稀土永磁同步电机对绞车驱动的应用与控制

张国良

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江大庆163413）

1 引言

传统的绞车一般采用交流异步电动机通过变速箱驱动，结构复杂，成本高，效率低。解决问题的最直接方法是直驱绞车技术，但同时对绞车电机提出了低转速、大转矩等更高的要求。针对这一课题，我们进行长达1 a的试验分析，最终确定使用稀土永磁同步电动机作为绞车电机，使用西门子S120变频调速系统进行控制的解决方案。

该套装置于2011年5月初在大庆10523钻井队使用10 口井，对绞车的井架起升和下放工况、起下钻工况、能耗制动工作情况、自动送钻工作情况等项目进行了工业性试验。试验验证：主要设计目标达到了现场使用的要求，简化了传动结构，增加了控制精度，提高了传动效率，降低了能耗。

2 电机技术分析

稀土永磁同步电机的转子是由永磁环经过多级充磁后制成，定子是由带齿的磁极加上集中绕组构成。而稀土永磁材料具有很高的磁能级，其剩磁也特别高，从而可缩小电动机的体积，提高工效。

下面分析稀土永磁同步电机同其它电机比较的优缺点。

稀土永磁同步电动机的启动力矩、过载能力和效率均比三相异步电动机高，如表1所示。

表1 稀土永磁同步电机与异步电机比较Tab.1 Comparison between REPMSM and synchronous motor

稀土永磁同步电动机具有体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，如表2所示。

表2 稀土永磁式与电磁式同步电机比较Tab.2 Comparison between REPMSM and electromagnetic synchronous motor

稀土永磁同步电动机功率因数要比异步电动机的高，与电励磁的同步电动机相比节省直流电流，具有结构简单、运行可靠的优点。因此，对钻机绞车的负载工况节能效果十分显著。

经试验分析、数据计算，最终确定采用的稀土永磁同步电机（TYCD-TC-320）参数为：额定频率36.7 Hz，额定功率320 kW，防护等级IP54，额定电压三相AC 600 V，绝缘等级H 级，额定电流428 A，极数40，额定转速110 r/min，效率95%，最高转速260 r/min，重量6 400 kg。

3 电机控制技术分析

3.1 变频调速控制原理

图1 显示了1 台永磁同步电机的电路图（单相）。永磁同步电机具有一个永久磁场。因此，一旦转子开始转动，电机就会产生一个电压。定子绕组中因转子的转动而感应的EMF（电磁力）与转子转速成正比。

图1 永磁同步电机内部电路模拟图Fig.1 The circuit diagram of permanent magnet synchronous motor

图2显示额定转速范围内，变频器的输出电压V与转速成正比，EMF也与转速成正比，在变频器的输出电压V与电机的EMF之间保持平衡，ΔV=0。

图2 电磁力、电机电压与转速的关系曲线Fig.2 The curves of EMF，voltage and speed

在电机的额定转速以上，变频器输出电压V保持恒定，但电机的EMF 仍随转速成正比增加。变频器必须输出电压与弱磁范围内较高的电机EMF 之间的平衡，除了产生转矩的有功电流之外，还必须通过变频器向定子绕组补充无功电流，削弱由转子感应而生成的磁场，并通过产生电压ΔV 来保持电机中的电压平衡。弱磁范围内的转速越高，需要的弱磁无功电流就必须越大。因此在深度弱磁范围内运行时，需要选择更大功率等级的变频器。

3.2 变频调速方案

由稀土永磁同步电机参数可以看出，电机的额定转速为110 r/min，恒功率最高转速为260 r/min，最高转速为300 r/min，因此如果要求电机运行在260 r/min，必须进行深度弱磁，弱磁深度为额定转速的2.37倍。如果运行在300 r/min，则弱磁深度为额定转速的3.73倍。如此深度的弱磁在变频器故障时，变频器的补偿电压ΔV 消失，运转的电机就会产生一个与速度成正比的电压，这么高的电压加到变频器上，会瞬间损坏变频器，为了避免此类故障的产生，增大了变频器的功率，也增加了制动单元的容量，在变频器的输出端增加了输出接触器用以断开故障时变频器与电机的连接，同时将电机的最高转速限制在246 r/min范围内，以减少深度弱磁情况下的风险。另外永磁同步电机的控制必须采用有编码器反馈的控制方案，在无编码器速度反馈时几乎不可用。具体选型方案见表3。

表3 变频器的参数Tab.3 The parameter of frequency converter

4 现场应用情况

2011 年5 月初，稀土永磁同步电机投入正式使用，测试结果表明，所有项目均满足设计要求。在井架起升和下放工况、起下钻工况、自动送钻、能耗制动等试验都达到了施工需要，无异常现象，如表4所示。

表4 电机现场测试数据Tab.4 Motor testing

5 结论

本系统充分考虑了稀土永磁同步电机和绞车电力拖动系统的特点，使用西门子SINAMICS-S120变频器，选择矢量控制方式和最大转矩控制方法，对转矩扰动和速度扰动都有良好的动态性能，特别是具有良好的低速性能，实现了绞车无减速箱传动，满足了绞车电力拖动的要求。

不足之处：永磁同步电机由于存在深度弱磁控制的不足，可以考虑通过增加永磁同步电机的额定转速，使弱磁深度降到2倍以内的方法解决。

［1］李钟明，刘卫国，刘景林.稀土永磁电机［M］.北京：国防工业出版社，1999.

［2］唐任远.现代永磁电机［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］孙善华，陈丽香，安忠良，等.稀土永磁同步电动机在水泵变频调速中的应用［J］.沈阳工业大学学报，2005，27（2）：167-169.