稀土永磁同步電機(jī)對絞車驅(qū)動的應(yīng)用與控制

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(jī)通過變速箱驅(qū)動，結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)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(jìn)行長達(dá)1 a的試驗(yàn)分析，最終確定使用稀土永磁同步電動機(jī)作為絞車電機(jī)，使用西門子S120變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(duì)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(xiàng)目進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證：主要設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)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(jī)技術(shù)分析

稀土永磁同步電機(jī)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(jī)的體積，提高工效。

下面分析稀土永磁同步電機(jī)同其它電機(jī)比較的優(yōu)缺點(diǎn)。

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

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

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

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

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

經(jīng)試驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算，最終確定采用的稀土永磁同步電機(jī)（TYCD-TC-320）參數(shù)為：額定頻率36.7 Hz，額定功率320 kW，防護(hù)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(jī)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(jī)的電路圖（單相）。永磁同步電機(jī)具有一個永久磁場。因此，一旦轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，電機(jī)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(yīng)的EMF（電磁力）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。

圖1 永磁同步電機(jī)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(jī)的EMF之間保持平衡，ΔV=0。

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

在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速以上，變頻器輸出電壓V保持恒定，但電機(jī)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(jī)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(bǔ)充無功電流，削弱由轉(zhuǎn)子感應(yīng)而生成的磁場，并通過產(chǎn)生電壓ΔV 來保持電機(jī)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(yùn)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(jī)參數(shù)可以看出，電機(jī)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(jī)運(yùn)行在260 r/min，必須進(jìn)行深度弱磁，弱磁深度為額定轉(zhuǎn)速的2.37倍。如果運(yùn)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(bǔ)償電壓ΔV 消失，運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)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(jī)的連接，同時將電機(jī)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(fēng)險。另外永磁同步電機(jī)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(yīng)用情況

2011 年5 月初，稀土永磁同步電機(jī)投入正式使用，測試結(jié)果表明，所有項(xiàng)目均滿足設(shè)計(jì)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(yàn)都達(dá)到了施工需要，無異?，F(xiàn)象，如表4所示。

表4 電機(jī)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(jī)和絞車電力拖動系統(tǒng)的特點(diǎn)，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?cái)_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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

［2］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)［M］.北京：機(jī)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(jī)在水泵變頻調(diào)速中的應(yīng)用［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（2）：167-169.