張國良

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶163413）

1 引言

傳統(tǒng)的絞車一般采用交流異步電動機通過變速箱驅(qū)動，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，效率低。解決問題的最直接方法是直驅(qū)絞車技術(shù)，但同時對絞車電機提出了低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩等更高的要求。針對這一課題，我們進行長達1 a的試驗分析，最終確定使用稀土永磁同步電動機作為絞車電機，使用西門子S120變頻調(diào)速系統(tǒng)進行控制的解決方案。

該套裝置于2011年5月初在大慶10523鉆井隊使用10 口井，對絞車的井架起升和下放工況、起下鉆工況、能耗制動工作情況、自動送鉆工作情況等項目進行了工業(yè)性試驗。試驗驗證：主要設(shè)計目標達到了現(xiàn)場使用的要求，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，增加了控制精度，提高了傳動效率，降低了能耗。

2 電機技術(shù)分析

稀土永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是由永磁環(huán)經(jīng)過多級充磁后制成，定子是由帶齒的磁極加上集中繞組構(gòu)成。而稀土永磁材料具有很高的磁能級，其剩磁也特別高，從而可縮小電動機的體積，提高工效。

下面分析稀土永磁同步電機同其它電機比較的優(yōu)缺點。

稀土永磁同步電動機的啟動力矩、過載能力和效率均比三相異步電動機高，如表1所示。

表1 稀土永磁同步電機與異步電機比較Tab.1 Comparison between REPMSM and synchronous motor

稀土永磁同步電動機具有體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，如表2所示。

表2 稀土永磁式與電磁式同步電機比較Tab.2 Comparison between REPMSM and electromagnetic synchronous motor

稀土永磁同步電動機功率因數(shù)要比異步電動機的高，與電勵磁的同步電動機相比節(jié)省直流電流，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠的優(yōu)點。因此，對鉆機絞車的負載工況節(jié)能效果十分顯著。

經(jīng)試驗分析、數(shù)據(jù)計算，最終確定采用的稀土永磁同步電機（TYCD-TC-320）參數(shù)為：額定頻率36.7 Hz，額定功率320 kW，防護等級IP54，額定電壓三相AC 600 V，絕緣等級H 級，額定電流428 A，極數(shù)40，額定轉(zhuǎn)速110 r/min，效率95%，最高轉(zhuǎn)速260 r/min，重量6 400 kg。

3 電機控制技術(shù)分析

3.1 變頻調(diào)速控制原理

圖1 顯示了1 臺永磁同步電機的電路圖（單相）。永磁同步電機具有一個永久磁場。因此，一旦轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，電機就會產(chǎn)生一個電壓。定子繞組中因轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而感應的EMF（電磁力）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。

圖1 永磁同步電機內(nèi)部電路模擬圖Fig.1 The circuit diagram of permanent magnet synchronous motor

圖2顯示額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變頻器的輸出電壓V與轉(zhuǎn)速成正比，EMF也與轉(zhuǎn)速成正比，在變頻器的輸出電壓V與電機的EMF之間保持平衡，ΔV=0。

圖2 電磁力、電機電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Fig.2 The curves of EMF，voltage and speed

在電機的額定轉(zhuǎn)速以上，變頻器輸出電壓V保持恒定，但電機的EMF 仍隨轉(zhuǎn)速成正比增加。變頻器必須輸出電壓與弱磁范圍內(nèi)較高的電機EMF 之間的平衡，除了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的有功電流之外，還必須通過變頻器向定子繞組補充無功電流，削弱由轉(zhuǎn)子感應而生成的磁場，并通過產(chǎn)生電壓ΔV 來保持電機中的電壓平衡。弱磁范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速越高，需要的弱磁無功電流就必須越大。因此在深度弱磁范圍內(nèi)運行時，需要選擇更大功率等級的變頻器。

3.2 變頻調(diào)速方案

由稀土永磁同步電機參數(shù)可以看出，電機的額定轉(zhuǎn)速為110 r/min，恒功率最高轉(zhuǎn)速為260 r/min，最高轉(zhuǎn)速為300 r/min，因此如果要求電機運行在260 r/min，必須進行深度弱磁，弱磁深度為額定轉(zhuǎn)速的2.37倍。如果運行在300 r/min，則弱磁深度為額定轉(zhuǎn)速的3.73倍。如此深度的弱磁在變頻器故障時，變頻器的補償電壓ΔV 消失，運轉(zhuǎn)的電機就會產(chǎn)生一個與速度成正比的電壓，這么高的電壓加到變頻器上，會瞬間損壞變頻器，為了避免此類故障的產(chǎn)生，增大了變頻器的功率，也增加了制動單元的容量，在變頻器的輸出端增加了輸出接觸器用以斷開故障時變頻器與電機的連接，同時將電機的最高轉(zhuǎn)速限制在246 r/min范圍內(nèi)，以減少深度弱磁情況下的風險。另外永磁同步電機的控制必須采用有編碼器反饋的控制方案，在無編碼器速度反饋時幾乎不可用。具體選型方案見表3。

表3 變頻器的參數(shù)Tab.3 The parameter of frequency converter

4 現(xiàn)場應用情況

2011 年5 月初，稀土永磁同步電機投入正式使用，測試結(jié)果表明，所有項目均滿足設(shè)計要求。在井架起升和下放工況、起下鉆工況、自動送鉆、能耗制動等試驗都達到了施工需要，無異常現(xiàn)象，如表4所示。

表4 電機現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)Tab.4 Motor testing

5 結(jié)論

本系統(tǒng)充分考慮了稀土永磁同步電機和絞車電力拖動系統(tǒng)的特點，使用西門子SINAMICS-S120變頻器，選擇矢量控制方式和最大轉(zhuǎn)矩控制方法，對轉(zhuǎn)矩擾動和速度擾動都有良好的動態(tài)性能，特別是具有良好的低速性能，實現(xiàn)了絞車無減速箱傳動，滿足了絞車電力拖動的要求。

不足之處：永磁同步電機由于存在深度弱磁控制的不足，可以考慮通過增加永磁同步電機的額定轉(zhuǎn)速，使弱磁深度降到2倍以內(nèi)的方法解決。

［1］李鐘明，劉衛(wèi)國，劉景林.稀土永磁電機［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

［2］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］孫善華，陳麗香，安忠良，等.稀土永磁同步電動機在水泵變頻調(diào)速中的應用［J］.沈陽工業(yè)大學學報，2005，27（2）：167-169.