永磁无刷电机直接驱动螺杆泵系统应用原理

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 (3)

1．永磁无刷电机 (3)

1.1永磁无刷电机介绍 (3)

1.2永磁无刷电机结构 (4)

1.3 永磁无刷电机换向工作原理 (6)

1.4永磁无刷电机反电动势定义 (6)

1.5永磁无刷电机转矩/转速特性 (7)

1.6永磁无刷电机额定规格及性能参数 (8)

1.7永磁无刷电机与其它类型电机比较 (9)

2．霍尔传感器 (10)

2.1霍尔效应理论 (11)

2.2霍尔位置传感器 (11)

3．永磁无刷电机驱动器………………………………………………

1 2

3.1驱动器基本构成 (12)

3.2驱动器换向工作原理 (13)

3.3永磁无刷电机的驱动 (13)

3.4驱动器的电磁刹车功能 (16)

3.5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。

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

图1．螺杆泵永磁无刷电机驱动系统示意图

380V

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

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：

◆输入电压范围：交流380V±10%；

◆额定转矩：1000N.m；

◆调速范围：0-250转/分；

◆过载转矩倍数：4倍（0-50%额定转速范围）；

◆效率：额定效率91%，工作调速范围内效率大于85%；

◆功率因数：工作调速范围内大于0.9；

◆环境条件：－40℃到+60℃，户外型，有灰沙、盐雾侵蚀；

◆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：

◆较好的机械特性

◆动态响应快

◆高效率

◆工作寿命长

◆运行无噪音

◆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。

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然比较便宜但却存在单