永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)能量吸收技術(shù)

王　帥，張炳義，劉利軍，馮桂宏

(沈陽工業(yè)大學(xué) a電氣工程學(xué)院；b機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110870)*

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永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)能量吸收技術(shù)

王帥a，張炳義a，劉利軍b，馮桂宏a

(沈陽工業(yè)大學(xué) a電氣工程學(xué)院；b機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110870)*

摘要：針對(duì)永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵井在突然斷電的情況下，抽油桿貯存的彈性勢(shì)能驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)高速反轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致抽油桿脫斷和驅(qū)動(dòng)頭零部件飛逸等問題，提出一種永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)能量吸收技術(shù)。該技術(shù)基于能耗制動(dòng)原理，利用永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)出的電能作為控制電源，根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，通過調(diào)節(jié)PWM斬波調(diào)阻電路的占空比改變制動(dòng)電阻阻值，保證在反轉(zhuǎn)速度恒定條件下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨反轉(zhuǎn)勢(shì)能的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，使反轉(zhuǎn)能量低速、柔性釋放。通過試驗(yàn)與在井運(yùn)行的方式驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；直驅(qū)螺桿泵井；桿柱反轉(zhuǎn)；能量吸收；PWM斬波調(diào)阻

永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵采油是近年興起的一種新型螺桿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)配合減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[1-2]。該裝置采用位于地面的永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油桿旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)井下泵工作，由于傳動(dòng)距離過長(zhǎng)，抽油桿會(huì)發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)形變，并貯存大量彈性勢(shì)能。當(dāng)電機(jī)突然斷電時(shí)，抽油桿的彈性勢(shì)能迅速釋放，轉(zhuǎn)化為抽油桿與永磁電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速反轉(zhuǎn)。若井下未安裝防倒流開關(guān)，油管中的油液在油套壓差、油液重力的作用下回流，回流油液亦會(huì)驅(qū)動(dòng)抽油桿與永磁直驅(qū)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。若不加以控制，會(huì)發(fā)生抽油桿脫扣等故障，甚至引起設(shè)備零部件飛逸等安全事故，威脅到操作人員安全[3-4]。所以研究永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)問題十分必要。

在實(shí)際應(yīng)用中，多種措施被用來防止或降低電機(jī)反轉(zhuǎn)速度[4-7]，例如：①在部分油井安裝井下液柱防倒流開關(guān)，防止油液回流，減少了反轉(zhuǎn)能量，降低反轉(zhuǎn)速度；②在驅(qū)動(dòng)頭安裝棘輪棘爪防反轉(zhuǎn)裝置，該方法可實(shí)現(xiàn)電機(jī)零反轉(zhuǎn)，使反轉(zhuǎn)能量在井下自由釋放，但這樣會(huì)導(dǎo)致抽油桿、井下泵等設(shè)備受到勢(shì)能沖擊而損壞，故采取電機(jī)低速反轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)勢(shì)能“柔性”釋放；③有部分油井使用液壓防反轉(zhuǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作原理類同于汽車剎車系統(tǒng)，能夠自動(dòng)柔性釋放反轉(zhuǎn)能量，無需人為介入，但對(duì)應(yīng)用環(huán)境較苛刻，且維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)較高；④采用楔塊防反轉(zhuǎn)方式，該方法基于超越離合器原理阻止抽油桿反轉(zhuǎn)，需通過手動(dòng)調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)柔性釋放；⑤采用電磁制動(dòng)方式，實(shí)質(zhì)是能耗制動(dòng)，將永磁電機(jī)三相繞組與安裝在控制箱中的制動(dòng)電阻串聯(lián)，形成穩(wěn)態(tài)短路，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，以熱量的形式在制動(dòng)電阻上消耗掉，使電機(jī)低速反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)柔性釋放。

綜合以上措施，從原理上可分為：機(jī)械制動(dòng)方法和電磁制動(dòng)方法兩類。機(jī)械制動(dòng)方法大多需要人到井口手動(dòng)操作，或者是需要頻繁、專業(yè)的維護(hù)才能實(shí)現(xiàn)完全、柔性釋放。目前大多采用電磁制動(dòng)方法，而常規(guī)電磁制動(dòng)方式過于簡(jiǎn)單，井況變化多樣，對(duì)于反轉(zhuǎn)能量較大的高產(chǎn)井，若制動(dòng)電阻阻值選配較低，制轉(zhuǎn)矩較大，但在較大的短路電流持續(xù)作用下，存在永磁體不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)；若制動(dòng)電阻阻值選配較大，則制動(dòng)轉(zhuǎn)矩低，反轉(zhuǎn)速度高，易發(fā)生桿柱脫斷等故障。此外，若電機(jī)與控制箱之間的供電電纜意外斷路，反轉(zhuǎn)制動(dòng)失效，后果不堪設(shè)想，因此，需要改進(jìn)常規(guī)電磁制動(dòng)方法。本文基于對(duì)地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵井反轉(zhuǎn)原因的分析，提出一種永磁電機(jī)直驅(qū)螺桿泵井桿柱反轉(zhuǎn)能量吸收技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)出的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，采用PWM斬波調(diào)阻方法調(diào)節(jié)制動(dòng)回路等效電阻阻值，抑制電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。通過試驗(yàn)與在井運(yùn)行的方式驗(yàn)證了該方法的有效性。

1螺桿泵井反轉(zhuǎn)原因分析

抽油桿受到電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用扭轉(zhuǎn)形變，且貯存彈性應(yīng)變勢(shì)能W，當(dāng)停井時(shí)，永磁直驅(qū)電機(jī)停止輸出轉(zhuǎn)矩，彈性應(yīng)變勢(shì)能與回流油液的重力勢(shì)能W2迅速釋放，轉(zhuǎn)化為抽油桿與永磁直驅(qū)電機(jī)的動(dòng)能，如圖1a所示。桿柱在反轉(zhuǎn)過程中所受的轉(zhuǎn)矩主要有直驅(qū)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm、抽油桿內(nèi)力偶矩Tf、回流液對(duì)泵轉(zhuǎn)子作用的反轉(zhuǎn)矩Tb，如圖1b所示。

a　結(jié)構(gòu)

b　受力分析

假設(shè)直井的抽油桿是等截面均質(zhì)、各向同性的直桿，忽略抽油桿的軸向形變，且服從胡克(Hooke.R)定律[8]，由材料力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)得抽油桿彈性扭轉(zhuǎn)角度θ與貯存的彈性勢(shì)能W為：

(1)

式中：Tm為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；G為材料剪切模量，Pa；A為桿柱截面積，m2，IP為空心抽油桿的極慣性矩，m4；τ為桿柱切應(yīng)力，Pa。

以遼河油田某油井為例，泵掛深度L=1 100 m，采用?36 mm空心抽油桿，極慣性矩IP=1.598×10-7m4，材料剪切模量G=7.845×1010Pa，永磁電機(jī)額定功率為30 kW，額定轉(zhuǎn)矩Tm= 2000 N·m。由式(1)算得彈性勢(shì)能理論值W=2.041×105J，彈性扭轉(zhuǎn)角度θ=10 060.5°，共計(jì)27.9圈，W產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tf作用時(shí)間短，由大變小逐漸遞減。在斷電瞬間釋放的功率約為210 kW，是電機(jī)額定功率的7倍，且泵掛越深，則反轉(zhuǎn)能量越大。除此之外，若螺桿泵井未安裝井下防倒流開關(guān)，回流油液產(chǎn)生反轉(zhuǎn)能量加劇了電機(jī)反轉(zhuǎn)速度，且反轉(zhuǎn)速度隨著泵排量增大而加快，反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

當(dāng)螺桿泵井反轉(zhuǎn)時(shí)，永磁電機(jī)處于“發(fā)電機(jī)”狀態(tài)，將阻值為Ref的電阻分別串聯(lián)到電機(jī)各相繞組，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。若Ref選擇過大，會(huì)造成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小，反轉(zhuǎn)速度高，易引起抽油桿脫扣等問題；若Ref選擇過小，會(huì)造成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩過大，制動(dòng)電流大，反轉(zhuǎn)能量釋放時(shí)間長(zhǎng)、不易完全釋放，在拆卸驅(qū)動(dòng)頭時(shí)可能發(fā)生安全事故。

除此之外，制動(dòng)電阻選配上的人為誤差可能使能耗制動(dòng)作用失效，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)勢(shì)能的大小來調(diào)節(jié)電機(jī)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。基于以上分析，本文提出一種安裝在電機(jī)上的新型反轉(zhuǎn)能量吸收裝置。

2新型反轉(zhuǎn)能量吸收裝置

反轉(zhuǎn)能量吸收技術(shù)是：保持直驅(qū)永磁電機(jī)以設(shè)定的最高反轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩根據(jù)反轉(zhuǎn)能量的大小能自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。其原理為：將設(shè)定的反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速做減運(yùn)算，得出偏差量Δω，若Δω<0則說明實(shí)際轉(zhuǎn)速超過設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速，需增大電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低制動(dòng)電阻阻值；若Δω>0則說明實(shí)際轉(zhuǎn)速未達(dá)到設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速，可減小永磁電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，調(diào)高制動(dòng)電阻阻值，加快反轉(zhuǎn)能量釋放速度，直至阻值達(dá)到最大后斷開制動(dòng)回路，讓電機(jī)自由旋轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)能量完全釋放。同時(shí)將該裝置安裝于永磁電機(jī)上，防止電機(jī)供電線路意外斷路的情況下反轉(zhuǎn)制動(dòng)失效。

為了防止調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩突變，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生沖擊，故自適應(yīng)反轉(zhuǎn)控制器采用PWM斬波調(diào)阻原理，平滑的調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻阻值，反轉(zhuǎn)能量吸收裝置的控制框圖如圖2所示。轉(zhuǎn)速觀測(cè)器是根據(jù)永磁電機(jī)反電勢(shì)來計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖2　反轉(zhuǎn)能量吸收裝置控制框圖

反轉(zhuǎn)能量吸收裝置組成框圖如圖3所示，電路分為整流單元、超級(jí)儲(chǔ)能電源、IGBT斬波單元和阻容吸收單元4部分，整流單元將永磁電機(jī)發(fā)出的交流電整流成直流，斬波單元調(diào)節(jié)IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間比例kp，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電阻實(shí)際值的連續(xù)變化。通常控制電路消耗的電能與電機(jī)發(fā)出的電能相比可以忽略不計(jì)，故采用高低溫性能好、充放電快、壽命長(zhǎng)的超級(jí)電容作為斬波單元電路的控制電源，并聯(lián)與直流母線兩端，由永磁直驅(qū)電機(jī)制動(dòng)時(shí)回饋的電能充電，充滿后與直流母線斷開連接，阻容吸收單元起到緩沖與消耗電能的作用，通過能耗電阻將多余電能以熱量形式消耗掉。

圖3　反轉(zhuǎn)能量吸收裝置組成框圖

斬波單元是吸收裝置的核心，其工作過程為：當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，制動(dòng)電阻被短接，此時(shí)制動(dòng)回路電流最大Imax，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大Tmax；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，參考電阻并入回路，此時(shí)制動(dòng)回路電流最小Imin，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最小Tmin，調(diào)節(jié)PWM的占空比kp，電路的等效電阻不同，使直流側(cè)電流始終在Imax和Imin之間變化，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在Tmax和Tmin之間變化。

3試驗(yàn)與應(yīng)用

為了驗(yàn)證反轉(zhuǎn)能量吸收裝置的有效性，搭建了螺桿泵地面直驅(qū)永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示。

該試驗(yàn)臺(tái)的反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用110 kW、額定轉(zhuǎn)矩為1 350 N·m的異步變頻電動(dòng)機(jī)，并在反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)端加裝測(cè)速編碼器、轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀，經(jīng)速比為5∶1的減速箱換向后驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)，控制器與30 kW、額定轉(zhuǎn)矩為2 000 N·m的螺桿泵地面直驅(qū)永磁電機(jī)接線端相連，并預(yù)設(shè)定控制器的反轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速為35 r/min，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

圖4　螺桿泵地面直驅(qū)永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

1)模擬抽油桿驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)反轉(zhuǎn)試驗(yàn)。反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直驅(qū)永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從0～600 N·m逐漸提高反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行20 s后降低反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩至300 N·m，保持10 s后結(jié)束，直驅(qū)永磁電機(jī)輸出的1.5倍額定轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能量吸收裝置能夠準(zhǔn)確地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，并保持在35 r/min左右，如圖5所示。若吸收裝置不介入反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)速度會(huì)迅速上升接近至減速箱輸出的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，如圖5中的自由旋轉(zhuǎn)曲線所示。

圖5　反轉(zhuǎn)速度曲線

2)驗(yàn)證改變占空比可以調(diào)節(jié)永磁電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)。設(shè)定異步電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在175 r/min，即永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速始終維持在35 r/min，當(dāng)直驅(qū)永磁電機(jī)拖動(dòng)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)能量吸收裝置的占空比，會(huì)使永磁直驅(qū)電機(jī)輸出不同的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)矩-占空比曲線

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明反轉(zhuǎn)能量吸收裝置的有效性、穩(wěn)定性，最后將該裝置應(yīng)用于遼河油田、大慶油田等12口螺桿泵采油井，并在某井進(jìn)行了掉電等測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。圖7中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，從反轉(zhuǎn)開始時(shí)刻記錄電機(jī)反轉(zhuǎn)速度隨時(shí)間變化曲線。反轉(zhuǎn)初始階段，電機(jī)反轉(zhuǎn)速度迅速上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于35 r/min時(shí)，反轉(zhuǎn)能量吸收裝置及時(shí)介入，使轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過短暫震蕩后穩(wěn)定在35 r/min左右，經(jīng)過近40 s后，反轉(zhuǎn)能量消耗殆盡，可通過電機(jī)自由旋轉(zhuǎn)方式釋放剩余少許能量。測(cè)試結(jié)果表明反轉(zhuǎn)控制器均及時(shí)、可靠的介入反轉(zhuǎn)抑制過程，使抽油桿柔性釋放反轉(zhuǎn)能量。

圖7　在井運(yùn)行曲線

4結(jié)論

提出的基于能耗制動(dòng)原理的自適應(yīng)反轉(zhuǎn)制動(dòng)器，可以有效解決突然掉電等工況下螺桿泵井反轉(zhuǎn)勢(shì)能釋放問題。該反轉(zhuǎn)制動(dòng)器可以應(yīng)用于不同井況、不同類型的直驅(qū)永磁電機(jī)。由于該制動(dòng)器體積小、質(zhì)量輕，可以安裝于永磁電機(jī)接線盒內(nèi)，而且成本低，無需維護(hù)，適應(yīng)各種戶外環(huán)境，為螺桿泵地面直驅(qū)采油技術(shù)的推廣提供了安全、可靠的保證。

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Rod String Backspin Energy Consume Technology for Surface Direct-drive Screw Pump Well

WANG Shuaia，ZHANG Bingyia，LIU Lijunb，F(xiàn)ENG Guihonga

(a.SchoolofElectricalEngineering；b.SchoolofMechanicalEngineering，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870，China)

Abstract：As permanent magnet synchronous motor (PMSM) direct-drive screw pump well lost power and elastic energy stored in rod drive rod string and PMSM rotated in high speed causing rod break off or serious damage to drive-head，a new technology which controls PMSM rotating at low speed was presented to consume backspin energy.The technology applied dynamic braking method to release the backspin energy super capacitor supply power to the controller.By using PWM chopper adjustable resistance technique，braking torque can be changed according to feedback of speed in order to release the energy slow and incremental.Finally，experimental and application verified the effectiveness of the proposed technology.

Keywords：permanent magnet synchronous motor；surface direct-drive screw pump well；rod string backspin；energy consume；PWM chopper adjustable resistance

中圖分類號(hào)：TE931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.001

作者簡(jiǎn)介：王帥(1981-)，男，遼寧海城人，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制技術(shù)，E-mail：18698849278@126.com。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA061303)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177106)

收稿日期：2015-12-08

文章編號(hào)：1001-3482(2016)04-0001-04