袁文超

(江蘇煤炭地質(zhì)勘探三隊(duì)，江蘇常州 213017)

0 引言

永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)通過永磁同步電機(jī)變頻控制直驅(qū)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)深井鉆機(jī)的創(chuàng)新性改革，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等大功率主體設(shè)備無齒直聯(lián)，減少了大量的傳動(dòng)裝置與變速減速機(jī)構(gòu)，使鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)，憑借永磁同步電機(jī)本身的高效、高功率因數(shù)的特性，該類型裝備具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)深井鉆機(jī)多以大功率三相異步電機(jī)作為絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤等主要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置，不僅傳動(dòng)效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且維護(hù)費(fèi)用及能耗較高，兩者的運(yùn)行維護(hù)成本、運(yùn)輸成本等方面也相差甚遠(yuǎn)。由于異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)的差異以及永磁同步電機(jī)在工程應(yīng)用中的實(shí)際優(yōu)勢(shì)，結(jié)合地勘單位轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量發(fā)展的需要，以及綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的要求，對(duì)高功耗、高運(yùn)行成本的傳統(tǒng)深井鉆機(jī)的改造勢(shì)在必行。

1 永磁同步電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)

常規(guī)三相異步電機(jī)在低速段不穩(wěn)定，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)造成電機(jī)停轉(zhuǎn)，不加保護(hù)甚至?xí)龎碾姍C(jī)繞組。根據(jù)異步電機(jī)功率及效率曲線可知，電機(jī)在低速段及高速段效率和功率因數(shù)均較低，且隨負(fù)載變化較大[1]，如圖1所示。

圖1 永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)特性比較

稀土永磁電機(jī)是20世紀(jì)70年代初期出現(xiàn)的一種新型永磁電機(jī)，其電機(jī)轉(zhuǎn)子采用釹鐵硼稀土永磁體，不需要?jiǎng)?lì)磁線圈[2]，通過幾代改進(jìn)，性能更加穩(wěn)定，其效率及功率因數(shù)較高且隨負(fù)載變化較小[3]。與三相異步電機(jī)相比，稀土永磁電機(jī)具有效率高、省電、體積小、噪聲低、維護(hù)維修成本低的優(yōu)點(diǎn)[4]。

稀土永磁同步電機(jī)結(jié)合變頻控制技術(shù)的發(fā)展，其節(jié)能顯著及特性良好的表現(xiàn)使得其在深井鉆機(jī)的應(yīng)用成為可能[5]。其超高的安全性和可靠性來自于伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部完整的速度閉環(huán)控制，因此具備過流保護(hù)功能，不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流和由于滑差振動(dòng)導(dǎo)致退磁、失磁現(xiàn)象。永磁同步電機(jī)為低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度相比異步電動(dòng)機(jī)要慢得多(永磁同步電機(jī)為40～100極，異步電機(jī)為4～8極)，同時(shí)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子相鄰兩個(gè)磁極的磁力線是完全閉合的，對(duì)外不顯磁性，因此對(duì)于井下定向工具儀器的地面磁干擾遠(yuǎn)小于異步電動(dòng)機(jī)的干擾，甚至可以忽略不計(jì)。由于永磁同步電機(jī)采用直驅(qū)機(jī)構(gòu)，沒有減速箱傳動(dòng)環(huán)節(jié)，不需要進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的維護(hù)保養(yǎng)，總體上使得鉆機(jī)運(yùn)行期間故障率大幅度減小。此外，在整個(gè)鉆機(jī)的使用周期中，永磁同步電機(jī)的采購(gòu)和后期維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于交流異步電機(jī)加減速箱驅(qū)動(dòng)的費(fèi)用。

總體來講，永磁同步電機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：①電機(jī)輸出特性曲線(功率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系)與負(fù)載特性接近，負(fù)載率越高電機(jī)效率越高，節(jié)能效果更好；②永磁電機(jī)本身的效率特性好，基本不受轉(zhuǎn)速與負(fù)載的影響，低負(fù)載率時(shí)效率和功率因數(shù)變化小，電機(jī)電流小，不增加功耗；③永磁電機(jī)由于轉(zhuǎn)子自有磁場(chǎng)，無需勵(lì)磁，可做成多極，繞組端部短，用銅少，電機(jī)長(zhǎng)度短，重量輕，銅耗小，進(jìn)一步節(jié)省電機(jī)成本；④永磁電機(jī)可做成多支路，按需所取，提高負(fù)載率，適配動(dòng)力需求不同的裝備；⑤采用雙頻技術(shù)拓寬永磁電機(jī)高速調(diào)速范圍，克服永磁電機(jī)反電勢(shì)對(duì)控制的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)可控性和安全性；⑥永磁電機(jī)多極設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速一定的情況下，額定頻率高，變頻器驅(qū)動(dòng)特性好,易于控制、穩(wěn)定性好；⑦永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子滑差，速度準(zhǔn)確、控制精度高、摩阻小、溫升低，不易失磁，進(jìn)一步提升電機(jī)使用壽命，從而降低成本；⑧電動(dòng)機(jī)額定功率貼近負(fù)載所需功率，匹配變頻器容量小，價(jià)格低，變頻器損耗小，電纜規(guī)格小，成本低。

2 永磁電動(dòng)鉆機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的鉆機(jī)絞車是異步電機(jī)通過減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳給絞車、轉(zhuǎn)盤，或通過分動(dòng)箱將動(dòng)力分別傳給絞車、轉(zhuǎn)盤，用盤剎或帶剎控制下鉆，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。此外，異步電機(jī)在低負(fù)載率下的功率因數(shù)較低，且大部分時(shí)間實(shí)際需要的功率只有額定功率的5%左右。

永磁同步電機(jī)可精準(zhǔn)控制，伺服驅(qū)動(dòng)器可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)子位移和正負(fù)力矩閉環(huán)平衡達(dá)到制動(dòng)或鎖定的效果。該功能可以智能化地控制絞車的運(yùn)行和懸停，在電子司鉆控制或人工控制鉆進(jìn)的情況下，起下鉆作業(yè)中最大限度地避免了溜鉆、頓鉆、制動(dòng)失效和頂天車等惡性事故的發(fā)生。在該功能支持下，不用額外增加其他裝置就能實(shí)現(xiàn)主電機(jī)送鉆懸停功能，且在正常工作時(shí)不用盤式剎車或電磁渦流剎車，這樣不僅提升了整體鉆進(jìn)效率，還大大增強(qiáng)了裝備的安全性。

施工中泥漿泵的用電量占整個(gè)井場(chǎng)用電的70%以上，用永磁電機(jī)直驅(qū)方式省去了皮帶輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，從而節(jié)約了更換缸套的維護(hù)時(shí)間，進(jìn)一步提升作業(yè)效率。

由于使用永磁電機(jī)直驅(qū)，不需離合器和變速箱，實(shí)現(xiàn)了無齒輪傳動(dòng)。采用能耗制動(dòng)和變頻控制下鉆速度，省去了盤剎或帶剎。利用永磁電機(jī)的發(fā)電功能和控制系統(tǒng)的共直流母線技術(shù)控制鉆具的下放速度，將鉆具下放的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，并可將所發(fā)電能回饋電網(wǎng)，或蓄電自用。提下鉆和送鉆用一套傳動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)絞車高精度送鉆和自動(dòng)送鉆功能(恒速和恒壓送鉆)。

正、反轉(zhuǎn)控制自如，既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、方便了操作，又延長(zhǎng)了部分設(shè)備的使用壽命(如泥漿泵定期正反轉(zhuǎn)，可以使動(dòng)力端運(yùn)行更好，齒輪副壽命更長(zhǎng))，降低了鉆機(jī)的運(yùn)行成本?？梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)上卸扣、定向鉆進(jìn)時(shí)防止鉆具粘卡、正反向等幅、等時(shí)擺動(dòng)；根據(jù)鉆井工程師的指令轉(zhuǎn)盤正反向不等幅、不等時(shí)長(zhǎng)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)隨路、隨時(shí)糾正方位。定向作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)盤及頂驅(qū)控制鉆具左右擺動(dòng)防止粘卡、隨路隨時(shí)修正方位。

絞車直接驅(qū)動(dòng)，沒有減速箱和離合器，這對(duì)鉆機(jī)減重和提高性能有很大幫助，適合在高原鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率。絞車沒有減速箱，不需要潤(rùn)滑系統(tǒng)，也就沒有了潤(rùn)滑油泄漏造成環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了維護(hù)保養(yǎng)的人力和物力。

永磁電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器預(yù)留有安裝雙向信息傳輸模塊的空間，也可以為遠(yuǎn)程傳輸、記錄設(shè)備提供接口。這使得遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程控制成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)一步提升信息化、數(shù)字化的能力。

智能控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程回傳現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)判提供數(shù)據(jù)的支撐。智能系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程OTA對(duì)固件升級(jí)或開通功能，還可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)定義。

3 鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)性分析

永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)采用高效永磁電機(jī)作為頂驅(qū)、絞車及泥漿泵的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，相比于采用異步電機(jī)的傳統(tǒng)鉆機(jī)，節(jié)電效果顯著。本文對(duì)DBZJ系列傳統(tǒng)鉆機(jī)與對(duì)應(yīng)型號(hào)的DBZJ-Z永磁直驅(qū)系列鉆機(jī)的耗電費(fèi)用進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)鉆機(jī)與永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)耗電費(fèi)用對(duì)比

從表1中可以看出，永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)的節(jié)能效果非常顯著，這對(duì)于控制施工成本大有裨益。而且還可以看出，隨著電機(jī)型號(hào)的增大耗電費(fèi)用差距越來越大，節(jié)能效果基本維持在30%左右。

傳統(tǒng)鉆機(jī)的絞車及泥漿泵均采用電機(jī)—減速機(jī)構(gòu)—執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接方式，正是因?yàn)闇p速機(jī)構(gòu)的存在使得鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用居高不下。在鉆機(jī)完整的一次施工搬遷過程中，運(yùn)輸成本無疑是施工成本核算中重要的一項(xiàng)內(nèi)容，盡可能地減少鉆機(jī)機(jī)構(gòu)部件數(shù)量是減少運(yùn)輸成本的關(guān)鍵，同時(shí)緊湊的直驅(qū)鉆機(jī)占地面積小，安全通道多，便于維護(hù)。

對(duì)比傳統(tǒng)鉆機(jī)，永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)絞車及泥漿泵采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)，從而省去了中間龐大、復(fù)雜的減速機(jī)構(gòu)及附屬設(shè)備，這對(duì)于減輕鉆機(jī)整體重量及降低運(yùn)輸成本有著非常重要的意義。本文對(duì)DBZJ系列傳統(tǒng)鉆機(jī)與對(duì)應(yīng)型號(hào)的DBZJ-Z系列永磁直驅(qū)鉆機(jī)的運(yùn)輸費(fèi)用進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著鉆機(jī)型號(hào)增大運(yùn)輸成本越來越節(jié)省，這對(duì)于成本控制有著重要的影響。

表2 傳統(tǒng)鉆機(jī)與永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)運(yùn)輸費(fèi)用對(duì)比

永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，在節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用的同時(shí)也節(jié)省了材料成本，包括鋼材、傳動(dòng)部件、潤(rùn)滑油、維修件等。本文對(duì)永磁直驅(qū)鉆機(jī)的材料節(jié)省費(fèi)用進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)材料節(jié)省費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

從表3中可以看出，永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)在材料費(fèi)用節(jié)省方面顯著，尤其是用在更大的裝備上，提升的效率更高。

永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)采用頂驅(qū)鉆進(jìn)，施工中進(jìn)一步提高了鉆進(jìn)效率，并減少了設(shè)備維護(hù)，同時(shí)也降低了工作量，人員費(fèi)用的節(jié)省同樣也是節(jié)省施工成本的關(guān)鍵因素之一。與此同時(shí)，減少了施工時(shí)的安全隱患，對(duì)于地勘單位來說，在降低工作強(qiáng)度的同時(shí)，增加了員工作業(yè)的安全性和舒適性，進(jìn)一步提升員工能動(dòng)性，這些都是潛在的經(jīng)濟(jì)效益。

永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)采用一體化司鉆座椅，所有基本功能均可通過手柄及功能按鈕實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于換擋式傳統(tǒng)鉆機(jī)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。鉆機(jī)所有需要被監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息均可在顯示屏幕上得以顯示和實(shí)時(shí)交換，操作、監(jiān)控一應(yīng)俱全，司鉆易學(xué)易上手，這是地勘裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)、智能提升的體現(xiàn)。

4 結(jié)語

永磁直驅(qū)電動(dòng)鉆機(jī)是可靠性高、能應(yīng)對(duì)復(fù)雜井況、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保的新一代鉆井裝備，是用低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大功率稀土永磁同步變頻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤(頂驅(qū))和泥漿泵，并進(jìn)行智能控制的系列裝備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備間的無齒輪傳動(dòng)，簡(jiǎn)化了鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，減輕了鉆機(jī)重量，提高了傳動(dòng)效率，減少了使用維護(hù)成本，平均可節(jié)約電能30%以上，是地勘單位轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量發(fā)展的理想裝備。