变频器在石油钻机中的应用
1 引言
交流变频钻机是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有诸多现用机械驱动钻机和直流驱动钻机无法比拟的优越性，这种钻机的核心技术就是采用交流变频,其可以满足钻机工作在四个象限，上提和下放钻具速度全过程自由掌控，简化了钻机结构,此外交流电机无碳刷，防爆性能大大提高，免除了更换碳刷，从而保障了生产的长期可靠进行。交流变频钻机是石油钻机今后的发展趋势。
2 全变频石油钻机电控系统配置
50DBS全变频石油钻机电控系统是由上海三高石油设备有限公司和ABB公司联合设计并生产的5000m交流变频钻机，日前已顺利完成中原油田两口井的施工任务，分别为2900m生产井和4500m预探井。该钻机具有国际领先技术水平，不仅设计理念紧随世界潮流，而且选用了世界一流公司ABB的电气传动设备，运行平稳，安全可靠。
该钻机共有7台800kW交流变频电机，电机由永济电机厂生产。2台泥浆泵各由2台电机驱动，绞车由2台电机单独或共同驱动，转盘由1台电机驱动。交流变频电机的控制设备采用的是ABB公司的ACS600 Multidrive系列变频器。
钻机的传动系统结构(见图1)包括ABB专门为传动系统而设计的高性能专用控制器(AC80)以及具有明确定义功能和接口的全数字交流变频器控制装置ACS600MultiDrive，AC80控制器适用于交、直流传动，是一个具有全部软件和硬件设备的控制器，用于处理应用中的特殊功能。1个AC80通过光纤分配器NDBU-95可连接7个数字传动控制器。数字传动控制器不能编程，但可以通过设置参数来选择不同的工作方式和各种功能。电机控制程序设置在数字传动控制器中，通过AC80给出的速度或力矩给定进行控制。AC80采用的两路通讯，冗余控制技术，与ABB变频器采用高速光线通讯技术,可靠性能高。程序编制充分考虑了钻井工况要求，符合生产实际需要，设备保护完备。编码器的运用，不仅可以监测大钩高度，而且能够设定绞车自动减速范围和速率，确保安全生产。
ACS600 MultiDrive 是全数字交流变频器，能达到控制交流电机的完美极限。 ACS600是第一代采用直接转矩控制技术(DTC)的交流变频器，它能够在没有光码盘或测速电机的反馈的条件下，精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。ACS600MultiDrive主要包含辅助控制单元(ACU)、进线单元(ICU)、供电单元(DSU)、动态制动单元(DBU)、传动单元(Drive Section)、控制单元(Control Section).
图1 50DBS钻机的传动系统结构图
3 传动系统的设计
(1)供电单元(DSU)
二极管供电单元把三相交流电转化成为直流电，用于非再生传动系统,系统设计中考虑到钻机工作的高可靠性, 供电单元的采用冗余配置, 2个二极管供电单元构成,其通过控制系统可实现任意单电源或双电源的工作状况选择,从而保证了为逆变器持续可靠的运行。
(2) 传动单元(Drive Section):
每一个逆变器都有一个传动控制单元(DCU)，它包括应用和电机控制器(AMC)和标准I/O板。标准传动控制单元(DCU)位于柜体的侧面，简化了维护工作。逆变器内部有电容器，用以消除直流母线的电压波动。它通过熔断器和直流母线连接。
(3) 动态制动单元(DBU)
●制动斩波器单元为同步并联的制动斩波器单元。(见图2)
● 连接到监控系统的控制板，用于侦测系统的状态和处理并联斩波器的同步。
●独立的制动电阻，用于释放制动能量
4 传动的优越性能
(1) 电源断电时的运行:ACS600将利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，ACS600将继续运行。
(2) 零速满转矩:由ACS600带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。
(3) 起动转矩:DTC提供的精确的转矩控制使得ACS600能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。
(4) 自动起动:ACS600的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为ACS600能在几ms内测出电机的状态，任何的条件下在0.48s内迅速起动。
(5) 精确速度控制:ACS600的动态转速误差在开环应用时为0.4%s，在闭环应用时为0.1%s。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s，闭环时为0.3%s。ACS600变频器的静态精度为0.01%。
(6) 精确转矩控制:动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1~5ms.
图2 制动单元的光纤通讯结构图
5 结束语
一年来的使用情况，ABB变频器性能稳定，自我保护及故障跟踪非常完善，特有的直接力矩(DTC)控制,确保了精度的要求，完全适用于石油钻机。其特有的主从机转矩控制，使电机负荷分配均匀，机械设备运行相当平稳,制动单元的通过光纤通讯实现的主从控制,保证了绞车系统在能耗制动过程的可靠运行,去掉了原有的电磁涡流刹车装置， 变频器采用模块化结构设计,维护更方便。
实践证明，该钻机电控系统满足钻井工况要求，钻机的绞车,. 转盘,泥浆泵可实现无级变速,调速范围宽,容易实现钻机的自动化.智能化,和自适应控制.具有转盘扭矩限制功能,可防止钻具或机件的扭断.负载功率因数高,可降低供电电源的容量.目前由于全球油气勘探难度的增加,迫使个石油公司不断采用新技术发展新设备, 变频器的应用使钻机性能的全面提高成为可能
参考文献
[1] ACS600 MultiDrive 变频器使用说明书。
作者简介
吴 伟 男 电气工程师 主要从事油田中电气设备的变频改造设计应用开发等工作。
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