浅谈500KW/380V 国产钻机专用变频器的研制与应用

　　一、引言

　　钻机（drill）是在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备。又称钻探机。主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具 。 可用于钻取岩心 、矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。油田钻机是油井生产的主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。 由于其钻井工艺的特殊性，对钻机电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的缺点，油田上因变频器故障却得不到及时维修造成质量事故的现象时有发生。并且国外变频器在结构上采用变频器并联的形式，占地面积大，给井队搬家带来不必要的麻烦。变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

　　变频驱动钻机较传统钻机有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制高，工作效率高。变频技术在油田钻机上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。

　　二、原油田钻机系统存在的问题

　　大庆市石油管理局井下钻井公司原有一套可打 3000 米深度的钻井设备。该设备控制系统主要包括三大部分：动力系统（由 2 × 500KW 柴油发电机组构成， 2 台机组并网于 3 相， 380V/50Hz 交流母线）；泥浆循环系统；钻井传动系统（包括 1 套 500KW 电机转盘和绞车驱动系统、 4 台 45KW 电机如液压泵等）。

　　该控制系统存在以下问题：

　　（1）司钻工只有通过不断更换五个档位，才能调节转盘转速和钻进压力，进而改变钻进速度，工作效率低。

　　（2） 每次 换档时 , 电动机要反复启停几次 ,在起动过程中会产生过大的启动电流， 对电网和其他设备造成冲击 ,常因 电动机启动电流大而引起发电机组电压下降，其他设备无法正常工作。

　　（3） 低速提升时 , 只有更换低档位才能达到低速控制要求 ,而 电动机在钻井过程中处于工频运行状态，浪费了大量的电能。

　　针对原控制系统存在工作效率低，操作复杂等诸多问题，我们配合大庆市石油管理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。

　　三、技术改造方案

　　钻井传动系统是油田钻机系统中必备的组成部分，一旦传动系统不能运行，不但影响生产，造成巨大经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对传动系统要求具有极高的可靠性。变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

　　1 .钻机专用 变频器系统组成框图

　　该系统组成框图如图 1 示：

　　K 断路器

　　C 交流接触器

　　M 绞车电机

　　2 .钻机专用 变频器系统介绍

　　该系统包括四部分 ∶

　　1）进线开关柜∶

　　开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。主要由断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。

　　2） 变频柜 ∶

　　变频器由两个交 - 直 - 交逆变单元组成，采用单元并联技术，增大了变频器容量；采用公共直流母排方案，共用电容器组，增大了电容器容量；采用独特的吸收电路 （ 如图 2 所示 ） ，减小了 di/dt, 保护了功率模块，增大了安全系数。

　　因钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，电流会在瞬间升高很大，产生对模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击。吸收电路如图2所示。

　　U+：正母线 U-：负母线 IGBT： 功率模块 R： 电阻 D：快恢复二极管 C：电容

　　3） 制动单元 ∶

　　该部分主要负责系统快速停机时，耗掉系统的惯性能量，内含刹车电阻和刹车控制系统，采用芯片自处理技术控制刹车界限 , 安全可靠。

　　4）远程系统：

　　该部分主要实现变频系统的远控操作和监控以及提供对外部进行数据交换的接口。

　　3.系统主要控制功能

　　（1）电机启动 / 停止

　　（2）电机正转 / 反转

　　（3）变频系统复位

　　（4）频率调节

　　（5）电机电流电机转速显示

　　（6）变频器运行指示

　　（7）变频器故障指示

　　以上 7 点功能在工控机触摸屏上均能实现，同时能提供对外部设备进行数据交换的接口，留有 16 路数字输入接口， 10 路数字输出接口，同时留有一路 RS232 通讯接口，方便与外部设备进行数字交换。

　　4. 变频系统主要技术指标 :

　　额定功率 500KW

　　额定输入电压 380VAC 3 相

　　输入电压波动 ±20%

　　额定输入频率 50Hz

　　频率波动 ±5%

　　额定输出电压 380VAC 3 相

　　额定输出频率 33 . 5Hz

　　额定输出电流 940A

　　过载电流 1 . 5 倍电流 1 分钟

　　输出短路电流 2.0 倍电流立即保护

　　工作方式连续

　　输出频率 50Hz

　　5. 系统特殊性能：

　　石油钻机专用变频器与一般变频器相比较，性能主要有以下不同点：

　　（1）变频器能够从 “零”开始调速，方便变速箱换档，从而避免挂换档时反复启停电机的情况，即当变频器频率低于 2 Hz时，此时电机无扭矩，处于自由状态。

　　（2）当 钻井堵钻时，变频器能及时断开电机，保护动力设备，避免转矩过大扭断钻具，因此变频器设置了负载限制功能。

　　（3）在低速提升时，变频器能限度的发挥电动机的动力性能，提供 220% 转矩 输出。

　　四、应用举例：在取心井上的应用

　　取心井，顾名思义是把岩心从井下取出，目的为研究地质构造和原油分布层次。由我公司生产的 JD-BP32-500 变频器于 2004 年 6 月在大庆市井下钻井大队 30102 队一口取心井安装调试。此井设计井深 2130 米，自 1542 米到 1605 米下限为取心段，共取心 8 筒，收获率均达 99% 以上。在正常打井时用二档，转盘转速 280 转 / 分，变频输出电流在 200 — 800A 之间。整个钻井过程中电流变化如下表1：

　　钻井过程中，减少了换档次数，减少了大的启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻工的劳动强度，提高了整个井队的工作效率。且低频取心提升时，电机转速只有 120 转 / 分，据实测数据显示，采用变频改造后，打一口井节省柴油 15t 。

　　五、改造效果

　　系统变频运行，电机实现了软启动、软停车。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命和维修周期，避免了电机烧毁等经济损失，减少了维修费用。系统采用过流、过压、欠压、短路、缺相、温升、失速等多种保护，更加安全可靠。本系统良好的驱动性能，保护了钻井设备并提高钻井的质量，用户给予了很高的评价，经过近一年的生产运行，该系统性能好，可靠性高，操作方便，达到了 改造的 预期效果。

　　六、结束语

　　在钻机的更新改造中，就其控制系统方案而言，采用交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向。而变频器具有的诸多优点可大大提高油田钻机的装备水平。