永磁電機直驅螺桿泵井桿柱反轉能量吸收技術

王　帥，張炳義，劉利軍，馮桂宏

(沈陽工業大學 a電氣工程學院；b機械工程學院，沈陽110870)*

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永磁電機直驅螺桿泵井桿柱反轉能量吸收技術

王帥a，張炳義a，劉利軍b，馮桂宏a

(沈陽工業大學 a電氣工程學院；b機械工程學院，沈陽110870)*

摘要：針對永磁電機直驅螺桿泵井在突然斷電的情況下，抽油桿貯存的彈性勢能驅動永磁電機高速反轉，并導致抽油桿脫斷和驅動頭零部件飛逸等問題，提出一種永磁電機直驅螺桿泵井桿柱反轉能量吸收技術。該技術基于能耗制動原理，利用永磁電機反轉發出的電能作為控制電源，根據轉速反饋信號，通過調節PWM斬波調阻電路的占空比改變制動電阻阻值，保證在反轉速度恒定條件下，實現電機輸出制動轉矩隨反轉勢能的變化而自動調節的目的，使反轉能量低速、柔性釋放。通過試驗與在井運行的方式驗證了該技術的有效性。

關鍵詞：永磁電機；直驅螺桿泵井；桿柱反轉；能量吸收；PWM斬波調阻

永磁電機直驅螺桿泵采油是近年興起的一種新型螺桿泵驅動系統，與傳統的異步電動機配合減速機的驅動結構相比，具有傳動效率高、運轉穩定性好、節能環保等優點，應用前景廣闊[1-2]。該裝置采用位于地面的永磁電機直接驅動抽油桿旋轉并帶動井下泵工作，由于傳動距離過長，抽油桿會發生彈性扭轉形變，并貯存大量彈性勢能。當電機突然斷電時，抽油桿的彈性勢能迅速釋放，轉化為抽油桿與永磁電機反向旋轉的動能，驅動電機高速反轉。若井下未安裝防倒流開關，油管中的油液在油套壓差、油液重力的作用下回流，回流油液亦會驅動抽油桿與永磁直驅電機反向旋轉。若不加以控制，會發生抽油桿脫扣等故障，甚至引起設備零部件飛逸等安全事故，威脅到操作人員安全[3-4]。所以研究永磁電機直驅螺桿泵井桿柱反轉問題十分必要。

在實際應用中，多種措施被用來防止或降低電機反轉速度[4-7]，例如：①在部分油井安裝井下液柱防倒流開關，防止油液回流，減少了反轉能量，降低反轉速度；②在驅動頭安裝棘輪棘爪防反轉裝置，該方法可實現電機零反轉，使反轉能量在井下自由釋放，但這樣會導致抽油桿、井下泵等設備受到勢能沖擊而損壞，故采取電機低速反轉的方法實現勢能“柔性”釋放；③有部分油井使用液壓防反轉系統，該系統工作原理類同于汽車剎車系統，能夠自動柔性釋放反轉能量，無需人為介入，但對應用環境較苛刻，且維護標準較高；④采用楔塊防反轉方式，該方法基于超越離合器原理阻止抽油桿反轉，需通過手動調節反轉制動力實現柔性釋放；⑤采用電磁制動方式，實質是能耗制動，將永磁電機三相繞組與安裝在控制箱中的制動電阻串聯，形成穩態短路，產生與旋轉方向相反的制動轉矩，將動能轉化為電能，以熱量的形式在制動電阻上消耗掉，使電機低速反轉，實現柔性釋放。

綜合以上措施，從原理上可分為：機械制動方法和電磁制動方法兩類。機械制動方法大多需要人到井口手動操作，或者是需要頻繁、專業的維護才能實現完全、柔性釋放。目前大多采用電磁制動方法，而常規電磁制動方式過于簡單，井況變化多樣，對于反轉能量較大的高產井，若制動電阻阻值選配較低，制轉矩較大，但在較大的短路電流持續作用下，存在永磁體不可逆退磁的風險；若制動電阻阻值選配較大，則制動轉矩低，反轉速度高，易發生桿柱脫斷等故障。此外，若電機與控制箱之間的供電電纜意外斷路，反轉制動失效，后果不堪設想，因此，需要改進常規電磁制動方法。本文基于對地面驅動螺桿泵井反轉原因的分析，提出一種永磁電機直驅螺桿泵井桿柱反轉能量吸收技術，根據檢測出的電機實際轉速，采用PWM斬波調阻方法調節制動回路等效電阻阻值，抑制電機高速旋轉。通過試驗與在井運行的方式驗證了該方法的有效性。

1螺桿泵井反轉原因分析

抽油桿受到電機轉矩作用扭轉形變，且貯存彈性應變勢能W，當停井時，永磁直驅電機停止輸出轉矩，彈性應變勢能與回流油液的重力勢能W2迅速釋放，轉化為抽油桿與永磁直驅電機的動能，如圖1a所示。桿柱在反轉過程中所受的轉矩主要有直驅電機制動轉矩Tm、抽油桿內力偶矩Tf、回流液對泵轉子作用的反轉矩Tb，如圖1b所示。

a　結構

b　受力分析

假設直井的抽油桿是等截面均質、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]，由材料力學知識推導得抽油桿彈性扭轉角度θ與貯存的彈性勢能W為：

(1)

式中：Tm為電機的額定轉矩，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，永磁電機額定功率為30 kW，額定轉矩Tm= 2000 N·m。由式(1)算得彈性勢能理論值W=2.041×105J，彈性扭轉角度θ=10 060.5°，共計27.9圈，W產生的反轉轉矩Tf作用時間短，由大變小逐漸遞減。在斷電瞬間釋放的功率約為210 kW，是電機額定功率的7倍，且泵掛越深，則反轉能量越大。除此之外，若螺桿泵井未安裝井下防倒流開關，回流油液產生反轉能量加劇了電機反轉速度，且反轉速度隨著泵排量增大而加快，反轉持續時間長。

當螺桿泵井反轉時，永磁電機處于“發電機”狀態，將阻值為Ref的電阻分別串聯到電機各相繞組，產生與旋轉方向相反的制動轉矩。若Ref選擇過大，會造成制動轉矩過小，反轉速度高，易引起抽油桿脫扣等問題；若Ref選擇過小，會造成制動轉矩過大，制動電流大，反轉能量釋放時間長、不易完全釋放，在拆卸驅動頭時可能發生安全事故。

除此之外，制動電阻選配上的人為誤差可能使能耗制動作用失效，實際應用中，應該根據勢能的大小來調節電機輸出制動轉矩?；谝陨戏治觯疚奶岢鲆环N安裝在電機上的新型反轉能量吸收裝置。

2新型反轉能量吸收裝置

反轉能量吸收技術是：保持直驅永磁電機以設定的最高反轉速度旋轉，實現電機輸出轉矩根據反轉能量的大小能自動調節的目的。其原理為：將設定的反轉最高轉速與實際電機轉速做減運算，得出偏差量Δω，若Δω<0則說明實際轉速超過設定的最高轉速，需增大電機制動轉矩，降低制動電阻阻值；若Δω>0則說明實際轉速未達到設定的最高轉速，可減小永磁電機制動轉矩，調高制動電阻阻值，加快反轉能量釋放速度，直至阻值達到最大后斷開制動回路，讓電機自由旋轉至反轉能量完全釋放。同時將該裝置安裝于永磁電機上，防止電機供電線路意外斷路的情況下反轉制動失效。

為了防止調節制動電阻時產生制動轉矩突變，對設備產生沖擊，故自適應反轉控制器采用PWM斬波調阻原理，平滑的調節制動電阻阻值，反轉能量吸收裝置的控制框圖如圖2所示。轉速觀測器是根據永磁電機反電勢來計算電機的實際轉速。

圖2　反轉能量吸收裝置控制框圖

反轉能量吸收裝置組成框圖如圖3所示，電路分為整流單元、超級儲能電源、IGBT斬波單元和阻容吸收單元4部分，整流單元將永磁電機發出的交流電整流成直流，斬波單元調節IGBT導通、關斷時間比例kp，實現制動電阻實際值的連續變化。通?？刂齐娐废牡碾娔芘c電機發出的電能相比可以忽略不計，故采用高低溫性能好、充放電快、壽命長的超級電容作為斬波單元電路的控制電源，并聯與直流母線兩端，由永磁直驅電機制動時回饋的電能充電，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IGBT導通時，制動電阻被短接，此時制動回路電流最大Imax，制動轉矩最大Tmax；當IGBT關斷時，參考電阻并入回路，此時制動回路電流最小Imin，制動轉矩最小Tmin，調節PWM的占空比kp，電路的等效電阻不同，使直流側電流始終在Imax和Imin之間變化，制動轉矩在Tmax和Tmin之間變化。

3試驗與應用

為了驗證反轉能量吸收裝置的有效性，搭建了螺桿泵地面直驅永磁電機反轉試驗臺，如圖4所示。

該試驗臺的反轉驅動電機采用110 kW、額定轉矩為1 350 N·m的異步變頻電動機，并在反轉驅動電機端加裝測速編碼器、轉矩測試儀，經速比為5∶1的減速箱換向后驅動永磁電機旋轉，控制器與30 kW、額定轉矩為2 000 N·m的螺桿泵地面直驅永磁電機接線端相連，并預設定控制器的反轉最高轉速為35 r/min，進行如下試驗。

圖4　螺桿泵地面直驅永磁電機反轉試驗臺

1)模擬抽油桿驅動永磁電機反轉試驗。反轉驅動異步電動機拖動直驅永磁電機旋轉，從0～600 N·m逐漸提高反轉驅動電機輸出轉矩，運行20 s后降低反轉驅動電機輸出轉矩至300 N·m，保持10 s后結束，直驅永磁電機輸出的1.5倍額定轉矩的制動轉矩，能量吸收裝置能夠準確地跟蹤實際轉速，并保持在35 r/min左右，如圖5所示。若吸收裝置不介入反轉，反轉速度會迅速上升接近至減速箱輸出的拖動轉速，如圖5中的自由旋轉曲線所示。

圖5　反轉速度曲線

2)驗證改變占空比可以調節永磁電機制動轉矩試驗。設定異步電機轉速保持在175 r/min，即永磁電機轉速始終維持在35 r/min，當直驅永磁電機拖動反轉驅動異步電動機旋轉時，調節能量吸收裝置的占空比，會使永磁直驅電機輸出不同的制動轉矩，如圖6所示。

圖6　轉矩-占空比曲線

從以上試驗數據證明反轉能量吸收裝置的有效性、穩定性，最后將該裝置應用于遼河油田、大慶油田等12口螺桿泵采油井，并在某井進行了掉電等測試，測試數據如圖7所示。圖7中橫坐標表示時間，從反轉開始時刻記錄電機反轉速度隨時間變化曲線。反轉初始階段，電機反轉速度迅速上升，當轉速大于35 r/min時，反轉能量吸收裝置及時介入，使轉速下降，經過短暫震蕩后穩定在35 r/min左右，經過近40 s后，反轉能量消耗殆盡，可通過電機自由旋轉方式釋放剩余少許能量。測試結果表明反轉控制器均及時、可靠的介入反轉抑制過程，使抽油桿柔性釋放反轉能量。

圖7　在井運行曲線

4結論

提出的基于能耗制動原理的自適應反轉制動器，可以有效解決突然掉電等工況下螺桿泵井反轉勢能釋放問題。該反轉制動器可以應用于不同井況、不同類型的直驅永磁電機。由于該制動器體積小、質量輕，可以安裝于永磁電機接線盒內，而且成本低，無需維護，適應各種戶外環境，為螺桿泵地面直驅采油技術的推廣提供了安全、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，FENG 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：TE931.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.001

作者簡介：王帥(1981-)，男，遼寧海城人，博士研究生，研究方向為特種電機及其控制技術，E-mail：18698849278@126.com。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2012AA061303)；國家自然科學基金項目(51177106)

收稿日期：2015-12-08

文章編號：1001-3482(2016)04-0001-04