摘 要：針對國外變頻器價格昂貴、調(diào)試周期和維修周期長等特點，我公司自主研發(fā)了可替代進口機的高性能鉆機國產(chǎn)專用變頻器。該變頻器能夠從零開始調(diào)速，當鉆井卡鉆時，能及時斷開電動機，在低速提升時，能最大限度地發(fā)揮電動機的動力特性，提供 220% 的轉(zhuǎn)矩輸出。變頻器易安裝、調(diào)試 、 維護，性能穩(wěn)定，在油田鉆井變頻領(lǐng)域填補了國內(nèi)空白。 關(guān)鍵詞： 鉆機 變頻器 傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) Abstract: In consideration of the disadvantage of high price, long periods of debugging and maintenance of foreign inverters, a special inverter is developed for the high quality domestic drill rig, which can be used to replace the imported rigs. The inverter can start from zero to the modulate velocity, when low speed increases, power performance of the motor will be brought into full plays and 220% torque input is provided. The inverter is easy to be installed and debugged, repaired and with high stability ， has filled the domestic gaps in the field of well drilling frequency conversion of oil field. Key words: Drill rig Inverter Actuating system Control system 1 引言 油田鉆機是油井生產(chǎn)的最主要的設(shè)備之一，它的正常運轉(zhuǎn)和工作效率直接關(guān)系到油井的經(jīng)濟建設(shè)和成井率 。 由于其鉆井工藝的特殊性，對鉆機電控設(shè)備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹慎，長期以來一直是國外產(chǎn)品的天下。由于國外變頻器存在價格昂貴，調(diào)試周期長，維修周期長的特點，油田上因變頻器故障得不到及時維修 , 造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時有發(fā)生。在這種形式下，我公司針對鉆機的特殊工況，自主研發(fā)了可替代進口機的鉆機國產(chǎn)專用變頻器。該變頻器體積小，重量輕，便于安裝、調(diào)試 、 維護 , 效率高，性能穩(wěn)定。 變頻驅(qū)動鉆機較傳統(tǒng)鉆機有以下優(yōu)點：節(jié)能，操作簡單，無級調(diào)速，控制精度高，工作效率高。變頻技術(shù)在油田鉆機上的開發(fā)應(yīng)用，不僅提高了鉆機的水平，改善了鉆機的操作性能，更重要的是加強了鉆機的作業(yè)能力，提高了鉆井效率和質(zhì)量。 2 原油田鉆機系統(tǒng)存在的問題 大慶市石油管理局井下鉆井公司原有一套可打 3000m 深度的鉆井設(shè)備。該設(shè)備控制系統(tǒng)主要包括三大部分：動力系統(tǒng)（由 2 × 500KW 柴油發(fā)電機組構(gòu)成， 2 臺機組并網(wǎng)于 3 相， 380V/50Hz 交流母線）；泥漿循環(huán)系統(tǒng)；鉆井傳動系統(tǒng)（包括 1 套 500KW 電機轉(zhuǎn)盤和絞車驅(qū)動系統(tǒng)、 4 臺 45KW 液壓泵等）。現(xiàn)場設(shè)備圖如下圖 1 示。針對原控制系統(tǒng)存在工作效率低，操作復雜等諸多問題，我們配合大慶市石油管理局井下鉆井公司對該油田鉆機進行了變頻改造。具體來說該控制系統(tǒng)存在以下問題： （ 1 ） 司鉆工只有通過不斷更換五個檔位，才能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鉆進壓力，進而改變鉆進速度，工作效率低。 （ 2） 每次 換檔時 , 電動機要反復啟停幾次 ,在起動過程中會產(chǎn)生過大的啟動電流， 對電網(wǎng)和其他設(shè)備造成沖擊 ,常因 電動機啟動電流大而引起發(fā)電機組電壓下降，其他設(shè)備無法正常工作。 （ 3 ） 低速提升時 , 只有更換低檔位才能達到低速控制要求 ,而 電動機在鉆井過程中處于工頻運行狀態(tài)，浪費了大量的電能。 [ALIGN=CENTER] 圖 1 現(xiàn)場設(shè)備圖 [/ALIGN] 3 技術(shù)改造方案 鉆井傳動系統(tǒng)是油田鉆機系統(tǒng)中必備的組成部分，一旦傳動系統(tǒng)不能運行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失（如卡鉆），還有可能威脅到現(xiàn)場生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對傳動系統(tǒng)要求具有極高的可靠性 。 我公司是國內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，具有低壓大功率變頻器多年成功運行的生產(chǎn)經(jīng)驗，且性價比高。根據(jù) “經(jīng)濟、高效、可靠”的原則， 大慶市石油管理局井下鉆井公司選擇了我公司生產(chǎn)的風光牌 JD - BP32 - 500Z （ 500KW/380V ）鉆機專用 變頻器，該 鉆機專用 變頻器配備了工業(yè)控制計算機作為上一級監(jiān)控系統(tǒng)，液晶觸摸操作，可對各種運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，具備完善的保護功能和定位監(jiān)控系統(tǒng)，自動化程度高。 3 . 1 鉆機專用 變頻器系統(tǒng)組成框圖 該系統(tǒng)組成框圖如圖 2 示。 [ALIGN=CENTER] 圖 2鉆機專用 變頻器系統(tǒng)組成框圖 [/ALIGN] K 萬能斷路器 C 交流接觸器 M 絞車電機 3 . 2 鉆機專用 變頻器系統(tǒng)介紹 該系統(tǒng)包括四部分 ∶ 1 ）進線開關(guān)柜 開關(guān)柜的主要功能是負責設(shè)備供電、變頻器外圍設(shè)備的過電流保護以及變頻器控制電源的濾波。主要由萬能斷路器、交流接觸器和控制電源的濾波組成。 2） 變頻柜 變頻器由兩個交 - 直 - 交逆變單元組成，采用單元并聯(lián)技術(shù)，增大了變頻器容量；采用公共直流母排方案 ; 采用獨特的吸收電路 （ 如圖 3 所示 ） ，減小了 di/dt, 保護了功率模塊，增大了安全系數(shù)。 因鉆機工況的特殊性，當鉆機遇到巖石等硬質(zhì)層時，電流會在瞬間升高很大，產(chǎn)生對模塊的直接沖擊，長此工作之后，會造成模塊應(yīng)力的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結(jié)壓降保護相結(jié)合的雙重保護，從而減少了特殊情況下對模塊的極限沖擊，即使輸出相間直接短路 , 模塊也能在 10us 內(nèi)及時封鎖輸出 , 保護了變頻器 , 提高了整機的安全性和可靠性。 [ALIGN=CENTER] 圖 3 吸收電路圖[/ALIGN] U+ 正母線 U- 負母線 IGBT 功率模塊 R 電阻 D 快恢復二極管 C 電容 3） 制動單元 該部分主要負責系統(tǒng)快速停機時，耗掉系統(tǒng)的慣性能量，內(nèi)含剎車電阻和剎車控制系統(tǒng)，采用芯片自處理技術(shù)控制剎車界限 , 安全可靠。 因為鉆具提升下放中，電動機有發(fā)電狀態(tài)，造成變頻器母線電壓升高，對主電路器件安全造成威脅，所以需要外加能耗制動單元，將母線電壓保持在安全范圍以內(nèi)。當母線電壓高于設(shè)定值時，剎車控制芯片輸出占空比隨母線電壓成線性變化的 PWM信號，這就使剎車比較平穩(wěn)，傳動系統(tǒng)沒有沖擊，延長了設(shè)備壽命。 剎車電路如圖 4 示。 [ALIGN=CENTER] 圖 4 剎車電路圖[/ALIGN] U+ 正母線 U- 負母線 IGBT 功率模塊 R 剎車電阻 4） 遠程系統(tǒng) 該部分主要實現(xiàn)變頻系統(tǒng)的遠控操作和監(jiān)控以及提供對外部進行數(shù)據(jù)交換的接口。 3 . 3 系統(tǒng)主要控制功能 a ：電機啟動 / 停止 b ：電機正轉(zhuǎn) / 反轉(zhuǎn) c ：變頻系統(tǒng)復位 d ：頻率調(diào)節(jié) e : 多段速控制 f ：電機電流和轉(zhuǎn)速顯示 g ：變頻器運行指示 h ：變頻器故障指示 以上 8 點功能在工控機觸摸屏上均能實現(xiàn)，同時能提供對外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的接口，留有 16 路數(shù)字輸入接口， 10 路數(shù)字輸出接口，同時留有一路 RS232 通訊接口。 3.4 變頻系統(tǒng)主要技術(shù)指標 1 .） 額定功率 500KW 2 .） 額定輸入電壓 380VAC 3 相 3 .） 允許電壓波動 ±20% 4 .） 額定輸入頻率 50Hz 5.）允許 頻率波動 ±5% 6.） 額定輸出電壓 380VAC 3 相 7.） 額定輸出頻率 33 . 5Hz 8.） 額定輸出電流 940A 9.）過載 能力 1 . 5 倍電流 1 分鐘 10.） 短路保護 2 . 0 倍電流立即保護 11.）工作方式 連續(xù) 12.） 最高輸出頻率 50Hz 13.） 操作鍵盤 中文液晶觸摸屏 14.）界面語言 簡體中文 3.5 系統(tǒng)特殊性能 石油鉆機專用變頻器與一般變頻器相比較，性能主要有以下不同點： （ 1 ）變頻器能夠從 “零”開始調(diào)速，方便變速箱換檔，從而避免掛換檔時反復啟停 電機的情況，即當變頻器頻率低于 2 Hz時，此時電機無扭矩，處于自由狀態(tài)。 （ 2）當 鉆井堵鉆時，變頻器能及時斷開電機，保護動力設(shè)備，避免轉(zhuǎn)矩過大扭斷鉆具，因此變頻器設(shè)置了負載限制功能。 （ 3 ）在低速提升時，變頻器能最大限度的發(fā)揮電動機的動力性能，提供 220% 轉(zhuǎn) 矩 輸出。 3 . 6 其它注意事項 （ 1）載波頻率的選擇 提高載波頻率對改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會使開關(guān)損耗增加，散熱負擔加重，所以選擇時必須權(quán)衡利弊，本設(shè)備中載波頻率選擇為2kHz。 （ 2）低頻補償功能 在深層鉆進中，因為負載較重，起鉆時需要較大的力矩，低頻往往提不動。設(shè)置低頻補償后，啟動電壓可設(shè)定，很好的解決了這一問題。 （ 3）控制信號的傳輸 在變頻器功率特別大的情況下，強烈的電磁干擾很容易造成控制信號錯亂。為了從根本上解決這個問題，我們用光纖來傳輸控制信號，并讓非光纖部分盡量短，主電路引線電感盡量低，很好的解決了干擾問題。 4 變頻器現(xiàn)場情況 （ 1）變頻器結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單。 我山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP32-500Z變頻器所有部分裝在配電柜內(nèi)，不需要另外的電抗器、濾波器等設(shè)備裝置。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試周期短，投入生產(chǎn)快。 （ 2）電機運行平穩(wěn)，溫升正常。 變頻器拖動電機為大連天元電機有限公司生產(chǎn)的石油鉆機專用電動機 YP2-355L-6BJ,電機運行平穩(wěn)，啟動時無沖擊電流，無機械沖擊，噪音較小。 （ 3）變頻器運行穩(wěn)定，性能可靠。 JD-BP32-500Z自投產(chǎn)運行以來，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑，電壓和電流穩(wěn)定，變頻器功率因數(shù)達0.95以上，效率高于98%，不遜于進口產(chǎn)品。 （ 4）操作界面簡單，易于掌握。 變頻器采用 WINDOWS界面，運行過程中，各種參數(shù)在界面上直接顯示，也可以通過觸摸屏進行操作,容易掌握。故障發(fā)生時，變頻器進行保護，同時提供故障信息，便于設(shè)備的維護。 （ 5 ）應(yīng)用舉例：在取心井上的應(yīng)用 取心井，顧名思義是把巖心從井下取出，目的為研究地質(zhì)構(gòu)造和原油分布層次。由我公司生產(chǎn)的風光牌 JD-BP32-500Z 變頻器于 2004 年 6 月，在大慶市井下鉆井大隊 30102 隊一口取心井安裝調(diào)試。此井設(shè)計井深 2130m ，自 1542m 到 1605m 下限為取心段，共取心 8 筒，收獲率均達 99% 以上。在正常打井時用二檔，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 280rpm ，變頻輸出電流在 200 — 800A 之間。提升時頻率為 7Hz 左右，最大提升電流不超過 1000A 。整個鉆井過程中電流變化如下表： 鉆井過程中，減少了換檔次數(shù)，減少了大的啟動電流對電機的沖擊，同時也減輕了司鉆工的勞動強度，提高了整個井隊的工作效率。且低頻取心提升時，電機轉(zhuǎn)速只有 120rpm 。 5 系統(tǒng)改造效果 系統(tǒng)變頻運行，電機實現(xiàn)了軟啟動、軟停車。鉆機起停平穩(wěn)，延長了電機的使用壽命，避免了電機燒毀等經(jīng)濟損失，減少了設(shè)備維修費用。系統(tǒng)具有過流、過壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護。本變頻器良好的驅(qū)動性能，保護了鉆井設(shè)備并提高鉆井的質(zhì)量，用戶給予了很高的評價。經(jīng)過近一年的生產(chǎn)運行表明，該變頻器性能好，可靠性高，操作 方便，用戶達到了 改造的 預期效果。 6 結(jié)束語 在鉆機的更新改造中，就其控制系統(tǒng)方案而言，采用交流變頻驅(qū)動，代表著鉆機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向。而變頻器具有的諸多優(yōu)點可大大提高油田鉆機的裝備水平。我山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP32-500Z大功率變頻器在油田鉆機上的成功應(yīng)用，為國產(chǎn)變頻器又開辟出一個全新的市場，在油田鉆井變頻領(lǐng)域填補了國內(nèi)空白。如今數(shù)十臺鉆機變頻器已經(jīng)投入運行，鉆機變頻器經(jīng)受住了惡劣條件的考驗， 運行效果良好，有著廣闊的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α? 參考文獻 [1]山東新風光電子使用手冊[Z]. 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司. [2]山東新風光電子鉆機專用變頻器大慶石油鉆機運行報告. [3]山東新風光電子鉆機專用變頻器鑒定材料. [4]徐衛(wèi)龍 . 品質(zhì)與服務(wù)，國產(chǎn)品牌成長的基石 .第四屆變頻器行業(yè)企業(yè)家論壇會論文集（2005年）. 作者簡介： 劉德田（1981-），工程師，現(xiàn)在山東新風光電子科技發(fā)展有限公司從事變頻器的調(diào)試和技術(shù)支持工作。 地 址：（272500）山東汶上廣場路2號。 工作單位：山東新風光電子科技發(fā)展有限公司 E-mail：info@fengguang.com