一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及柱塞式往复泵装备技术领域，尤其涉及一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统及其控制方法。


背景技术：

2.在煤炭开采中，高瓦斯矿井的瓦斯治理与瓦斯开采一直是煤矿开采的难题，通过煤矿井下压裂泵组对高瓦斯区域的压裂，能实现瓦斯快速抽放、治理区域广的特点，相比传统打孔抽放时间和效率均提高了三分之二。所以，煤矿井下压裂泵组在高瓦斯矿井的应用逐年提升。
3.随着煤矿井下开采，某些矿域会存在着复杂的地质条件变化，导致煤矿井下巷道突起、矿域内“小地震”的“矿震”现象。给煤矿开采带来了很大的安全隐患。通过煤矿井下压裂泵组实现定向分段压裂，能有效的改变地质结构，从而达到压裂提前释放矿震能量的效果。为后续开采工作打好基础。
4.目前煤矿井下压裂泵组普遍采用三相异步电机驱动，控制采用软启动或变频启动，普遍存在大功率设备体积大、存在减速装置、不便于运输、设备功率因数低、压裂泵不能实现额定转速范围内的恒功率输出，从而导致设备不能在工频以下达到满功率状态，造成压裂设备的流量、压力不能达到最大范围的调控。


技术实现要素：

5.针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统及其控制方法，能够使得压裂泵组达到满功率状态。
6.为达到以上目的，本发明的技术方案为：
7.一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统，包括压裂泵组、永磁调速电机、矢量控制模块、以及远程传输模块；
8.其中，所述矢量控制模块，用于获取压裂泵组的第一运行参数和永磁调速电机的第二运行参数，并根据第一运行参数和第二运行参数，对永磁调速电机进行交流量变换和弱磁恒功率矢量控制，使得永磁调速电机进入恒功率运行区间，进而压裂泵组在额定转速工作区域内恒功率运行；
9.所述远程传输模块，用于第一运行参数和第二运行参数的数据传输和控制模块的数据传输，便于设备实现远程操控和实时监测。
10.所述第一运行参数包括压裂泵组的流量、出口压力、润滑油温度、以及润滑油压力。
11.所述第二运行参数包括永磁调速电机的电压、电流、转矩、频率、以及磁通量。
12.所述矢量控制模块具体用于，将三相正交的交流量通过整定变换为三相可控的直流电，通过逆变器以及弱磁恒功率矢量算法，再将三相直流电变为三相可控的交流电输出，控制永磁电机的输入电压、电流、转矩、频率、磁通量参数，当永磁电机输出频率达到预设值
时，永磁调速电机恒功率输出。
13.所述预设值为7hz。
14.所述压裂泵组与有永磁调速电机的输出端直接连接。
15.所述压裂泵组额度功率达到1200kw，工作转速为83r/min—524r/min，频率为7hz—50hz的恒功率运行区间。
16.所述压裂泵组为5缸往复式压裂泵组，其最大工作压力55mpa，最大排量120m3/h。
17.一种基于上述的煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统的控制方法，包括：
18.1)、将永磁调速电机的输出端与所述压裂泵组的输入端直接相连接；
19.2)、获取压裂泵组的第一运行参数和永磁调速电机的第二运行参数；
20.3)、根据压裂泵组和永磁调速电机的运行参数，对永磁调速电机进行弱磁恒功率控制，使得永磁调速电机进入恒功率运行区间，以使得压裂泵组在额定转速工作区域内恒功率运行。
21.与现有技术比较，本发明的有益效果为：
22.本发明提供了一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统及其控制方法，能够根据永磁调速电机的弱磁恒功率矢量控制，当矢量输出电压随电机转速身高到逆变器能够输出的最大电压时，继续升高电机转速时永磁电机将无法再做恒转矩运行，而必须维持电枢绕组的电势平衡，进入恒功率运行区间。与传统变频控制相比较，要实现同等输出特性，不仅要加装变速箱装置，而且要加装变频装置，变频装置与变速箱装置也需要一个很好的耦合，所以本发明通过选择电机直接驱动压裂泵组负载，通过矢量控制电机运行，实现缩小设备体积，提高设备功率，从而更好的满足压裂工艺参数。具有流量和压力满足范围广、恒功率输出、功率因数高、矢量控制输出机械特性高、设备体积小的特点。
附图说明
23.图1是本发明煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统结构示意图；
24.图2是本发明煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统连接图；
25.图3是本发明煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统矢量控制系统电机输出各项参数曲线图。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
27.本发明煤矿井下直驱式大功率矢量控制压裂泵组，采用永磁电机，体积相比传统三相异步电机小三分之一以上。能实现电机与泵组直连，省去了变速环节，不仅能够节约成本和空间，更是提高了设备的功率因数，提高了设备效率，减小驱动设备的容量，省去了传统异步电机的铁损。由于永磁电机输出特性是一个非线性、多变量、高耦合的系统，其输出转矩与定子电流成复杂的函数关系，因此要得到更好的控制性能，必须进行磁场解耦，此时用到矢量控制技术，能避免传统电机的转差率对矢量控制算法的影响，更好的将矢量控制在永磁电机控制上发挥到完美的结合。而传统的变频控制技术只能满足t＝9550p/n，当处
于工频以下时，系统输出功率与转速近似呈比例关系，只能满足恒转矩输出。当处于工频状态时才能达到额定功率输出。不能实现额定转速范围内恒功率输出，也就不能满足压裂泵组额定转速范围内流量与压力输出的最大化与可调范围最大化的特点。为了能够使得永磁调速电机使用。如图1、2所示，本发明提供了一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统，包括压裂泵组1、永磁调速电机2、矢量控制模块3、以及远程传输模块4；
28.其中，所述矢量控制模块3，用于获取压裂泵组1的第一运行参数和永磁调速电机2的第二运行参数，并根据压裂泵组1和永磁调速电机2的运行参数，对永磁调速电机2进行交流量变换和弱磁恒功率矢量控制，使得永磁调速电机2进入恒功率运行区间，进而压裂泵组1在额定转速工作区域内恒功率运行；
29.所述远程传输模块4，用于第一运行参数和第二运行参数的数据传输和控制模块3的数据传输，便于设备实现远程操控和实时监测。通过远程监测控制压裂泵组1、永磁调速电机2、矢量控制模块3保证煤矿井下压裂的施工安全性与数据的实时监测保存，提高设备的自动化与智能化。
30.所述第一运行参数包括压裂泵组1的流量、出口压力、润滑油温度、以及润滑油压力。
31.所述第二运行参数包括永磁调速电机2的电压、电流、转矩、频率、以及磁通量。
32.本发明中，所述矢量控制模块3具体用于，将三相正交的交流量通过整定变换为三相可控的直流电，通过逆变器以及弱磁恒功率矢量算法，再将三相直流电变为三相可控的交流电输出，控制永磁电机的输入电压、电流、转矩、频率、磁通量参数，当永磁电机输出频率达到预设值时，永磁调速电机2恒功率输出。示例性的，所示预设值为7hz。
33.为了减小体积，和连接装置，本发明中所述压裂泵组1与有永磁调速电机2的输出端直接连接。本发明采用恒功率弱磁矢量控制技术，对于永磁调速电机2而言，永磁体在电机内是固定不变的，因此其自身产生的磁力大小是恒定的，这时需要弱磁控制只有改变电机的电枢反应。永磁场产生的反电动势和速度成正比关系，当矢量输出电压随电机转速身高到逆变器能够输出的最大电压时，继续升高电机转速时永磁电机将无法再做恒转矩运行，而必须维持电枢绕组的电势平衡，进入恒功率运行区间。
34.本发明正好利用了设备启动时恒转矩输出，启动完成后恒功率输出的特性，匹配了泵组额定工作转速为83r/min—524r/min的工作区间。使得泵组在额定转速工作区域内始终能实现恒功率运行。实现了设备频率在7hz—50hz的恒功率运行区间，且能满足设备在最高频率下的最低转矩输出大于设备最小运行转矩。
35.如图3所示，un代表矢量输出最大电压，pn代表矢量输出最大功率，tn代表矢量输出最大转矩，tmin代表最大额定转速时的输出转矩值。v1代表额定功率输出与额定转矩输出时的临界速度值，vn代表永磁电机额定输出转速值，即所述77r/min—550r/min，所述压裂泵组1为5缸往复式压裂泵组，其最大工作压力55mpa，最大排量120m3/h。
36.传统变频控制要实现同等输出特性，不仅要加装变速箱装置，而且要加装变频装置，变频装置与变速箱装置也需要一个很好的耦合(变速箱装置需要有一定的输入转速才能输出)。且不能实现电机在转速范围内恒功率输出的特性，只能满足于工频状态时达到电机额定功率运行。且只能在变速箱装置额定档位实现设备参数的调节。如果要用传统连接形式实现本发明设备输出参数，要以n次方的比例关系放大电动机、变频控制设备的容量等
级。
37.本发明中，通过矢量控制直驱式压裂泵组，相比传统的变频控制技术，不仅体积小，省去变速箱装置，而且控制精度高、功率因数高，实现电机直连压裂泵且在额定转速范围内恒功率输出的特点。能够满足各种精细化煤矿井下压裂工艺要求与不同的煤矿井下地质条件。应用范围更广、设备更专业。
38.另外，本发明中，提供了一种煤矿井下直驱式大功率压裂泵组系统的控制方法，包括：
39.1)、将永磁调速电机2的输出端与所述压裂泵组1的输入端直接相连接；
40.2)、获取压裂泵组1的第一运行参数和永磁调速电机2的第二运行参数；
41.3)、根据压裂泵组1和永磁调速电机2的运行参数，对永磁调速电机2进行弱磁恒功率控制，使得永磁调速电机2进入恒功率运行区间，以使得压裂泵组1在额定转速工作区域内恒功率运行。
42.本发明根据煤矿井下压裂泵组的传统连接形式，省去了中间变速箱环节，使得压裂泵组1与永磁调速电机2直接连接，减小设备体积更便于煤矿井下运输与连接。
43.对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。