永磁无刷电机直接驱动螺杆泵系统应用原理

1、永磁无刷电机直接驱动螺杆泵系统应用技术永磁无刷电机直接驱动螺杆泵系统应用大庆油田装备制造集团2007.12.3目 录一、 驱动系统介绍1二、 驱动系统技术指标2三、 驱动系统结构说明31 永磁无刷电机31.1永磁无刷电机介绍31.2永磁无刷电机结构41.3 永磁无刷电机换向工作原理61.4永磁无刷电机反电动势定义61.5永磁无刷电机转矩/转速特性71.6永磁无刷电机额定规格及性能参数81.7永磁无刷电机与其它类型电机比较92 霍尔传感器102.1霍尔效应理论112.2霍尔位置传感器113 永磁无刷电机驱动器123.1驱动器基本构成123.2驱动器换向工作原理133.3永磁无刷电机的驱动133.

2、4驱动器的电磁刹车功能163.5驱动器操作功能简介16一、 驱动系统介绍螺杆泵做为一种油田人工举升设备，近年来在大庆油田得到广泛应用，其它油田也在积极推广中。螺杆泵属于容积泵，它适用于含砂、含气、油稠的场合，具有节电、占地少的优点，下泵深度不超过1500米的直井几乎都可以使用螺杆泵。永磁无刷电机（BLDC）直接驱动螺杆泵系统是永磁无刷电机在石油人工举升设备领域中的应用。系统基本工作原理是：采用专用永磁无刷电机做为螺杆泵地面驱动头，驱动头带有密封装置且直接安装在油井井口上，螺杆泵驱动光杆直接穿过电机的转子空心轴，即电机直接带动光杆一起旋转，举升井液，省掉了异步电机驱动系统的皮带和减速齿轮，电机上

3、部采用机械密封防止井液从光杆连接处渗漏。电机由专用控制器驱动，并可通过该控制器实现对螺杆泵转速的平滑调节及各种保护功能。位置测量传感器安装在定子上，感知转子的位置。其余部分包括在驱动器中。驱动系统示意图如图1所示。图1螺杆泵永磁无刷电机驱动系统示意图与传统螺杆泵高速异步电机带减速箱的机械式驱动装置相比，螺杆泵永磁无刷电机直接驱动系统具有以下诸多优点：免维护、节能效果明显、运行噪声低、容易调速、渗漏小、有效防止泵杆断裂等。直驱系统上述诸多优点使得其未来在螺杆泵采油设备上的应用会越来越广泛。表1给出了直驱系统与传统机械式驱动系统的对比。表1. 螺杆泵直驱系统与传统机械减速式驱动系统的比较特性直驱式

4、传统机械式维护量由于不使用机械减速箱和皮带传动装置，使机械维护量大大降低需要周期性维护，为减速箱注油，更换传动皮带工作寿命较长较短效率高无机械减速装置，且永磁电机本身效率高低机械减速装置要消耗一部分功率，且异步电机由于功率因数运行效率较低驱动装置重量与体积重量与体积小驱动头简单，只有电机加上密封装置，且永磁电机在功率相同的前提下体积较小较大由于带机械减速装置，占地面积大而且重调速范围较宽可以在额定转速范围内平滑调速较窄要改变转速，只能更换传动皮带或配备异步电机变频器，且受机械减速箱的限制，调速范围较窄产生的电磁噪音低较大机械减速装置产生较大噪音制造成本较高由于电机采用永磁体，因而电机制造成本较

5、高，且必须配备相应的控制器较低异步电机和减速装置成本较低，380V常用异步电机变频器价格也较低系统保护性能可通过控制器自动改变加在泵杆上的扭矩大小，有效保护螺杆泵，防止断杆、油井抽空等故障出现由于泵杆的速度总是保持不变，无法降速，即无法限制泵杆的扭矩，易造成扭断泵杆、井下螺杆泵定子脱落、减速器内齿轮断裂、烧坏电机等故障系统控制要求必须依靠控制器才能使电机运转，借助控制器可以调速控制对于恒速运行不需要控制器，如果需要调节速度则需要配备相应的控制器二、 驱动系统技术指标永磁无刷电机直接驱动螺杆泵系统技术指标如下：u 输入电压范围：交流380V±10%；u 额定转矩：1000N.m；u 调

6、速范围：0-250转/分；u 过载转矩倍数：4倍（0-50%额定转速范围）；u 效率：额定效率91%，工作调速范围内效率大于85%；u 功率因数：工作调速范围内大于0.9；u 环境条件：40到+60，户外型，有灰沙、盐雾侵蚀；u 驱动器：配置按键和显示，可现场设置、读取所需参数。三、 驱动系统结构说明螺杆泵永磁无刷电机直接驱动系统在结构上可主要分为：永磁无刷电机、位置传感器、专用控制器、机械密封防渗漏装置几部分。以下对这些主要组成部分逐一说明。1、永磁无刷电机1.1 永磁无刷电机介绍永磁无刷电机（BLDC）采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火

7、花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故其在工业领域中的应用越来越广泛。BLDC电机相对于有刷直流电机和异步电机而言，具有以下诸多优点：u 较好的机械特性u 动态响应快u 高效率u 工作寿命长u 运行无噪音u 调速范围宽1.2 永磁无刷电机结构BLDC电机属于同步电机的一种，即定子产生的磁场和转子产生的磁场以相同频率旋转。BLDC电机不存在异步电机所谓的“转差率”定义。BLDC电机有一相、两相和三相三种规格，三相BLDC电机是应用最为广泛的一种。图2永磁无

8、刷电机总装模型图图3永磁无刷电机实际外形图用于螺杆泵的永磁无刷交流电机由定子、空心转子、位置传感器和壳体组成，绕组为三相。永磁无刷交流电机的模型如图2所示，实际外形如图3所示。其在结构上与有刷电机正好相反。无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序，产生旋转磁场，推动转子做旋转运动。(1) 定子BLDC电机的定子是由冲有绕组槽孔的硅钢片叠压而成，绕组固定在轴向定子冲槽当中。BLDC电机的定子与异步电机的定子结构比较相似，而不同之处在于BLDC电机的绕组分布方式。大部分BLDC电机的三相定子绕组连接成Y型。这些绕组的每一组都由众多线圈相互连接而成。BLDC电机有两种不同的定子绕组类型：梯形和正弦，绕

9、组类型的不同取决于线圈的连接方式，这使得电机产生不同的反向电动势（EMF）波形。因此，梯形绕组产生的反电动势波形为梯形，而正弦绕组产生的反电动势波形为正弦波，除了产生的反电动势波形不同外，对应的相电流波形也有梯形和正弦波之分，相对于梯形绕组，正弦波绕组的BLDC电机输出的力矩更为平滑。但是正弦波绕组由于线圈匝数较多，绕组的耗铜量较大，增加了电机的制造成本。本系统采用正弦绕组连接方式。图4是BLDC电机的定子图。(2) 转子BLDC电机的转子由永磁材料构成，NS永磁体相互交替间隔放置组成12对极对数。以往常用铁氧体作永磁材料，随着技术的不断进步，稀土合金永磁材料逐渐得到推广，铁氧体永磁材料价格虽

10、然比较便宜但却存在单位体积下磁通密度较小的缺点。相比而言，稀土合金永磁材料单位体积下具有更高的磁通密度，这使得在产生相同转矩的情况下能够使转子的体积做的更小，同时稀土合金永磁材料也提高了电机的重量体积比，对于相同体积的BLDC电机稀土合金永磁材料能比铁氧体产生更大的转矩。冲压槽定子绕组图4 BLDC电机定子圆形铁芯，矩形磁极嵌在转子上图5 BLDC电机转子结构图铷、钐钴、铷合金以及铷铁硼都是典型的稀土合金永磁体。本系统采用烧结钕铁硼永磁材料（耐温180°以上）作转子永磁体。图5是转子永磁体排列结构图。1.3 永磁无刷电机换向工作原理三相BLDC电机工作时需要控制器通过换向不断产生旋转

11、。换向原理如下：每个换向次序都会使得电机其中一个绕组通入正电源（电流流入绕组），而第二个绕组通入负电源（电流流出绕组），第三个绕组处于不导通状态。由于定子线圈产生的磁场与转子永磁体相互作用，产生了转矩。理想情况下，当两个磁场相互之间呈90度时将产生峰值转矩，而当两个磁场相互平行时产生的转矩为零。为了使电机保持旋转，当转子旋转磁场接近定子磁场时，定子绕组产生的磁场必须改变位置。1.4 永磁无刷电机反电动势（back EMF）当BLDC电机旋转时，每个绕组都会产生叫做反电动势（back EMF）的电压，根据楞次定律，其方向与提供给绕组的主电压相反。这一反电动势的极性与励磁电压相反。反电动势与三个因

12、素有关：u 转子角速度u 转子磁体产生的磁场u 定子绕组的匝数公式1：反电动势（E）NlrB其中：N每相绕组的匝数，l转子长度，r转子的内径，B转子磁场密度，电机旋转角速度电机设计完成后，转子磁场和定子绕组的匝数都是固定的。唯一决定反电动势的因素就是电机旋转的角速度，或者说转子转速，随着转速升高，反电动势也随之增加。绕组两端的压降可以通过从供电电压中减去反电动势值计算得出。使用反电动势常数设计电机的方法如下：当电机以额定转速运行时，反电动势和供电电压间的电势差足以使电机消耗额定电流，提供额定转矩。如果电机转速超过额定转速，反电动势会显著增长，从而降低绕组两端的电压降，减小电机电流，从而导致电机

13、输出转矩降低。转速曲线上最后一点表示供电电压等于反电动势与电机中压降损耗之和，此时电机电流和转矩都等于0。1.5 永磁无刷电机的转矩/转速特性图5是BLDC电机的转矩速度特性曲线。用两个转矩参数来定义BLDC电机，峰值转矩（TP）和额定转矩（TR）。在连续工作区域，电机可以加载到额定转矩。对于BLDC电机，当速度逐渐上升到额定转速时，输出转矩仍能保持不变。电机的最高转速可以上升到额定转速的150，而此时转矩则会下降。当电机带泵杆从静止状态启动以及处于加速过程时，在这个短暂的过程中永磁无刷电机输出的转矩大于额定转矩。在这个过程中，额外的转矩用于克服井下负载以及转子本身的惯性。根据转矩速度特性曲线

14、，BLDC电机能够产生更高的转矩，最高可以达到峰值转矩。峰值转矩TP转矩额定转矩TR转速额定转矩最高转矩断续转矩区域连续转矩区域图5 BLDC电机转矩/转速特性曲线1.6永磁无刷电机额定规格及性能参数以安装在采油一厂北四队西2丙06井的永磁无刷电机为例来说明。表2为电机的额定规格。表3为永磁电机的性能参数表。表2. 螺杆泵直驱系统永磁电机额定规格表规格参数规格参数额定功率13KW控制方式磁场定向控制(FOC)，正弦波电流输出额定转速125rpm环境条件环境温度60°C，户外型有灰沙、盐雾侵蚀额定转矩1000Nm结构型式全封闭防爆型，无法采用光电传感器，采用霍尔元件，利用磁钢边缘效应定

15、位额定电流28.5A转轴外径不小于135mm过载转矩倍数4（在050%额定转速范围）相数3最高转速150rpm（仍维持恒转矩特性，但变频器输出电压380V）接法Y电源电压380V±10工作制连续额定频率25Hz转子磁钢极对数12表3. 螺杆泵直驱系统永磁电机性能参数表性能参数效率91.9%功率因数0.98最大转矩倍数>4（变频器输出电压为380V时，050%额定转速范围内）定子铜耗828.5W空载损耗250W总损耗1143.5W1.7 永磁无刷电机与其它类型电机的比较与有刷直流电机和感应异步电机相比，BLDC电机具有很多优点而缺点很少。无刷电机需要较少维护，因此相对于有刷直流电

16、机其寿命较长。单位体积下与有刷直流电机和感应异步电机相比，BLDC电机能够输出更大功率。由于BLDC电机转子是由永磁体构成，因而相对于其它类型电机BLDC电机的转子转动惯量较小。这就提高了系统的加减速性能，缩短了运转周期。BLDC电机的线性速度/转矩外特性使得速度调节具有可预测性。BLDC电机运行时比有刷直流电机产生的噪音更小，减小了电磁干扰（EMI）。表4是BLDC电机与有刷直流电机的对比，表5是BLDC电机与感应异步电机的对比。表4. 永磁无刷交流电机与有刷直流电机的比较特性永磁无刷交流电机有刷直流电机换向方式依靠霍尔传感器进行电子换向机械电刷换向维护量由于不使用电刷很少需要维护需要周期性

17、维护寿命较长较短速度/转矩特性平滑在额定负载下能够在全范围速度内工作较为平滑在高速情况下，电刷的摩擦增大，减少了电机输出的有用转矩效率高电刷上无电压降中等输出功率/体积比高由于热特性较高电机体积减小，由于BLDC电机定子固定在壳体上，散热性能较好中等或较低电机电枢产生的热量需要通过气隙散热，导致气隙温度升高限制了电机的输出功率/体积比转子惯量低，电机转子由永磁体构成，提高了动态响应性能较高，转子惯量限制了电机的动态响应性能调速范围较宽不存在电刷或换向器的机械限制较低存在电刷机械限制产生的电磁噪音低电刷产生的电磁噪音会对周围设备造成干扰制造成本较高由于采用永磁体，因而制造成本较高低控制控制系统复

18、杂而且昂贵控制简单且低廉控制要求必须依靠控制器才能使电机运转，借助控制器可以调速控制对于恒速运行不需要控制器，如果需要调节速度则需要配备相应的控制器表5. 永磁无刷交流电机与交流异步感应电机的比较特性永磁无刷交流电机交流感应电机速度/力矩特性平滑在额定负载下、在可调速范围内特性基本不变非线性低速下输出力矩较小输出功率与体积大小比高转子为永磁体，因此在给定功率下电机体积较小一般转子和定子都有绕组，输出功率与体积比不如永磁无刷交流电机转子惯量低电机动态性能较好高电机动态性能较差启动电流额定值不需要额外的启动电路最高大约是额定电流的七倍是否需要驱动装置必须配备相应的控制装置，并且可利用该装置进行调速

19、控制恒定转速情况下不需要控制器，如需调速则需配备调速装置转差转子与定子之间无旋转转差转子与定子间有转差，且当负载增加时，转差增大2、霍尔传感器与有刷直流电机不同，BLDC电机的换相采用电子方式控制。为了使BLDC电机产生旋转，定子绕组必须按顺序加电。因此知道转子的位置信息很重要，这样才能决定按照加电顺序哪个绕组导通。转子的位置信息一般采用内嵌在定子上的霍尔传感器来检测。实际设计中霍尔传感器安置在电机的端盖上，避免安装在定子铁心端部受绕组电流的影响，同时容易更换和维修霍尔传感器。任何时刻当转子磁极靠近霍尔传感器时，传感器就会给出高电平或低电平，表明是N或S极靠近传感器。依靠三个霍尔传感器给出信号

20、的组合，就可以决定确切的换相顺序。2.1 霍尔效应理论霍尔效应理论：如果将一个带电的导体放置在磁场当中，磁场就会给运动的载流子施加横向作用力，将载流子推到导体的一侧。这在薄片型的导体中更为明显。导体一侧电荷的不断累积就会平衡磁场的影响，从而在导体的两侧产生可测量的电势差。这种可测量电压的产生就称之为霍尔效应，它是以1879年发现该原理的E.H.hall的名字命名。霍尔效应可以形象地比喻为：好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动. 当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走. 故路 (导体) 的两侧, 就会产生电压差. 这个就叫“霍尔效应”。霍尔效应的原理图如图6所示。2.2

21、霍尔位置传感器霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器， 图6为霍尔效应原理图。在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场H，在薄片的横向两侧会出现一个电压Vh。当加上和片子表面垂直的磁场-H时，在薄片的横向两侧会出现一个反向的电压-Vh。图6霍尔效应原理图图7霍尔传感器电路图霍尔元件电路如图7所示，当某霍尔下方有磁场方向的改变时，其对应的OUT脚上的电平会有改变，如果将三个霍尔在定子上分别按120度角安装，则可以由此判断出转子的状态。霍尔传感器需要外部提供电源。电源电压从5V-24V，需要的电流在515mA之间。3、永磁无刷电机驱动器3.1驱动器基本构成驱动器由功率电子器件和集成电路等构

22、成，其功能主要是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。永磁无刷交流电机驱动器功能结构如图8所示，实际外形图如图9所示。驱动器外部电源为380V交流电网，滤波器由三个电抗器组成，去除电网和整流逆变两部分之间高次谐波的影响，整流部分由六个整流二极管组成，经电容滤波后供给逆变部分。系统控制功能由单片微处理器实现，接收电机电流采样信号、转子位置信号，与键盘、显示部分的单片微处理器通过串行口进行通讯，接受操作命令或将过程变量上传显示

23、。逆变部分中IGBT功率模块的开关信号也由系统控制生成。刹车部分由Y型连接的三相电阻及开关电路构成，将系统停机时泵杆弹性恢复产生的反转过程中的能量消耗掉。图8驱动器功能结构图图9驱动器外形图电磁刹车电阻操作面板接触器闸刀开关3.2 驱动器换向工作原理图10 螺杆泵BLDC电机驱动器控制原理简图图10是驱动器的控制原理简图。主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的H3、H2、H1方波，从而产生有效的六状态编码信号：010、011、001、101、100、110，通过逻辑组件处理产生V6V1导通、V

24、5V6导通、V4V5导通、V3V4导通、V2V3导通、V1V2导通，也就是说将直流母线电压依次加在U>V、W>V、W>U、V>U、V>W、U>W上，这样转子每转过一对N-S极，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此

25、循环，直流无刷电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。 3.3 永磁无刷电机的驱动驱动器采用120度方波的算法驱动IGBT从而来驱动直流无刷电动机。对IGBT信号的分配和电动机的位置有着紧密的联系，从BLDC的霍尔传感器反馈回来的位置信号经过编码后是：010、011、001、101、100和110六种状态，所以可以根据这六种位置状态信息来分配IGBT的驱动信号。在这里优先选用了IGBT的上桥臂用分配PWM信号，下桥臂分配高低电平的驱动方式，所以可以通过改变上桥臂PWM的占空比来改变加在直流无刷电动机上的端电压。信号分配和位置关系如图11所示。 图11 位置驱动信号关系图010011001101100110其中：V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT组成的三相全控桥电路，上桥的V1、V3和V5三个功率管，下桥的V2、V4和V6三个功率管，分别控制这U、V和W三相直流电的流向，如图10所示连接方式。H1、H2和H3是霍尔传感器的三个信号出线。如果换流不对或不当的