淺析交流變頻電動機及其控制系統(tǒng)在石油鉆井中的運用

摘要：交流變頻電機的適用范圍較廣，在石油鉆井等工程建設(shè)領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用效果。文章以交流變頻電機的工作特點作為切入點，闡述其具體類型，探討該設(shè)備在石油鉆井領(lǐng)域的實際運用情況，并結(jié)合控制系統(tǒng)的工作特點，由此提出幾點應(yīng)對策略，以期充分發(fā)揮出交流變頻電機的應(yīng)用優(yōu)勢，為石油鉆井建設(shè)工作助力。

關(guān)鍵詞：石油鉆井;交流變頻;電動機

交流變頻調(diào)速技術(shù)迄今已經(jīng)取得飛躍式的發(fā)展，其在石油鉆采設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用水平日益提高，以電驅(qū)動鉆機頗具代表性，是業(yè)內(nèi)較主流的鉆機形式。相比于直流鉆機等傳統(tǒng)設(shè)備，交流變頻電機充分融入先進的交流變頻調(diào)速技術(shù)，可有效優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，在作業(yè)安全性、效率性等方面均有所改善，能夠給石油鉆井生產(chǎn)工作提供可靠的硬件支持。

1.交流變頻電動機的基本特點

交流變頻電機內(nèi)置電驅(qū)動鉆機，其特點在于可有效擺脫鉆井泵沖次對其產(chǎn)生的限制性作用，切實提高設(shè)備的運行能力;絕緣材料具有抗變頻器諧波的能力，有助于維持電動機的穩(wěn)定運行。輕便化特性顯著，有利于施工轉(zhuǎn)運、保養(yǎng)等工作的順利開展，從而在短時間內(nèi)保質(zhì)保量完成相關(guān)工作。

2.交流變頻電動機類型

2.1轉(zhuǎn)盤獨立電驅(qū)動鉆機

轉(zhuǎn)盤采取的是單獨驅(qū)動模式，換言之，通過轉(zhuǎn)盤獨立電驅(qū)動鉆機，運行更加穩(wěn)定。以多臺柴油機為主要動力源，配置液力耦合器，以便高效輸出動力。驅(qū)動絞車和鉆井泵得以協(xié)同運行的必要前提在于經(jīng)過鏈條并車，交流變頻電機可在鏈條的控制作用下使轉(zhuǎn)盤減速運轉(zhuǎn)，而在絞車和輔助驅(qū)動裝置的聯(lián)合作業(yè)機制下，可實現(xiàn)自動送鉆功能。此運行機制的顯著特征在于增強轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的靈活性，鉆井泵沖次對其產(chǎn)生的制約性作用極為微弱。此外，交流變頻電機鉆機的綜合性能得以有效彰顯，采購成本相對較低，能夠兼顧生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟效益的雙重需求。

2.2機電復(fù)合驅(qū)動鉆機

鉆井泵普遍以機械驅(qū)動的方式為主，而絞車則實行的是交流變頻電機驅(qū)動的方式?；跈C電復(fù)合驅(qū)動鉆機的模式，可有效帶動設(shè)備的運行;同時成本投入較少，相比于全交流變頻電動鉆機的成本而言，僅占到該值的60%～70%，在保證各項功能得以快速實現(xiàn)的同時還可提高經(jīng)濟效益水平。

2.3全交流變頻電動鉆機

轉(zhuǎn)盤傳送的實現(xiàn)通常采取的是電機直接驅(qū)動或電機與減速箱聯(lián)合驅(qū)動的方式，對于絞車鉆井泵和轉(zhuǎn)盤而言，則統(tǒng)一執(zhí)行的是交流變頻電機驅(qū)動機制。絞車運行過程中，采取的是一級齒輪減速箱方案，同時輔以驅(qū)動裝置。單軸絞車結(jié)構(gòu)在交流變頻電機領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，它是基于傳統(tǒng)傳動裝置而衍生出的全新形式，以齒輪減速箱為主要設(shè)備，可直接驅(qū)動交流變頻電機。為保證輔助剎車功能的可靠性和高效性，實行的是能耗制動機制。

交流變頻電機的調(diào)速技術(shù)體系中，較為典型的有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種方式。矢量控制可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，故能進行相關(guān)無功補償。使用電壓識別板當(dāng)做電網(wǎng)角度變慢器，其和角編碼器工作原理相似。電源向電壓識別板和鉆機驅(qū)動變頻器供電。鉆機驅(qū)動變頻器因為有百分百的電網(wǎng)回饋能力，因此，可不用電壓耦合器，并且發(fā)電過程中并不會產(chǎn)生損耗功率，與制動電阻系統(tǒng)較為類似?？?/p>

實現(xiàn)電動狀態(tài)至發(fā)電狀態(tài)的無級過渡，并且?guī)в忻}沖頻率響應(yīng)，實現(xiàn)對中間回路電壓的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，確保提供傳動逆變器的電源質(zhì)量，而且不受電網(wǎng)電壓影響。另外，運用帶有電網(wǎng)凈化卷席筒的鉆機驅(qū)動變頻器，可最大限度的減少電網(wǎng)擾動。

3.交流變頻電機控制系統(tǒng)

3.1發(fā)電系統(tǒng)

在發(fā)電機的控制電柜的硬件組成中，并網(wǎng)控制電路為重點內(nèi)容，該裝置可對多臺電機執(zhí)行并網(wǎng)合閘操作。若交流變頻電動機運行數(shù)量達到2臺或更多，則能夠均勻分配負荷，以保證負荷始終維持穩(wěn)定，減少電機運行期間產(chǎn)生的沖擊作用，給整機裝置的穩(wěn)定運行提供保障。此外，發(fā)電機的控制裝置還具有多類豐富的功能，例如限制功率、短路保護等，在合理運行各功能后，能夠給交流變頻發(fā)電機的運行創(chuàng)設(shè)良好條件。

在使用標(biāo)準(zhǔn)電機時，電機和變頻器的選用應(yīng)考慮具體使用場合有針對性的選用，同時需考慮溫度級和額定功率。變頻器的最小負載電流值與所處的負載工作點，在轉(zhuǎn)矩滿載下的電機電流值。

3.2控制網(wǎng)絡(luò)

3.2.1司鉆控制室

石油鉆井生產(chǎn)過程中，司鉆控制室為不可或缺的建設(shè)內(nèi)容，其與交流變頻電鉆機配套設(shè)置，兩者相輔相成。隨司鉆控制系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)形成多種細分類型，如數(shù)字控制、模擬控制，各自均有其獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。對于控制系統(tǒng)的運行，可實現(xiàn)絞車無級調(diào)速、自動送鉆等多種效果。此外，司鉆控制室可面向設(shè)備展開動態(tài)化的監(jiān)控，在此運營條件下可有效保證交流變頻電鉆機的運行穩(wěn)定性。

3.2.2 PLC控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集單元的硬件組成包含變送器、編碼器等，通過該單元可有效處理設(shè)備運行信息，將生成的結(jié)果通過顯示屏、觸摸屏等界面精準(zhǔn)呈現(xiàn)，以便工程人員掌握鉆壓、井深等方面的具體信息，對施工效果作出客觀的判斷，若存在異常狀況則及時調(diào)整。

3.3交流傳統(tǒng)系統(tǒng)

3.3.1驅(qū)動控制系統(tǒng)

驅(qū)動控制系統(tǒng)集多個變頻柜于一體，可實現(xiàn)對既有電壓的轉(zhuǎn)換，得到可連續(xù)調(diào)控的交流電壓，再進一步驅(qū)動鉆井泵等配套裝置。系統(tǒng)硬件組成中，鉆盤和絞車均配置有反轉(zhuǎn)功能，可實現(xiàn)對扭矩的調(diào)解處理，同時其操作范圍無明顯的限制，可根據(jù)需求在0%～100%區(qū)間內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動。Siemens 變頻器被有效應(yīng)用于石油鉆機中，工程實踐表明，該裝置的應(yīng)用效果良好，具有安全穩(wěn)定、效率高等多重特點，具有可觀的推廣價值，可將其作為石油鉆井生產(chǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。

3.3.2自動送鉆

送鉆變頻柜的主要功能在于對50HZ恒壓、400V執(zhí)行轉(zhuǎn)變處理，成為交流電壓變流程0～400V，以便根據(jù)工程建設(shè)需求合理調(diào)控。自動送鉆環(huán)節(jié)，若采取的是恒壓的方式，則能夠在恒壓狀態(tài)下自動送鉆。若在恒定速度的條件下執(zhí)行送鉆電機操作，可充分應(yīng)用系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)動功能，鉆具和放井架的應(yīng)用優(yōu)勢隨之顯現(xiàn)，可在速度恒定不變的條件下高效送鉆。

3.3.3控制單元

制動單元與制動電阻（設(shè)置于變頻房外）可協(xié)同運行，其具備的主要功能有：若需要對絞車執(zhí)行制動操作，電動機將隨即轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，并產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動力矩，此過程中期間能量形式發(fā)生轉(zhuǎn)變，由機械能高效轉(zhuǎn)為電能，再借助逆變器傳導(dǎo)，進入直流母線處。以合理的方式執(zhí)行能耗制動后，整機設(shè)備的工作條件良好，可有效規(guī)避故障。

4. 結(jié)語

隨石油鉆井行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，交流變頻電動機的綜合性能持續(xù)提升，并與之配套完善的控制系統(tǒng)，軟硬件協(xié)同配合之下，能夠給石油鉆井作業(yè)的順利開展創(chuàng)設(shè)良好條件。縱觀行業(yè)發(fā)展趨勢，其正朝著智能化的方向前行，可以預(yù)見的是未來電氣控制將具有大功率、高效率等更為鮮明的特征。作為工程技術(shù)人員，需以鉆井工作特點為立足點，圍繞變流變頻電動機及控制系統(tǒng)展開深入分析，在既有基礎(chǔ)上實現(xiàn)突破，推動技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：段永奎（1968-07-），男，漢族，河南唐河縣，中級工程專業(yè)工程師，大專，研究方向：電動鉆機電路運行與維護。