低速大扭矩交流变频电动机直驱转盘系统

低速大扭矩交流变频电动机直驱转盘系统

梁锋达如宝熊元波李建磊

（西部钻探工程有限公司玉门钻井分公司甘肃酒泉735000）

摘要：鉴于传统的钻机转盘已不能满足各类新型钻井工艺要求的状况，研制了一种新型直驱转盘系统。该系统采用新研制的低速大扭矩交流变频电动机代替常规电驱动转盘的高速电动机，省去了大型减速箱这一中间传动机构，减少了中间的故障点，提高了传动效率，同时也更加方便转盘的维护与保养。

关键词：低速大扭矩，电动机

引言

转盘系统在钻井过程中起着非常重要的作用。近年来，随着石油勘探开发工作的发展，钻井难度不断增加，钻遇地层日益复杂，石油勘探正在向更深的海域和陆地深处进行钻井，新型钻井工艺及特殊油气层开采需要发展的水平井、定向井和超深井等特殊钻井工艺技术不断出现，对转盘设备的性能提出了更高要求，也使得钻井转盘必须突破传统结构形式，以满足各类钻井工艺的要求

一、低速大扭矩永磁同步变频电机主要性能优势

永磁电机效率和功率因数高，节能效果显著。永磁电机与异步电动机效率与功率因数与负载率之间的特性相比，具有明显的优越性，取消了机械装备的中间环节，提高了传动链效率。去齿轮化，改变了原来机械装备的传动模式。将永磁电动机与机械负载直接相连，消除了低速大转矩传动系统中的电机与机械负载之间的各个传动环节，大幅度简化了机械装备的传动链。噪音小，无污染，免维护。取消了减速机、液力耦合器等故障率高的机械装置，节省了日常维护费用、润滑费用及所耽搁的工作时间。

低速大扭矩直驱电机专用永磁同步变频电动机是拥有自主知识产权的新型转子结构及水冷定子结构实现变频起动同步运行的永磁电动机，兼有感应电动机和电励磁同步电动机特点。针对原电机配套老式YR电机市场淘汰及效率低、功率因数偏低等缺点所开发的新型电动机，转子采用内嵌入稀土永磁材料实心结构，变频起动，运行时由转子永磁体提供磁场结合定子旋转磁场持电动机同步运行。

哲能效益。有功节电量考核回报率是节能效果的一种最直观的体现，但更换永磁在改善功率因数、降低电网线路损耗无功补偿等方面意义重大。减速机的维护及维修费用也是相当可观的，省去减速机后，更加利于设备维护。

二、应用效果

该变频控制系统已在电动搅拌机上进行了应用试验，并取得了较好的测试效果。在配置了该变频控制系统的净化系统中，测试良好，得到了用户的认可与好评。实践证明，与降压启动控制相比，使用该系统启动主电机时没有大的启动冲击电流，大功率的电动机能够以较小的电流轻松启动。通过模式及转速设置开关，用户可以根据不同的工况调节工作转速和选择相应的工作模式。可编程控制器对变频电动机与液压泵功率匹配的自动优化控制，使得变频电动机的有效功率得到了充分发挥。根据不同工况的需要，选择相应的工作模式，调节转速旋钮，可编程控制器便会根据选择的模式和转速旋钮的位置计算并发出变频器的工作频率指令。变频器按照可编程控制器发出的工作频率驱动变频电动机工作。

低速大扭矩交流变频电动机直驱转盘系统主要由变频控制柜、司钻远程控制台、电动机底座总成、低速大扭矩交流变频电动机、惯性刹车、万向节和ZP275DB转盘等组成，转盘系统的具体结构见图1。电动机固定在电动机底座总成上，然后固定在钻台下面，再通过惯性刹车和万向节与ZP275DB转盘连接。该转盘系统在设计上有以下特点:①结构简单，电动机直接驱动，省去中间减速箱传动环节，传动效率高，维护保养方便、简单;②优化设计低速大扭矩交流变频电动机，减小电动机尺寸，电动机具有交流变频特性，功率因数高，易于控制;③安装尺寸小，质量轻，比ZJ40LDB钻机用常规的转盘驱动系统质量减轻约1.3t;④综合运用能耗制动技术与惯性刹车系统有效地解决钻井过程中的问题。

异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。永磁同步电机起动力矩大，起动电流小，且能精确控制转速，更具有工艺性，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中＂大马拉小车＂的现象.工作温升。异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生巨大的热量，使电机的温度升高，影响了电机的使用寿命，由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎没有电流，使电机温度适中，延长了电机的寿命.

低速大扭矩交流变频电动机直驱转盘系统工业样机研制成功后，在ZJ40LDB垂直起升套装钻机上完成了现场安装、调试。先后在公司多口井进行现场试验，试验过程中转盘转速80～110r/min，电动机电流200～400A。试验结果表明，钻井过程中转盘驱动系统运行良好，低速大扭矩电动机在低速情况下能够提供较大扭矩，完全可以满足现场施工要求，特别有利于水平井等复杂结构井的施工及井下复杂情况的处理。

三、直驱转盘交流变频控制系统

矢量控制技术。转盘控制系统的核心是采用矢量控制技术，实现转盘的无级调速、扭矩限制和零速满转矩输出等功能，电、气联锁技术，采用能耗制动技术实现交流变频电动机工作特性，达到转盘减速或制动的目的。控制系统包括机械惯性刹车装置，可以实现电、气联锁系统。闭环反馈控制技术。转盘的实际扭矩达到或超过设定值时，其转速将自动降低，保证扭矩不超过设定值，以保证钻井安全。当实际扭矩没有达到设定值时，转盘在设定的转速下工作。它还具有正反向旋转切换、显示、锁定、保护和报警等功能。

结束语：

针对以往现场出现的问题，笔者研制了一种新型直驱转盘系统。该系统采用新研制的低速大扭矩交流变频电动机替代常规电驱动转盘的高速电动机，从而省去大型减速箱这一中间传动机构，减少了中间的故障点，提高了传动效率，同时也更加方便转盘的维护与保养。

参考文献

[1]胡传正，魏彬.电传动技术在工程机械上的应用[J].工程机械，2016（8）：101-103.

[2]黄德中.工程机械智能化的内容与发展展望[J].机械设计，2016（10）：30-31.

[3]孟晓芳.变频器应用与维修[M].北京：机械工业出版社，2017：17-18.