永磁电机在钻井装备中的应用探讨

于兴军,魏培静,丛万生,张青锋,严小妮,田凤仙

(宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡 721002)

永磁电机在钻井装备中的应用探讨

于兴军,魏培静,丛万生,张青锋,严小妮,田凤仙

(宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡 721002)

永磁电机具有体积小、质量轻、效率高,可提供低速大扭矩输出特性等优点,已被广泛应用。对目前几种永磁电机的性能特点进行了阐述,并结合钻井装备的工况进行了对比匹配分析,提出了研制永磁电机直驱式泥浆泵的可行性。针对永磁电机应用到钻井装备中必须解决的几项关键技术提出了建议。

永磁电机;钻井装备;泥浆泵;直驱;同步调速

Abstract:The Permanent Magnet Motor(PM motor)has been used widely during many industrial field because there are many merits,such as small cubage,little weight,high efficiency and the characteristic of big torque but low speed.The comparison about the characteristic during such PM motors was made.The matching status between the PM motor and the drilling equipment was analyzed.According to the comparison,it can draw the conclusion that it is viable that the mud pump is driven by the PM motor directly.Finally,a few suggestions about the key technology was put forward during the developing process of the drilling equipment which driven by the PM motor directly.

Key words:permanent magnet motor;drilling equipment;mud pump;driven directly;synchronous timing

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场,可以有两种方法:一种是在电机绕组内通电流产生,即感应电机,如鼠笼式异步电机;另一种是由永磁体来产生磁场,即永磁电机。

1 钻井装备采用永磁电机作动力的优势[1-3]

a) 高效节能 永磁电机不需要定子无功励磁电流产生励磁磁场,可减少定子绕组损耗。据相关资料统计,永磁电机额定效率较感应电机可提高5%左右。感应电机的经济运行范围一般为额定负载的60%～100%,而永磁电机在25%～120%额定负载范围内都有较高的效率。因此,利用永磁电机效率高、经济运行范围宽的特性可减少钻井系统的电力消耗。

b) 低速大扭矩输出特性 感应电机起动转矩倍数较小,钻井设备需选择大容量的感应电机满足设备启动要求,而到了正常运行状态后,电机又处于轻载运行状态,效率和功率因数均较低(大马拉小车)。永磁电机大扭矩特性符合了石油钻井工况起动转矩大的特性,而且低速特性使直接驱动成为可能,取消了齿轮箱等传动机构,减小设备的体积、质量及维护工作。因此,低速大扭矩是永磁电机应用于石油钻井装备的最大优势之一。

c) 体积小质量轻结构形式配置灵活 永磁材料具有高剩余磁感应强度和矫顽力,可提供很高的磁负荷,使电机尺寸缩小。感应电机的齿槽结构约束着磁负荷和电负荷的关系,过高的磁负荷将减小放置绕组的空间,成为实现高功率密度的瓶颈。此外,永磁电机结构形式具有很强的灵活性,其长度L与电机直径D的配比关系为:L=(0.1～3.5)D,而感应电机一般L=1.5D。

2 永磁电机在钻井装备中的应用现状

鉴于永磁电机的上述优点,目前,国外一些公司已将永磁电机应用到石油钻井装备中。NOV公司的12-P-160型泥浆泵应用2台永磁电机进行直驱,功率可达1 176 kW(1 600 hp),采用该驱动方式后,泥浆泵总体积及质量均减少20%,如图1所示;TESCO公司的500/600 ECI 900和500/600 ECI 1350型顶驱也分别应用了美国DRS公司的2台和3台PA44型永磁电机驱动,功率达662 kW(900 hp)和992 kW(1 350 hp),电机体积较原交流电机也有所降低,如图2。

图1 NOV公司永磁电机直驱式泥浆泵

国内,我国胜利石油管理局也曾对外转子一体式绞车进行了研发工作。如图3所示[4],驱动电机安装于绞车滚筒外侧,该电机的转子外置于绞车滚筒轴两端,并与滚筒同轴固定。电机的转子与绞车滚筒共用1套(2个)轴承支撑。驱动电机定子直接固定在绞车两侧的轴承座上,绞车滚筒一侧装单盘式刹车盘,另一侧安装用于应急驱动和自动送钻的齿圈。这种驱动电机和绞车滚筒紧密结合形成一体化的电驱动绞车,转子与绞车滚筒同轴,中间无任何减速和传动装置,减轻了质量,并减少了日常维护工作。

图2 DRS公司PA44永磁电机

图3 外转子一体式绞车

3 几种永磁电机在钻井装备中的适用性[5]

3.1 永磁直流电动机

永磁直流电动机是将普通直流电动机励磁绕组和磁极铁心用永磁磁极代替,但仍需电刷换向,其特性类似于他励直流电机。同绕组感应式直流电机一样,电机电刷换向会产生火花,这一弊端仍没有克服。

3.2 永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机电枢绕组位于定子,永磁体固定于转子(与永磁直流电机不同),根据转子永磁磁极的位置确定定子绕组的导通状态,使电机产生稳定连续的电磁转矩。永磁无刷直流电机用电子换向装置代替了永磁直流电机的机械换向装置,解决了换向火花的问题。该种电机转子旋转时,在定子上产生的反电动势波形为梯形波,为产生恒定力矩,要求定子电枢绕阻中驱动电流为梯形波,进而造成了转矩脉动现象,这是永磁无刷直流电机存在的突出问题,对钻井装备的寿命以及现场操作十分不利。

3.3 异步启动永磁同步电机

该电机依靠定子旋转磁场与笼型转子(具有起动绕组或具有启动作用的整体铁心)相互作用产生的异步转矩实现起动。当起动完成正常运行时,笼型转子不再起作用,转子依靠永磁体产生的磁场运行在同步转速。异步启动永磁同步电机具有自启动能力,可直接在电网上运行。这种电机常用于无需调速的设备中,例如纺织机械、水泵等(例如国家稀土永磁电机工程技术研究中心研制的1 120 kW异步启动高效稀土永磁电机,目前正用于大功率水泵中),但不太适合应用在需经常调速的石油钻井装备中。

3.4 调速永磁同步电动机

该电机定子具有多相绕组,转子安装永磁体,当转子旋转时,在定子上产生的反电动势波形为正弦波,则定子绕组供电电流为正弦波时电机可产生连续稳定的输出力矩,相对于梯形波电流驱动的永磁无刷直流电机,调速永磁同步电机克服了输出力矩脉动的不利因素。由变频器控制的调速永磁同步电机可获得良好的调速性能、转矩平稳性能和动态响应性能。

综上所述,在钻井装备中应用永磁电机作为动力,调速永磁同步电机比其他几种永磁电机更具优势。

4 永磁同步电机与钻井装备特性匹配

永磁电机应用于钻井装备的最大优势之一是直驱。为了实现直驱,首先应研究各钻井装备输入特性与永磁同步电机输出特性的匹配问题。

目前,常规绞车、转盘、顶驱电机的工作状态通常涵盖了恒扭区、恒功区、降功区3个工况区,如图4所示。恒扭区内,可利用电机和变频器过载特性实现井下事故处理或下套管等工作,满足钻机最大载荷的要求。在恒功区和降功区实施正常钻井作业,并可以接近最大钩速解空吊卡等操作。考虑到减速机构的传动关系,经转化可得到钻井设备输入轴输入特性,即:将常规电机输出转速降低i倍,扭矩增大i倍(i为减速比),但仍然具有上述3个区域。

常规泥浆泵电机虽然也具有3个工况区的工作能力,但是在实际工作过程中,仅仅利用到了其恒转矩区,折算到泥浆泵输入轴上后,可得到泥浆泵输入轴的轴端特性曲线,如图5所示。

图4 绞车转盘顶驱电机轴端及设备轴端特性曲线

图5 泥浆泵电机轴端及设备轴端特性曲线

永磁同步电机输出特性曲线如图6所示,其具有很宽的恒转矩输出段,在达到额定转速之后,通过调节定子电流,增加定子直轴去磁电流分量,也可实现弱磁调速,转速继续升高,但输出转矩将会迅速降低,故一般无法利用。考虑到直驱工作方式,钻井设备对永磁电机转速要求不会很高,故弱磁升速这一功能在钻井设备直驱时也基本不会用到。

图6 永磁同步电机M-n特性曲线

通过对钻井设备工况与永磁电机输出特性的对比,可见永磁电机输出特性与泥浆泵工作需要的输入特性较为匹配。对于绞车、转盘、顶驱等设备,如采用永磁电机直驱,则要求电机仍然需要具有这3个区域的工作能力,这样就需要永磁电机的功率阈量很大(如图7所示,而且相对于泥浆泵而言,其他钻井设备的扭矩需求要大很多),令其能够覆盖钻井设备输入轴的恒功率、降功率区,虽然在变频器的控制下也可满足钻井工况的要求,但同样会造成“大马拉小车”的问题,。

图7 绞车等设备输入特性与永磁电机输出特性匹配示意

综上所述,调速永磁同步电机应用于直驱式泥浆泵具有可行性。

5 关键技术

5.1 永磁电机

a) 低速大扭矩大功率永磁电机开发 通过相关调研,目前国内调速永磁电机功率均较小,国外公司曾有大功率永磁电机产品,但这些电机的输出转矩、转速与钻井设备需求不是很匹配,因此钻井装备用永磁电机还需依靠专业电机公司进行开发。

b) 永磁电机失磁现象的有效解决 永磁体在高温以及瞬间大电流冲击的作用下会产生失磁现象,这将严重影响到电机的可靠性。

对高温失磁的解决办法有:采用耐高温永磁体、配置良好的散热系统、调整定转子间气隙等。据相关资料介绍,目前高性能钕铁硼材料的最高工作温度可达180℃;另外,采用水冷方式,对永磁体的散热也会有所帮助;增加磁场气隙对永磁电机的散热有利,但气隙增加会导致转子磁能积的减弱以及漏磁现象,因此气隙大小的选择是一项需要优化权衡的工作。

c) 成本的控制 永磁材料的价格近年来虽有所下降,但相对于感应电机的 Cu、Fe等材料,其价格仍较高,据统计,永磁电机一般比感应电机贵70%或更高。如何有效控制电机成本,对于永磁电机在驱动钻井装备上的普及推广至关重要。

5.2 永磁同步调速的变频控制

永磁同步电机不存在转差率,与异步电机的变频控制有所不同[6],其控制方式也有 2种:矢量(VC)控制和直接转矩(DTC)控制。

永磁同步电机定子电流瞬时值取决于转子的瞬时位置,所以必须连续地检测转子位置。因此,需在转子轴上安装传感器,机械传感器提供了电机控制所需的转子信号,但也带来了一些问题:例如加大了电机尺寸;增加了电机与控制系统接口电路,使系统易受干扰等。为此,有学者开展了无机械传感器同步调速系统的研究,即根据测量的电机电流和电压信号,利用其特殊的电磁特性估算电机的转速和转子位置,取代机械传感器,实现控制功能[7],但其稳定性还有待提高,推广到工业上还有一定问题。

目前广泛应用的变频器以异步调速的居多,通过查询:丹佛斯、安川、明电舍、艾默生等变频器可实现同步调速,但其额定功率太小,无法驱动几百千瓦的永磁电机。ABB的ACS800变频器在软件上再增加一个软件包(Permanent Magnet Synchronous Machine Drive Application Program)即可实现同步调速功能[8],且功率也可匹配;此外VACON公司的NXP型变频器也具有同步调速功能[9],且功率最高可达5 300 kW,将来也可用于钻井设备永磁电机的驱动。

除上述2个方面之外,如何充分利用永磁电机结构形式灵活的特性,确保永磁电机直驱式钻井设备整体尺寸满足铁路、公路等运输的要求,以及减少电机现场维护工作等也非常重要。

6 结论及建议

1) 永磁电机在体积、质量、效率上具有一定优势,且其理论输出特性与泥浆泵输入特性较为匹配,所以泥浆泵采用永磁电机直驱的方式是完全可行的。

2) 控制系统建议采用ABB等大公司的变频器,一方面将来可更容易为使用者所接受;另一方面,易于实现与其他钻井设备控制系统的集成。

3) 积极加强与电机及变频器提供商的技术沟通,可加快永磁电机直驱钻井装备工业化的速度。

[1] 唐任远.现代永磁电机[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2] 闫敬东.永磁同步电动机在抽油机上的应用分析[J].石油机械,2006,34(2):54-56.

[3] 郭勤良,王 钊,王群章,等.稀土永磁同步电机在抽油机上的应用分析[J].石油矿场机械,2005,34(2):54-56.

[4] 张慧峰,王 平,董怀荣,等.石油钻机用单轴外置转子电驱动绞车:中国,200520081437.9[P].2006-03-22.

[5] 王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社,2007.

[6] Morimoto S,Sanada M.,Takeda Y.Inverter-driven syschronnus motor for constant power[J].IEEE Trans,Ind.Magazine,1996(2):19-24.

[7] Acarney P P,Hill RJ,Hooper C W.Detection of Rotor position in steping and switched motor by monitoring of current wareform[J].IEEE Trans,1985,32(3):215-222.

[8] ABB电气传动系统有限公司.Supplement to Firmware Manual for ACS800 Standard Application Program 7.x[M].北京,2004.

[9] 伟肯电气传动有限公司.VACON NXP变频器使用手册[K].北京,2004.

Discussion on Application of Permanent Magnet Motor on Drilling Equipment

YU Xing-jun,WEI Pei-jing,CONG Wan-sheng,ZHANG Qing-feng,YAN Xiao-ni,TIAN Feng-xian
(Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China)

TE926

B

1001-3482(2010)11-0080-05

2010-05-12

于兴军(1980-),男,吉林安图人,工程师,硕士,现从事石油机械研究与开发工作,E-mail:yxjswpi@163.com。