李　娜，葛利俊，安　超

(1.渤海石油裝備承德石油機(jī)械有限公司，河北 承德 067000；2.陜西長實(shí)建設(shè)工程有限公司，西安 710018)

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抽油機(jī)用永磁同步電動機(jī)的理論與試驗研究

李娜1，葛利俊1，安超2

(1.渤海石油裝備承德石油機(jī)械有限公司，河北 承德 067000；2.陜西長實(shí)建設(shè)工程有限公司，西安 710018)

摘要：節(jié)能高效的永磁同步電動機(jī)在石油開采領(lǐng)域的應(yīng)用日益增長。結(jié)合永磁同步電動機(jī)理論和磁場有限元計算理論對某型永磁同步電動機(jī)進(jìn)行分析，并對該型電動機(jī)在大慶油田進(jìn)行測試。仿真結(jié)果和試驗結(jié)果表明，在額定轉(zhuǎn)速200 r/min的條件下，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和效率等參數(shù)的計算值與試驗值基本一致，其中額定轉(zhuǎn)矩值的計算誤差只有3.84%，表明所采用分析方法的正確性。為實(shí)現(xiàn)該型永磁同步電動機(jī)的控制等提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機(jī)；有限元法；d-q軸系；抽油機(jī)

抽油機(jī)是石油開采的關(guān)鍵設(shè)備，其動力裝置主要采用異步電動機(jī)來驅(qū)動。普通的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速高，通過加裝變速箱、傳動皮帶等傳動裝置來工作，但是其工作效率低，而且抽油桿的應(yīng)力無法在停機(jī)后釋放，存在安全隱患。得益于電動機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展，變頻異步電動機(jī)在采油領(lǐng)域也得到一定應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)異步電機(jī)的設(shè)計，高速變頻異步電動機(jī)設(shè)計需要有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁設(shè)計，部分學(xué)者對其進(jìn)行了深入的理論分析和計算[1]。異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計也受到重視，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計能實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的高效調(diào)速，具有一定的發(fā)展前景[2]。

相比于采用不同復(fù)雜調(diào)速技術(shù)的異步電動機(jī)，直驅(qū)式高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)在抽油機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和成熟，也得到相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員的高度認(rèn)可[3-4]。文獻(xiàn)[5]對Y280S型電動機(jī)和YCHD280L型電動機(jī)進(jìn)行了對比研究，在模擬井上對多個瞬態(tài)節(jié)點(diǎn)特性參數(shù)進(jìn)行測試，試驗結(jié)果表明高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)的啟動性能要優(yōu)于低轉(zhuǎn)差率電動機(jī)，中高沖次時的降載效果較好，但在節(jié)能方面高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)并沒有明顯優(yōu)勢。采用麥克馬克方法求解波動方程，建立一種新的運(yùn)動微分方程與波動方程的高度耦合問題的求解方法，對勝利油田辛1135和辛11138兩口井的計算結(jié)果表明該方法計算速度快、精度高[6]。

隨著永磁同步電動機(jī)性能的提升，在抽油機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，直驅(qū)式永磁同步電動機(jī)有替代傳統(tǒng)高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)的趨勢[7]。對于永磁同步電動機(jī)的設(shè)計而言，其磁路結(jié)構(gòu)和磁場分布的設(shè)計是關(guān)鍵，有限元法作為電磁場分析的主流方法，在永磁同步電動機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化上有著廣泛的應(yīng)用[8]。永磁同步電動機(jī)的設(shè)計主要需要考慮磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)矩分析、其他相關(guān)參數(shù)計算等，需要結(jié)合電磁場理論和電機(jī)學(xué)理論進(jìn)行分析[9-10]。波形畸變率高和齒槽轉(zhuǎn)矩大也是影響永磁同步電動機(jī)性能的主要問題，可嘗試采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組、非均勻氣隙、定子斜槽和改變磁極寬度等方法予以改善[11]。永磁同步電動機(jī)具有強(qiáng)耦合性、非線性的特點(diǎn)，其控制技術(shù)也得到眾多學(xué)者的關(guān)注，包括直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)、自抗擾控制(ADRC)技術(shù)等[12]。復(fù)式永磁同步電機(jī)在直驅(qū)式抽油機(jī)中也得到應(yīng)用，文獻(xiàn)[13]對其設(shè)計計算方法、電機(jī)內(nèi)電磁場的分析、電機(jī)參數(shù)的優(yōu)化、齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制、電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)等進(jìn)行了研究。此外，對于抽油機(jī)用永磁同步電動機(jī)而言，還需要關(guān)注其定轉(zhuǎn)子分段、潤滑和密封等對性能的影響[14]。

由于綜合性能的不斷提升，永磁材料在電動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及，高效、節(jié)能環(huán)保、工作可靠的直驅(qū)式永磁同步電動機(jī)成為石油開采領(lǐng)域的一個新增長點(diǎn)，得到國內(nèi)外學(xué)者的重視。本文將結(jié)合電磁場理論對直驅(qū)式永磁同步電動機(jī)進(jìn)行理論分析和仿真計算，并結(jié)合某型樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗研究和分析，為此類電動機(jī)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1理論分析

1.1磁場有限元計算

對采用永磁材料的高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)而言，有限元法是目前最適合的磁場計算方法。有限元法是基于變分的原理，建立對應(yīng)電磁場邊值問題泛函求極值問題，然后將連續(xù)的場域剖分成相連接的多個子域，就可以利用簡單的插值函數(shù)來構(gòu)建每個子域的試探函數(shù)，試探函數(shù)中帶有一組未知系數(shù)，以所求場域的邊界條件為限制條件，通過對該代數(shù)方程組求解，即可得到邊值問題的解。

根據(jù)麥克斯韋方程，磁場的基本方程為

(1)

(2)

式中：μ=μ0μr，μ、μ0、μr、Hc分別為永磁體磁導(dǎo)率、真空的磁導(dǎo)率、永磁體相對磁導(dǎo)率、永磁體矯頑力。

(3)

(4)

在非永磁區(qū)域Ω0等價的能量泛函極值問題為

(5)

在有限元法中，需要對求解域進(jìn)行剖分，得到對應(yīng)能量泛函極值問題的離散格式。對式(4)和(5)可以在空間域采用三棱柱單元或四面體單元進(jìn)行離散求解。對于永磁同步電動機(jī)，通常為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此，可以只取一對稱面，在二維空間采用三角形單元或四邊形單元進(jìn)行離散求解即可。

1.2轉(zhuǎn)矩和電壓計算

根據(jù)電動機(jī)的設(shè)計，磁極上最好不出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，定子的各相繞組對稱分布，電樞的電阻值完全相等。若忽略漏磁通的影響，氣隙均勻分布，則各相繞組的電感值與轉(zhuǎn)子的所在位置無關(guān)，轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布狀態(tài)。那么在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q軸系)的條件下，永磁同步電動機(jī)定子上的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩分別為[17]

(6)

式中：Φd、Ud、id、Ld分別是定子繞組d軸的磁鏈、電壓、電流、電感；Φq、Uq、iq、Lq分別是定子繞組q軸的磁鏈、電壓、電流、電感；Rs、p、T和ω為定子的電阻值、電機(jī)極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率。

磁鏈大小和電感大小可以通過有限元法進(jìn)行計算。顯然，式(6)是隱式方程組，需要采用迭代的數(shù)值方法進(jìn)行計算。

2仿真分析

以額定功率為22kW的永磁同步電動機(jī)為例，額定轉(zhuǎn)矩、額定效率、額定轉(zhuǎn)速、軸負(fù)荷、氣隙和額定電流分別為1 050N·m、≥87%、200r/min、80kN、1.5mm和42A，磁鋼牌號為N35，電動機(jī)的極數(shù)和槽數(shù)分別為32極和36槽。為了對電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行計算，采用有限元法對該電動機(jī)的磁場分布規(guī)律進(jìn)行分析。計算得到的發(fā)電機(jī)剖面磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布如圖1所示。

圖1　永磁同步電動機(jī)剖面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖1可以看出，該電動機(jī)的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.4T，低于硅鋼片的飽和值，滿足設(shè)計要求。

對該電動機(jī)在200r/min額定轉(zhuǎn)速、空載條件下的主要參數(shù)進(jìn)行計算。仿真從0ms開始，對300ms內(nèi)的銅耗進(jìn)行計算，計算得到的銅耗如圖2所示。

圖2　電動機(jī)的銅耗仿真曲線

從圖2可以看出，在仿真初始時刻由于計算結(jié)果存在一定的動態(tài)參數(shù)影響，銅耗最大值可達(dá)11.4kW，然后銅耗值快速降低，銅耗值在226ms達(dá)到穩(wěn)定值，在額定轉(zhuǎn)速下的銅耗均方根值為2.31kW。若不考慮鐵損，則電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的工作效率為89.5%，實(shí)際工況中電動機(jī)的效率應(yīng)比該值略低。

電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果為1 009.69N·m，比額定值略低。

轉(zhuǎn)子繞組1上計算得到的電壓U1如圖3所示。電壓最大值和有效值分別為310.42V和219.46V。從圖3可以看出，繞組上的電壓波形良好，說明采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組可較好地消除電壓的畸變。

計算結(jié)果表明，所設(shè)計的電機(jī)計算結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期值。

圖3　轉(zhuǎn)子繞組1上的電壓波形

3試驗測試

試驗所用電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真值一致，電動機(jī)為額定功率22kW的永磁伺服同步電動機(jī)，采用立式安裝結(jié)構(gòu)；防爆等級為ExdIIBT4，可滿足抽油機(jī)工作的爆炸性氣體環(huán)境使用；使用鋁合金鑄造機(jī)座以提高散熱效率；采用牌號為N35的磁鋼，磁鋼的耐熱溫度為150 ℃，避免因為電機(jī)的溫升造成失磁或退磁。

在大慶油田對該電動機(jī)進(jìn)行了試驗測試，測得的額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、軸向負(fù)荷、表面溫升和噪聲分別為22kW、1 050N·m、80.8kN、57K和72dBA。對比試驗值與仿真值可以發(fā)現(xiàn)，額定轉(zhuǎn)矩值的計算誤差為3.84%，兩者比較一致，表明上述理論分析可較好地描述該型永磁同步電動機(jī)。

試驗效率與額定效率對比如圖4所示。由圖4可以看出，實(shí)際測得的電動機(jī)效率略低于額定效率的設(shè)計值。在額定轉(zhuǎn)速200r/min時，電動機(jī)的試驗效率是額定效率的0.95倍，表明該電機(jī)的電磁設(shè)計基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖4　試驗效率與額定效率對比圖

4結(jié)論

針對抽油機(jī)用永磁同步電動機(jī)，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q軸系)的條件下，采用永磁同步電動機(jī)定子上的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩方程對其進(jìn)行描述，并采用有限元法和磁鏈進(jìn)行計算。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某22kW永磁同步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。對比該電動機(jī)的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，為實(shí)現(xiàn)該型電動機(jī)的控制提供了理論和試驗依據(jù)。

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TheoreticalAnalysisandExperimentalResearchforPermanentMagnetSynchronousMotorUsedforPumpingUnit

LINa1，GELijun1，ANChao2

(1.Bohai Oil Equipment Chengde Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Chengde 067000，China；2.Shaanxi Changshi Construction Engineering Limited,Xi’an 710018)

Abstract：Permanent magnet synchronous motor is growing in the field of oil drilling applications because of higher energy efficiency.The theoretical analysis is on the basis of permanent magnet synchronous motor theory and finite element method for magnetic field and the motor is tested in Daqing oil field.Simulation results and the experimental results show that the calculated results and experimental results of torque and efficiency have reached a basic agreement on the condition at the rated speed of 200 r/min.The calculation error of rated torque value is 3.84% which shows the correctness of the analysis methods.The research provides theory basis for the control and application of such permanent magnet synchronous motor.

Keywords：permanent magnet synchronous motor；finite element method；d-q shafting；pumping unit

文章編號：1001-3482(2016)06-0061-04

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51107030)，河北省自然科學(xué)基金(E2012202070)

作者簡介：李娜(1983-)，女，河北承德人，工程師，碩士研究生，主要從事石油鉆采機(jī)械的研發(fā)，E-mail：jessie_1983@126.com.

中圖分類號：TE933.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.013