DBZJ-Z系列永磁直驱电动钻机的性能和经济性分析

袁文超

(江苏煤炭地质勘探三队，江苏常州 213017)

0 引言

永磁直驱电动钻机通过永磁同步电机变频控制直驱技术对传统深井钻机的创新性改革，实现电机与绞车、泥浆泵、转盘等大功率主体设备无齿直联，减少了大量的传动装置与变速减速机构，使钻机整体结构更加紧凑。同时，凭借永磁同步电机本身的高效、高功率因数的特性，该类型装备具有节能环保的优势。传统深井钻机多以大功率三相异步电机作为绞车、泥浆泵、转盘等主要设备的驱动装置，不仅传动效率低，结构复杂，而且维护费用及能耗较高，两者的运行维护成本、运输成本等方面也相差甚远。由于异步电机与永磁同步电机的差异以及永磁同步电机在工程应用中的实际优势，结合地勘单位转型升级、高质量发展的需要，以及绿色低碳、节能环保的要求，对高功耗、高运行成本的传统深井钻机的改造势在必行。

1 永磁同步电机的性能优势

常规三相异步电机在低速段不稳定，如果负载转矩大于启动转矩会造成电机停转，不加保护甚至会烧坏电机绕组。根据异步电机功率及效率曲线可知，电机在低速段及高速段效率和功率因数均较低，且随负载变化较大[1]，如图1所示。

图1 永磁同步电机与异步电机特性比较

稀土永磁电机是20世纪70年代初期出现的一种新型永磁电机，其电机转子采用钕铁硼稀土永磁体，不需要励磁线圈[2]，通过几代改进，性能更加稳定，其效率及功率因数较高且随负载变化较小[3]。与三相异步电机相比，稀土永磁电机具有效率高、省电、体积小、噪声低、维护维修成本低的优点[4]。

稀土永磁同步电机结合变频控制技术的发展，其节能显著及特性良好的表现使得其在深井钻机的应用成为可能[5]。其超高的安全性和可靠性来自于伺服驱动器内部完整的速度闭环控制，因此具备过流保护功能，不会出现冲击电流和由于滑差振动导致退磁、失磁现象。永磁同步电机为低速大转矩电机，定子磁场旋转速度相比异步电动机要慢得多(永磁同步电机为40～100极，异步电机为4～8极)，同时永磁同步电机转子相邻两个磁极的磁力线是完全闭合的，对外不显磁性，因此对于井下定向工具仪器的地面磁干扰远小于异步电动机的干扰，甚至可以忽略不计。由于永磁同步电机采用直驱机构，没有减速箱传动环节，不需要进行传动机构的维护保养，总体上使得钻机运行期间故障率大幅度减小。此外，在整个钻机的使用周期中，永磁同步电机的采购和后期维护费用远低于交流异步电机加减速箱驱动的费用。

总体来讲，永磁同步电机具有以下优势：①电机输出特性曲线(功率、转矩与转速的关系)与负载特性接近，负载率越高电机效率越高，节能效果更好；②永磁电机本身的效率特性好，基本不受转速与负载的影响，低负载率时效率和功率因数变化小，电机电流小，不增加功耗；③永磁电机由于转子自有磁场，无需励磁，可做成多极，绕组端部短，用铜少，电机长度短，重量轻，铜耗小，进一步节省电机成本；④永磁电机可做成多支路，按需所取，提高负载率，适配动力需求不同的装备；⑤采用双频技术拓宽永磁电机高速调速范围，克服永磁电机反电势对控制的影响，进一步增强可控性和安全性；⑥永磁电机多极设计，额定转速一定的情况下，额定频率高，变频器驱动特性好,易于控制、稳定性好；⑦永磁同步电机无转子滑差，速度准确、控制精度高、摩阻小、温升低，不易失磁，进一步提升电机使用寿命，从而降低成本；⑧电动机额定功率贴近负载所需功率，匹配变频器容量小，价格低，变频器损耗小，电缆规格小，成本低。

2 永磁电动钻机的性能优势

传统的钻机绞车是异步电机通过减速传动机构将动力传给绞车、转盘，或通过分动箱将动力分别传给绞车、转盘，用盘刹或带刹控制下钻，结构比较复杂。此外，异步电机在低负载率下的功率因数较低，且大部分时间实际需要的功率只有额定功率的5%左右。

永磁同步电机可精准控制，伺服驱动器可以通过控制电机转子位移和正负力矩闭环平衡达到制动或锁定的效果。该功能可以智能化地控制绞车的运行和悬停，在电子司钻控制或人工控制钻进的情况下，起下钻作业中最大限度地避免了溜钻、顿钻、制动失效和顶天车等恶性事故的发生。在该功能支持下，不用额外增加其他装置就能实现主电机送钻悬停功能，且在正常工作时不用盘式刹车或电磁涡流刹车，这样不仅提升了整体钻进效率，还大大增强了装备的安全性。

施工中泥浆泵的用电量占整个井场用电的70%以上，用永磁电机直驱方式省去了皮带轮等传动机构，可实现软启动，通过调节电机转速来调节流量，从而节约了更换缸套的维护时间，进一步提升作业效率。

由于使用永磁电机直驱，不需离合器和变速箱，实现了无齿轮传动。采用能耗制动和变频控制下钻速度，省去了盘刹或带刹。利用永磁电机的发电功能和控制系统的共直流母线技术控制钻具的下放速度，将钻具下放的势能转化为电能，并可将所发电能回馈电网，或蓄电自用。提下钻和送钻用一套传动系统，可实现绞车高精度送钻和自动送钻功能(恒速和恒压送钻)。

正、反转控制自如，既简化了设计、方便了操作，又延长了部分设备的使用寿命(如泥浆泵定期正反转，可以使动力端运行更好，齿轮副寿命更长)，降低了钻机的运行成本。可以实现自动上卸扣、定向钻进时防止钻具粘卡、正反向等幅、等时摆动；根据钻井工程师的指令转盘正反向不等幅、不等时长摆动实现随路、随时纠正方位。定向作业时转盘及顶驱控制钻具左右摆动防止粘卡、随路随时修正方位。

绞车直接驱动，没有减速箱和离合器，这对钻机减重和提高性能有很大帮助，适合在高原钻进，提高钻进效率。绞车没有减速箱，不需要润滑系统，也就没有了润滑油泄漏造成环境污染的风险，节约了维护保养的人力和物力。

永磁电机伺服驱动器预留有安装双向信息传输模块的空间，也可以为远程传输、记录设备提供接口。这使得远程传输、远程诊断和远程控制成为现实，进一步提升信息化、数字化的能力。

智能控制系统可以远程回传现场的基础数据，为技术人员对现场的预判提供数据的支撑。智能系统可以远程OTA对固件升级或开通功能，还可以对设备状态定义。

3 钻机的经济性分析

永磁直驱电动钻机采用高效永磁电机作为顶驱、绞车及泥浆泵的驱动设备，相比于采用异步电机的传统钻机，节电效果显著。本文对DBZJ系列传统钻机与对应型号的DBZJ-Z永磁直驱系列钻机的耗电费用进行了对比，如表1所示。

表1 传统钻机与永磁直驱电动钻机耗电费用对比

从表1中可以看出，永磁直驱电动钻机的节能效果非常显著，这对于控制施工成本大有裨益。而且还可以看出，随着电机型号的增大耗电费用差距越来越大，节能效果基本维持在30%左右。

传统钻机的绞车及泥浆泵均采用电机—减速机构—执行机构的连接方式，正是因为减速机构的存在使得钻机整体结构复杂，运行维护费用居高不下。在钻机完整的一次施工搬迁过程中，运输成本无疑是施工成本核算中重要的一项内容，尽可能地减少钻机机构部件数量是减少运输成本的关键，同时紧凑的直驱钻机占地面积小，安全通道多，便于维护。

对比传统钻机，永磁直驱电动钻机绞车及泥浆泵采用直驱结构，从而省去了中间庞大、复杂的减速机构及附属设备，这对于减轻钻机整体重量及降低运输成本有着非常重要的意义。本文对DBZJ系列传统钻机与对应型号的DBZJ-Z系列永磁直驱钻机的运输费用进行了对比，如表2所示。

从表2中数据可以看出，随着钻机型号增大运输成本越来越节省，这对于成本控制有着重要的影响。

表2 传统钻机与永磁直驱电动钻机运输费用对比

永磁直驱电动钻机结构紧凑，在节省运输费用的同时也节省了材料成本，包括钢材、传动部件、润滑油、维修件等。本文对永磁直驱钻机的材料节省费用进行了统计，如表3所示。

表3 永磁直驱电动钻机材料节省费用统计

从表3中可以看出，永磁直驱电动钻机在材料费用节省方面显著，尤其是用在更大的装备上，提升的效率更高。

永磁直驱电动钻机采用顶驱钻进，施工中进一步提高了钻进效率，并减少了设备维护，同时也降低了工作量，人员费用的节省同样也是节省施工成本的关键因素之一。与此同时，减少了施工时的安全隐患，对于地勘单位来说，在降低工作强度的同时，增加了员工作业的安全性和舒适性，进一步提升员工能动性，这些都是潜在的经济效益。

永磁直驱电动钻机采用一体化司钻座椅，所有基本功能均可通过手柄及功能按钮实现，相对于换挡式传统钻机有着不可比拟的优势。钻机所有需要被监控的数据信息均可在显示屏幕上得以显示和实时交换，操作、监控一应俱全，司钻易学易上手，这是地勘装备转型升级、智能提升的体现。

4 结语

永磁直驱电动钻机是可靠性高、能应对复杂井况、操作简单、技术先进、节能环保的新一代钻井装备，是用低转速、大扭矩、大功率稀土永磁同步变频电机直接驱动绞车、转盘(顶驱)和泥浆泵，并进行智能控制的系列装备，实现机械设备间的无齿轮传动，简化了钻机结构，减轻了钻机重量，提高了传动效率，减少了使用维护成本，平均可节约电能30%以上，是地勘单位转型升级、高质量发展的理想装备。