西門子變頻器在石油鉆機中的應用

于雪梅， 劉坤

（大慶鉆探工程公司機械修理廠，黑龍江 大慶 163413）

0 引言

交流變頻調(diào)速電驅(qū)動石油鉆機在滿足石油鉆井工藝要求方面具有無可比擬的優(yōu)越性能。為了更好地了解變頻器在石油鉆機中的應用,本文將以ZJ30DB鉆機為例,對西門子變頻器進行介紹。

ZJ30DB鉆機電控系統(tǒng)采用數(shù)字通訊傳輸方式,其操作回路的設計以高性能的西門子PLC為控制核心,利用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和司鉆控制臺、變頻調(diào)速柜、觸摸操作屏組成網(wǎng)絡，由PLC進行邏輯處理及故障診斷，并集中顯示，性能達到當今國際水平。

1 鉆機設備及工況要求

ZJ30DB鉆機主要傳動部分包括絞車電機、轉(zhuǎn)盤電機、自動送鉆電機，傳動方式為變頻傳動，要求能實現(xiàn)平滑調(diào)速，具有良好的機械特性。其中絞車電機和轉(zhuǎn)盤電機功率為600 kW，自動送鉆電機功率為37 kW。泥漿泵不采用變頻傳動，它靠氣路控制其油門大小來調(diào)整泵速度的大小。

在對各個主電機控制方面，除了變頻器要具有的自我保護功能外，還要求通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)對主電機與風機、潤滑泵等重要輔助設備的電氣連鎖，避免在輔助設備出現(xiàn)故障的時候，主電機仍然運行，對設備帶來不良的影響。

變頻器要將各個主電機的運行參數(shù)反饋給PLC，通過PLC中轉(zhuǎn)，最后顯示在觸摸屏上，有利于操作人員掌握現(xiàn)場設備的運行情況。

2 變頻器的選擇

根據(jù)鉆井設備的工藝參數(shù)選擇合理的變頻器，以保證系統(tǒng)設計的先進性、可靠性、經(jīng)濟性。

2.1 絞車控制系統(tǒng)

兩臺600 kW的絞車電機是絞車的動力源，變頻系統(tǒng)選擇西門子6SE70系列400 V/630 kW交流變頻控制柜為絞車電機提供動力，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。變頻控制柜由整流單元、中間回路、逆變單元和控制電路組成。整流單元與三相交流電源連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓；中間回路將脈動的直流電壓換成穩(wěn)定、平滑的直流電壓；逆變單元產(chǎn)生與電動機相匹配的電壓和頻率，并將固定的直流電壓變換成可調(diào)的交流電壓；控制電路將信號傳給上述3個裝置，同時接收它們的信息，以控制整個變頻器的正常工作。

絞車電機的輸入轉(zhuǎn)速設計為0～2600 r/min，滾筒對應的輸出轉(zhuǎn)速為0～314 r/min，絞車控制系統(tǒng)采用智能閉環(huán)控制，變頻器根據(jù)絞車編碼器獲取絞車的實時轉(zhuǎn)速，再通過變頻器內(nèi)部的智能PID調(diào)節(jié)器計算出最優(yōu)的輸出電壓、電流和頻率給絞車，使絞車的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、快速且準確地跟蹤手柄的給定值。所以即使帶300t鉤載，手柄給定為零速，滾筒仍然能保持靜止不動。此外，當現(xiàn)場出現(xiàn)故障的時候，變頻器也會對自身和電機做一定的保護，比如直流母線電壓過高、電機堵轉(zhuǎn)、過電流等等，變頻器會診斷出故障，并將故障號顯示出來，同時停止主電機。

絞車還采用外部PLC程序保護。首先，當絞車電機風機、絞車潤滑泵、制動電阻風機等輔助設備故障時，絞車主電機自動停止。此外，在PLC程序中還設計了“上碰下砸”子程序，通過在觸摸屏上設置大鉤的上碰點和下砸點，PLC自動計算出絞車速度，使大鉤到達上碰點或者下砸點時接近于零速，大大減小了盤剎抱死時造成的機械振動。

絞車與盤剎之間也存在著互鎖，當絞車運行時，盤剎自動松開，絞車停止盤剎抱死。有效地避免了誤操作對設備造成的損害。此外當通訊出現(xiàn)故障的時候還能通過旁路對變頻器啟停、調(diào)速。

2.2 轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)盤由一臺600 kW電機驅(qū)動，盤面轉(zhuǎn)速與電機的轉(zhuǎn)速比為5.51。變頻系統(tǒng)采用西門子6SE70系列400V/315kW交流變頻柜為轉(zhuǎn)盤電機提供動力，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。與絞車變頻器一樣，變頻控制柜由整流單元、中間回路、逆變單元和控制電路組成，具有故障保護的功能。操作者可通過觸摸屏上的起停按鈕、方向按鈕啟動停止轉(zhuǎn)盤電機和改變運轉(zhuǎn)方向。

轉(zhuǎn)盤主電機與風機潤滑泵之間也有聯(lián)鎖。同時慣剎與轉(zhuǎn)盤電機之間也有互鎖，啟動轉(zhuǎn)盤慣剎自動打開，轉(zhuǎn)盤電機停止慣剎自動抱死。轉(zhuǎn)盤的最大轉(zhuǎn)矩可通過小手輪給定，當轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)矩大于設定值時，轉(zhuǎn)盤電機自動停止。

2.3 自動送鉆控制系統(tǒng)

自動送鉆變頻系統(tǒng)包括進線斷路器、熔斷器、進線電抗器、37 kW自動送鉆變頻裝置、控制單元、制動電阻。自動送鉆系統(tǒng)采用西門子6SE70系列全數(shù)字電壓源型變頻調(diào)速器，一對一驅(qū)動變頻電機，實現(xiàn)對速度的精確控制和快速響應。系統(tǒng)可以控制鉆機的鉆速和鉆壓，實現(xiàn)恒鉆速和恒鉆壓送鉆?？梢詫υO定參數(shù)進行修改，實現(xiàn)手/自動轉(zhuǎn)換，監(jiān)控鉆進過程中的鉆壓、鉆速、游車位置等參數(shù)，自動控制游車減速和軟啟，緊急故障剎車等功能，能有效防止溜鉆和卡鉆事故的發(fā)生，提高鉆速及鉆進質(zhì)量，并具有應急提升功能。制動單元及控制電阻用于電機在發(fā)電狀態(tài)運行時，制動電阻將多余的能量轉(zhuǎn)換成熱能散發(fā)掉。

3 變頻器使用的注意事項

1）變頻器的運行溫度為0～40℃，所以變頻器運行時，應使用空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。2）變頻器在工作時，斷開主開關會產(chǎn)生較大的電壓變化率，較大的電壓變化率容易損壞變頻器的輸出模塊和電機繞阻的絕緣，應避免這種誤操作。3）動力電纜和控制信號纜鋪設時要分開，盡量減少電磁干擾。4）變頻器在斷電5 min內(nèi)仍有危險電壓，操作人員一定要注意安全。5）絕對禁止對變頻器進行絕緣測試。

4 結語

本文對西門子變頻器在石油鉆機中的應用作了簡單的介紹，鉆機采用變頻器后，絞車和轉(zhuǎn)盤可實現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍寬；能以極低的速度恒扭矩輸出，對井下鉆具的事故處理、側鉆、修井、小鉆井液排量作業(yè)、優(yōu)選參數(shù)鉆井作業(yè)十分有利。實現(xiàn)了鉆機的自動化、智能化和對外界變化的自適應控制，是當代石油鉆機的發(fā)展趨勢。

［1］ 高成海.變頻器在國內(nèi)石油鉆機的應用［J］.電氣傳動，2001（1）：56-59.

［2］ 滿永奎，韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 高成海.變頻器在石油鉆機的應用及分析［J］.變頻器世界，2005（3）：84-87，114.