泵的驅(qū)動設(shè)備，相比于采用異步電機的傳統(tǒng)鉆機，節(jié)電效果顯著。本文對DBZJ系列傳統(tǒng)鉆機與對應(yīng)型號的DBZJ-Z永磁直驅(qū)系列鉆機的耗電費用進行了對比，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)鉆機與永磁直驅(qū)電動鉆機耗電費用對比

從表1中可以看出，永磁直驅(qū)電動鉆機的節(jié)能效果非常顯著，這對于控制施工成本大有裨益。而且還可以看出，隨著電機型號的增大耗電費用差距越來越大，節(jié)能效果基本維持在30%左右。

傳統(tǒng)鉆機的絞車及泥漿泵均采用電機—減速機構(gòu)—執(zhí)行機構(gòu)的連接方式，正是因為減速機構(gòu)的存在使得鉆機整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行維護費用居高不下。在鉆機完整的一次施工搬遷過程中，運輸成本無疑是施工成本核算中重要的一項內(nèi)容，盡可能地減少鉆機機構(gòu)部件數(shù)量是減少運輸成本的關(guān)鍵，同時緊湊的直驅(qū)鉆機占地面積小，安全通道多，便于維護。

對比傳統(tǒng)鉆機，永磁直驅(qū)電動鉆機絞車及泥漿泵采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)，從而省去了中間龐大、復(fù)雜的減速機構(gòu)及附屬設(shè)備，這對于減輕鉆機整體重量及降低運輸成本有著非常重要的意義。本文對DBZJ系列傳統(tǒng)鉆機與對應(yīng)型號的DBZJ-Z系列永磁直驅(qū)鉆機的運輸費用進行了對比，如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著鉆機型號增大運輸成本越來越節(jié)省，這對于成本控制有著重要的影響。

表2 傳統(tǒng)鉆機與永磁直驅(qū)電動鉆機運輸費用對比

永磁直驅(qū)電動鉆機結(jié)構(gòu)緊湊，在節(jié)省運輸費用的同時也節(jié)省了材料成本，包括鋼材、傳動部件、潤滑油、維修件等。本文對永磁直驅(qū)鉆機的材料節(jié)省費用進行了統(tǒng)計，如表3所示。

表3 永磁直驅(qū)電動鉆機材料節(jié)省費用統(tǒng)計

從表3中可以看出，永磁直驅(qū)電動鉆機在材料費用節(jié)省方面顯著，尤其是用在更大的裝備上，提升的效率更高。

永磁直驅(qū)電動鉆機采用頂驅(qū)鉆進，施工中進一步提高了鉆進效率，并減少了設(shè)備維護，同時也降低了工作量，人員費用的節(jié)省同樣也是節(jié)省施工成本的關(guān)鍵因素之一。與此同時，減少了施工時的安全隱患，對于地勘單位來說，在降低工作強度的同時，增加了員工作業(yè)的安全性和舒適性，進一步提升員工能動性，這些都是潛在的經(jīng)濟效益。

永磁直驅(qū)電動鉆機采用一體化司鉆座椅，所有基本功能均可通過手柄及功能按鈕實現(xiàn)，相對于換擋式傳統(tǒng)鉆機有著不可比擬的優(yōu)勢。鉆機所有需要被監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息均可在顯示屏幕上得以顯示和實時交換，操作、監(jiān)控一應(yīng)俱全，司鉆易學(xué)易上手，這是地勘裝備轉(zhuǎn)型升級、智能提升的體現(xiàn)。

4 結(jié)語

永磁直驅(qū)電動鉆機是可靠性高、能應(yīng)對復(fù)雜井況、操作簡單、技術(shù)先進、節(jié)能環(huán)保的新一代鉆井裝備，是用低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電機直接驅(qū)動絞車、轉(zhuǎn)盤(頂驅(qū))和泥漿泵，并進行智能控制的系列裝備，實現(xiàn)機械設(shè)備間的無齒輪傳動，簡化了鉆機結(jié)構(gòu)，減輕了鉆機重量，提高了傳動效率，減少了使用維護成本，平均可節(jié)約電能30%以上，是地勘單位轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展的理想裝備。