變頻器在電動(dòng)修井機(jī)上的應(yīng)用

劉健，田恒，陳楠

（中國(guó)石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280）

應(yīng)用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)修井機(jī)具備安全可靠、調(diào)速平滑方便、節(jié)省電能等特點(diǎn)，但受修井機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載逐漸減小、只在少數(shù)時(shí)刻需要大轉(zhuǎn)矩等因素的影響，電動(dòng)修井機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的功率浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題日益受到業(yè)界重視。盡可能的解決這類問(wèn)題，正是本文圍繞變頻器在電動(dòng)修井機(jī)上應(yīng)用開(kāi)展具體研究的原因所在。

1 變頻器在電動(dòng)修井機(jī)上的應(yīng)用思路

1.1 變頻器類型的選擇

電動(dòng)修井機(jī)上應(yīng)用的變頻器可以細(xì)分為交-直-交變頻器和交-交變頻器，其中交-直-交變頻器在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，這是由于其具備逆變控制簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。此外，變頻器還可以按照控制方式、用途進(jìn)行劃分，按照前者劃分可以將變頻器分為SF控制變頻器、U/f控制變頻器、矢量控制變頻器，而后者則能夠劃分為專用變頻器、高頻變頻器、通用變頻器、高壓變頻器等。

1.2 交-直-交變頻器的選擇

本文的研究主要基于交-直-交變頻器在電動(dòng)修井機(jī)上的應(yīng)用來(lái)展開(kāi)。主電路與控制電路屬于交-直-交變頻器的主要構(gòu)成，這里的主電路還能夠細(xì)分為逆變電路、中間直流部分、整流電路。為滿足電動(dòng)修井機(jī)的自動(dòng)控制需要、解決傳統(tǒng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的不足，本文研究選用了ABB公司ACS880-01-246A型號(hào)的110kW變頻器，該變頻器屬于高性能、多功能的通用變頻器，其具備的無(wú)速度傳感器矢量控制功能、電機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)功能、自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能屬于主要優(yōu)勢(shì)，由此實(shí)現(xiàn)的高轉(zhuǎn)矩及高精度控制、各種運(yùn)行條件的最佳控制，使得ACS880-01-246A型號(hào)變頻器能夠較好的滿足電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制的需要。

2 應(yīng)用變頻器的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 控制電路

圖1為應(yīng)用變頻器的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主電路圖，圖中的 VVVF、M0、M1、M2、M3、M4分別為變頻器、三相交流多極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)液壓鉗油泵、驅(qū)動(dòng)剎車油泵、風(fēng)機(jī)電機(jī)（M0散熱用）、空氣壓縮機(jī)，而QM1-QM7、KF0-KF4則分別為各支路斷路器與各自電動(dòng)機(jī)支路的熱繼電保護(hù)器，QM0為主電路總斷路器，T1、P1、WKQ、S6分別為兩相交流變壓器、三相電能表、智能型溫控器（保護(hù)電動(dòng)機(jī)）、電壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。深入分析圖1不難發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用變頻器的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制電路可細(xì)分為變頻器指令動(dòng)作控制電路、通訊電路、模擬量采集和處理電路、保護(hù)電路，其中變頻器指令動(dòng)作控制電路主要負(fù)責(zé)為主電動(dòng)機(jī)供電，通訊電路則負(fù)責(zé)變頻器、PLC以及文本顯示屏的通訊，保護(hù)電路包括保護(hù)、故障復(fù)位、指示燈報(bào)警電路。

圖1 應(yīng)用變頻器的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主電路圖

2.2 運(yùn)行方式

本文研究的應(yīng)用變頻器電動(dòng)修井機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要通過(guò)帶動(dòng)絞車轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)懸掛油管主鉤起升和下放動(dòng)作的控制，變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流多極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)M0屬于系統(tǒng)的主要工作部分，變頻器驅(qū)動(dòng)采用了U/f控制方式，并具備自動(dòng)與手動(dòng)的兩種操作模式，為避免出現(xiàn)燒毀變壓器的問(wèn)題，系統(tǒng)在投入前，需要做好功率限制值的設(shè)定。

3 變頻器在電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

3.1 控制方案

考慮到首次提升需要較大力矩，以及運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載逐漸減小的電動(dòng)修井機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)，采用電動(dòng)機(jī)運(yùn)行恒功率段調(diào)速的方式進(jìn)行電動(dòng)修井機(jī)的控制，由此結(jié)合負(fù)載實(shí)際輸出大轉(zhuǎn)矩或提高轉(zhuǎn)速，即可有效減小電機(jī)體積、實(shí)現(xiàn)功率的充分利用。相較于傳統(tǒng)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，本文研究的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，具備更為優(yōu)秀的自動(dòng)控制功能，在變頻器的支持下，系統(tǒng)能夠結(jié)合負(fù)載的大小，實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，由此即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的容量和能力的最大化利用，這種基于自動(dòng)恒功率運(yùn)行的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，也因此具備能夠自動(dòng)識(shí)別負(fù)載情況、充分利用三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)、較好保護(hù)油井電源變壓器等優(yōu)勢(shì)。

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)修井機(jī)電動(dòng)機(jī)恒功率的運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)電流這一依據(jù)必須得到重視，結(jié)合電動(dòng)機(jī)功率表達(dá)式不難發(fā)現(xiàn)，電流的變化能夠代表電動(dòng)機(jī)的功率變化趨勢(shì)，而結(jié)合三相交流多極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，具備一定無(wú)功補(bǔ)償作用的變頻器屬于其中的關(guān)鍵，因此選擇了變頻器輸入端電網(wǎng)電流作為電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制加減速的依據(jù)。

3.2 控制原理

實(shí)現(xiàn)主電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、保護(hù)、報(bào)警，需要得到PLC與變頻器的通訊控制支持，而U/f控制模式則能夠結(jié)合油田修井作業(yè)機(jī)的工作實(shí)際，而且電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的整個(gè)頻率范圍劃分為高、中、低3段，通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)量選擇，因此電動(dòng)機(jī)的控制流程可以簡(jiǎn)單描述為：“電機(jī)運(yùn)行→最大允許輸出功率→加/減速→最大運(yùn)輸輸出功率→電機(jī)停止”。值得注意的是，本文研究的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)具備自動(dòng)模式與手動(dòng)模式共兩種控制方式，其中自動(dòng)模式采用PLC實(shí)現(xiàn)控制，這是由于PLC具備可以調(diào)用無(wú)數(shù)的繼電器線圈指令、可實(shí)現(xiàn)參數(shù)集成顯示、運(yùn)算速度較快等優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于手動(dòng)模式來(lái)說(shuō)，選擇了使用通訊方式讀取電位器數(shù)值的讀取給定頻率方法，由此將原分壓制作為最大速度檔頻率的給定電壓值，即可滿足電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制需要。

3.3 變頻器通訊協(xié)議的應(yīng)用

為保證變頻器較好服務(wù)于電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，變頻器通訊協(xié)議的應(yīng)用必須得到關(guān)注。本文研究的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)選用了ABB公司ACS880-01-246A型號(hào)的110kW變頻器，由于該變頻器內(nèi)置了RS485、RS232C兩個(gè)接口，因此確定了表1所示的變頻器參數(shù)設(shè)置，表1的確定是由于RS485接口能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的32臺(tái)變頻器控制，因此選用RS485通訊(表1)。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

結(jié)合ABB公司ACS880-01-246A型號(hào)的110kW容量變頻器通訊數(shù)據(jù)編碼的特點(diǎn)，選擇了ASCII碼形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其中HD、IN、OP、DT、SUM、EN分別為開(kāi)始代碼、變頻器編號(hào)、指令代碼、數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)和終止碼，如系統(tǒng)的終止碼為0DH，指令代碼與變頻器面板上調(diào)用修改的指令代碼一樣，而開(kāi)始代碼則為2AH。值得注意的是，為提高電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，變頻器會(huì)對(duì)接收的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，只有確定數(shù)據(jù)正確無(wú)誤才會(huì)使用和執(zhí)行。

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)主要圍繞PLC和變頻器通訊對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制展開(kāi)，而負(fù)載實(shí)驗(yàn)則圍繞整個(gè)電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，整體配合作業(yè)過(guò)程的展開(kāi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可確定本文研究的電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載的變化進(jìn)行恒功率的自動(dòng)控制，調(diào)速的平滑性優(yōu)秀、基本沒(méi)有震蕩，且能夠快速性調(diào)速，屬于電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)所具備的優(yōu)勢(shì)，由此可直觀了解本文研究所具備的較高的借鑒價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，變頻器能夠較好服務(wù)于電動(dòng)修井機(jī)，在此基礎(chǔ)上，本文圍繞電動(dòng)修井機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，開(kāi)展了控制電路、運(yùn)行方式、控制方案、控制原理、變頻器通訊協(xié)議等內(nèi)容的論述，提供了較高可行性的電動(dòng)修井機(jī)變頻器的應(yīng)用思路。為了更好地推動(dòng)油田領(lǐng)域的發(fā)展，如何引入性能更為優(yōu)秀的變頻器，也應(yīng)得到業(yè)界人士的關(guān)注。