分析石油鉆井中交流變頻電動機及其控制系統的應用

張鵬

(大慶鉆探工程公司鉆井一公司項目一部50256鉆井隊，黑龍江 大慶 163000）

1 交流變頻電動機

（1）作為特殊的交流變頻電機，它采用的是轉盤獨立的電驅動鉆機，能夠不受鉆井泵沖次的制約，它的絕緣材料是一種特殊的能抵抗變頻器諧波的材料，大大提高了電動機的功能。它的體積、質量也比一般電機輕便，因為對保養方面進行了改進，所以安全性就有了保障，這樣變頻電機在進行石油鉆井中的工作效率得到了大幅度提高。20世紀90年代后期，在石油鉆采設備中，我國的科學技術人員和相關單位將交流變頻調速技術應用其中，現在很受青睞的鉆機也就是電驅動機，也是交流變頻調速技術的一種。

（2）轉盤獨立電驅動鉆機。轉盤采用的交流變頻電動機的單獨驅動，就是使用的轉盤獨立電驅動鉆機，還有絞車和鉆井泵也是采用的機械統一驅動的鉆機。此型號的鉆機是通過多臺柴油機經過液力耦合器或者液力變矩器來輸出動力。要驅動絞車和鉆井泵，就要經過鏈條并車，才能實現這一操作；1臺交流變頻電機可以通過鏈條或齒輪將轉盤減速轉動，自動送鉆功能可以通過絞車配輔助驅動裝置來實現。它很大的一個特點是轉盤的轉速可以不受鉆井泵沖刺的制約，可以直接根據鉆井工藝的需求來調節。還可以得到交流變頻電動鉆機的各種優秀的性能，而且還是很接近機械鉆機的價格，以較低的價格得到很高的性價比，還有數控恒鉆壓自動送鉆功能。

（3）機電復合驅動鉆機。鉆井泵一直采用機械驅動，而絞車則是采用交流變頻電機驅動，這些都是基于轉盤在采用電機獨立驅動的基礎上使用機電復合驅動鉆機。在5000m以下的鉆機，才適用于上述方案通過皮帶并車驅動鉆井泵的兩到三臺柴油機，還可以驅動一臺節能發電機。而且這又是一個性價比極高的鉆機，它以全交流變頻電動鉆機的百分之六、七十的價格，就可以實現交流變頻電動機的主要功能，還具有更加優秀的運行經濟性。

（4）全交流變頻電動鉆機。電機直接驅動和電機加減速箱驅動，是轉盤傳送的主要方式，而絞車鉆井泵和轉盤采用的都是交流變頻電機驅動。這些絞車等也都是說的全交流變頻電動鉆機的絞車等。絞車有采用一級齒輪減速箱方案，但是大部分采用通過二級齒輪用兩臺電機來進行減速箱驅動，并配合輔助驅動裝置。交流變頻電動機除了采用機械的多軸絞車的轉盤獨立電驅動鉆機之外，通常大部分采用的都是單軸絞車結構。它的傳動形式是齒輪減速箱來對交流變頻電機滾筒抽進行直接驅動。為了實現輔助剎車的功能，采用了能耗制動，取消了電磁渦流車，用盤式剎車作為主剎車的方式。矢量控制和直接轉矩控制是交流變頻電動鉆機經常采用的調速技術。Siemens公司的變頻器是矢量控制的主要變頻器，而直接轉矩控制則和它不同，采用的變頻器是ABB公司的。這些控制方式有兩種：①一對一控制；②一對二控制。這兩種控制需要的變頻柜也不一樣，一對一就是每臺電機需要對應一個變頻柜，一對二控制就不一樣了，可以設置兩個變頻柜，控制轉盤可以根據需要與否來切換鉆井泵和絞車的變頻柜。

2 交流變頻電機控制系統

（1）發電系統的應用。發電機、控制柜組成了發電系統；變頻柜、制動柜組成了交流傳動系統；PLC柜、司鉆操作臺、遠程計算機等組成了控制網絡；還有交流電機控制中心共同組成了變頻電動鉆機控制系統。控制網絡、交流傳統系統和發電系統組成了交流變頻電機的控制系統。控制系統對于電機來說是重中之重，對控制系統做好分析研究，才能使變頻電機充分發揮作用，廣泛應用在石油鉆井的應用上。現在交流變頻電機中廣泛應用的是SIEMENS電氣控制和ROSS HILL電氣控制系統，這兩種系統功能基本相同。短路保護，柜內故障自檢、過頻保護、過壓過流保護、還有功率限制和逆功保護等功能，是發電機控制的各種優秀功能，能提高發動機的性能。在工作運行中，不管是全部或者是任意幾臺機器同時上線時，負荷都可以根據工況的需要平穩運行均衡分配，這都是因為設置了并網控制電路，這個電路的控制電柜讓電動機能夠承受因為運行而產生的沖擊。上述兩個電氣控制系統通過對發電機的勵磁電流和柴油機轉速的控制，以600V、50Hz的穩頻穩壓電流來穩定井場需要的穩定電源。

（2）控制網絡。數字控制和模擬控制是現在司鉆控制系統主要運用的兩種控制。變頻電動機控制系統的設備運行可以通過顯示屏等進行監控，以便我們及時發現問題，并進行改進。PLC控制系統是通過編碼器，變送器等數據采集環節來完成的。經過編程計算處理，鉆壓、轉盤轉速、泵沖泵壓、出口返回量等鉆機參數都可以通過觸摸屏等設備顯現出來，這樣就能更好地了解各種參數，從而對變頻電機進行更好地控制，給井場提供照明和控制壓氣機房、井場的鉆臺、水罐區等區域的電動機。同時，這也是電動機控制中心的中心功能。為了方便對機器的修理更換，MCC柜則選用了分裝式。

（3）交流傳統系統。將50Hz恒壓、600V電壓轉變成了0～750V可以連續調控的交流電，這樣可以在實際操作中對鉆井泵、絞車和轉盤進行以一拖一甚至是以一拖二的的方式進行驅動。多個變頻柜組成了驅動控制，這樣更有利于實現上述的驅動方式。具有反轉功能的轉盤電動機和絞車，可以不限制扭矩的調節范圍，任意轉動區間的數值。Siemens變頻器是在石油鉆機中應用最廣泛的變頻器，而且應用效果驚人，在實際操作中，成效顯著。采用IGBT元件、全數字技術的SIMOVERT master DRIVE矢量控制變頻器是一種電壓源型變頻器。可以對這種變頻器加強推廣，在實際工作中增加更廣泛的應用，讓交流傳統系統在油田鉆井中有著很好的服務。自動送鉆變頻柜是把400V、50Hz恒壓、恒頻的交流電壓變流成為了連續可調的0～400V的交流電壓。想要自動送鉆操作利用恒壓完成，可以試著用恒壓的方式來完成這個工作。以恒速方式運行的具有正反轉功能的送鉆電動機，能夠對井架和鉆具有一個應急的起放功能，同時還可以進行恒速送鉆。送鉆電動機還可以用一種一拖一的驅動方式來完成相關的操作。

（4）控制單元。要想在實際工作操縱中對絞車制動，就要使電動機進入一個發電狀態，然后逆變器會通過電流將機械能轉化成電能，將電流傳到直流母線當中，電動機會形成一個與旋轉方向的制動力矩幫助電能的轉化。當系統電壓的最高閥值低于直流母線上的電壓時，制動電阻就會通過制動控制單元自動接通，使電壓在直流母線上維持一個恒定，這種恒定需要制動電阻的消耗，這種消耗需要多余電能也就是直流母線之間的電容器儲存的多余電能。這就是能耗制動的一個基本原理，這種能耗制動可以使電壓大小在直流母線中處于恒定的的狀態。這都是制動單元和存在于變頻房外的制動電阻在實際運行過程中起到的功能。能耗制動也可以運用于自動送鉆系統的制動單元。

3 變頻鉆機及其控制系統的發展趨勢和前景

鉆井這項工作辛苦和有一定危險性，條件惡劣，這就對特殊鉆井工藝有了更高的要求，變頻電機將朝著更好地方向和高標準的方向發展。數字化、信息自動化還有智能化的變頻電機，正在飛速發展中，這也少不了交流變頻的通訊和計算機的發展，運行的安全性也需要大幅度的提高，同時也要注意性價比的問題，使經濟性能也得到很大的提升。經過對鉆機的研究，我們可以發現，它的發展趨勢正在朝著智能化加速發展，我們由此也可以看出，電氣控制也會朝著開放性，大功率的方向穩定發展。

4 結語

以前的鉆井工藝無法實現現在的鉆井工作，難以滿足現代社會對鉆井工程的需求。所以，這就對我們提出了更高的要求，我們應該根據實際情況，來對鉆井工作進行研究，考慮到實際情況對變流變頻電動機的要求，對此進行探索發現，注意總結經驗。鉆井環境的變化越來越大，需求也越來越多，因此提高我們的鉆井技術迫在眉睫。近些年來，我國的石油開采技術正在高速發展，以求跟上鉆井工作環境改變的腳步。

交流變頻電機極大地改善了我國的石油開采技術，同時，我們要加強交流變頻電機在鉆井工作中的應用，在我國鉆井的大環境下，加強電機的應用也是符合當下的環境的。通過這些年對交流變頻電機在石油鉆井中的應用，可以看出交流變頻電機的應用前景是非常良好的，我們可以對交流變頻電機著重發展，改善石油鉆井工作。