摘 要：針對國外變頻器價格昂貴、調試周期和維修周期長等特點，我公司自主研發了可替代進口機的高性能鉆機國產專用變頻器。該變頻器能夠從零開始調速，當鉆井卡鉆時，能及時斷開電動機，在低速提升時，能最大限度地發揮電動機的動力特性，提供 220% 的轉矩輸出。變頻器易安裝、調試 、 維護，性能穩定，在油田鉆井變頻領域填補了國內空白。 關鍵詞： 鉆機 變頻器 傳動系統 控制系統 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的最主要的設備之一，它的正常運轉和工作效率直接關系到油井的經濟建設和成井率 。 由于其鉆井工藝的特殊性，對鉆機電控設備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹慎，長期以來一直是國外產品的天下。由于國外變頻器存在價格昂貴，調試周期長，維修周期長的特點，油田上因變頻器故障得不到及時維修 , 造成質量事故的現象時有發生。在這種形式下，我公司針對鉆機的特殊工況，自主研發了可替代進口機的鉆機國產專用變頻器。該變頻器體積小，重量輕，便于安裝、調試 、 維護 , 效率高，性能穩定。 變頻驅動鉆機較傳統鉆機有以下優點：節能，操作簡單，無級調速，控制精度高，工作效率高。變頻技術在油田鉆機上的開發應用，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能力，提高了鉆井效率和質量。 2 原油田鉆機系統存在的問題 大慶市石油管理局井下鉆井公司原有一套可打 3000m 深度的鉆井設備。該設備控制系統主要包括三大部分：動力系統（由 2 × 500KW 柴油發電機組構成， 2 臺機組并網于 3 相， 380V/50Hz 交流母線）；泥漿循環系統；鉆井傳動系統（包括 1 套 500KW 電機轉盤和絞車驅動系統、 4 臺 45KW 液壓泵等）。現場設備圖如下圖 1 示。針對原控制系統存在工作效率低，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，才能調節轉盤轉速和鉆進壓力，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 ,在起動過程中會產生過大的啟動電流， 對電網和其他設備造成沖擊 ,常因 電動機啟動電流大而引起發電機組電壓下降，其他設備無法正常工作。 （ 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，浪費了大量的電能。 [ALIGN=CENTER] 圖 1 現場設備圖 [/ALIGN] 3 技術改造方案 鉆井傳動系統是油田鉆機系統中必備的組成部分，一旦傳動系統不能運行，不但影響生產，造成巨大的經濟損失（如卡鉆），還有可能威脅到現場生產人員的人身安全（如井噴），所以對傳動系統要求具有極高的可靠性 。 我公司是國內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經驗，且性價比高。根據 “經濟、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 變頻器配備了工業控制計算機作為上一級監控系統，液晶觸摸操作，可對各種運行數據進行監控，具備完善的保護功能和定位監控系統，自動化程度高。 3 . 1 鉆機專用 變頻器系統組成框圖 該系統組成框圖如圖 2 示。 [ALIGN=CENTER] 圖 2鉆機專用 變頻器系統組成框圖 [/ALIGN] K 萬能斷路器 C 交流接觸器 M 絞車電機 3 . 2 鉆機專用 變頻器系統介紹 該系統包括四部分 ∶ 1 ）進線開關柜 開關柜的主要功能是負責設備供電、變頻器外圍設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，采用單元并聯技術，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。 因鉆機工況的特殊性，當鉆機遇到巖石等硬質層時，電流會在瞬間升高很大，產生對模塊的直接沖擊，長此工作之后，會造成模塊應力的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結壓降保護相結合的雙重保護，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快速停機時，耗掉系統的慣性能量，內含剎車電阻和剎車控制系統，采用芯片自處理技術控制剎車界限 , 安全可靠。 因為鉆具提升下放中，電動機有發電狀態，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。當母線電壓高于設定值時，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，傳動系統沒有沖擊，延長了設備壽命。 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 該部分主要實現變頻系統的遠控操作和監控以及提供對外部進行數據交換的接口。 3 . 3 系統主要控制功能 a ：電機啟動 / 停止 b ：電機正轉 / 反轉 c ：變頻系統復位 d ：頻率調節 e : 多段速控制 f ：電機電流和轉速顯示 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，同時能提供對外部設備進行數據交換的接口，留有 16 路數字輸入接口， 10 路數字輸出接口，同時留有一路 RS232 通訊接口。 3.4 變頻系統主要技術指標 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 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。 （ 2）當 鉆井堵鉆時，變頻器能及時斷開電機，保護動力設備，避免轉矩過大扭斷鉆具，因此變頻器設置了負載限制功能。 （ 3 ）在低速提升時，變頻器能最大限度的發揮電動機的動力性能，提供 220% 轉 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，會使開關損耗增加，散熱負擔加重，所以選擇時必須權衡利弊，本設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。設置低頻補償后，啟動電壓可設定，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 變頻器現場情況 （ 1）變頻器結構緊湊，安裝簡單。 我山東新風光電子科技發展有限公司生產的 JD-BP32-500Z變頻器所有部分裝在配電柜內，不需要另外的電抗器、濾波器等設備裝置。體積小，結構緊湊，安裝簡單，現場配線少，調試周期短，投入生產快。 （ 2）電機運行平穩，溫升正常。 變頻器拖動電機為大連天元電機有限公司生產的石油鉆機專用電動機 YP2-355L-6BJ,電機運行平穩，啟動時無沖擊電流，無機械沖擊，噪音較小。 （ 3）變頻器運行穩定，性能可靠。 JD-BP32-500Z自投產運行以來，轉速調節平滑，電壓和電流穩定，變頻器功率因數達0.95以上，效率高于98%，不遜于進口產品。 （ 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。故障發生時，變頻器進行保護，同時提供故障信息，便于設備的維護。 （ 5 ）應用舉例：在取心井上的應用 取心井，顧名思義是把巖心從井下取出，目的為研究地質構造和原油分布層次。由我公司生產的風光牌 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試。此井設計井深 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，轉盤轉速 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，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，電機轉速只有 120rpm 。 5 系統改造效果 系統變頻運行，電機實現了軟啟動、軟停車。鉆機起停平穩，延長了電機的使用壽命，避免了電機燒毀等經濟損失，減少了設備維修費用。系統具有過流、過壓、欠壓、短路、缺相、溫升、失速等多種保護。本變頻器良好的驅動性能，保護了鉆井設備并提高鉆井的質量，用戶給予了很高的評價。經過近一年的生產運行表明，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 結束語 在鉆機的更新改造中，就其控制系統方案而言，采用交流變頻驅動，代表著鉆機驅動技術的發展方向。而變頻器具有的諸多優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展有限公司生產的風光牌JD-BP32-500Z大功率變頻器在油田鉆機上的成功應用，為國產變頻器又開辟出一個全新的市場，在油田鉆井變頻領域填補了國內空白。如今數十臺鉆機變頻器已經投入運行，鉆機變頻器經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展潛力。 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]徐衛龍 . 品質與服務，國產品牌成長的基石 .第四屆變頻器行業企業家論壇會論文集（2005年）. 作者簡介： 劉德田（1981-），工程師，現在山東新風光電子科技發展有限公司從事變頻器的調試和技術支持工作。 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展有限公司 E-mail：info@fengguang.com