交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用

交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用
【摘要】交流变频电动机是国外20世纪90年代新发展起来的一种先进的电动钻机。

90年代后期，我国的科技人员和有关单位将交流变频调速技术应用于石油钻采设备，尤其是电驱动钻机，成为当今最受青昧的钻机。

交流变频电动机与机械钻机和直流钻机相比，它采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全型、可靠性和移运性。

交流变频绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速，对提高钻井实效、优化钻井工艺等十分有利。

【关键词】交流变频电动机控制系统研究
1 交流变频电动钻机的介绍
1.1 转盘独立电驱动钻机
转盘独立电驱动钻机就是转盘采用交流变频电动机单独驱动，绞车和钻井泵采用机械统一驱动的钻机。

该型钻机采用多台柴油机通过液力变矩器或液力耦合器输出动力，然后经过链条并车，分别驱动绞车和钻井泵；转盘由1台交流变频电机通过齿轮或链条减速传动；绞车配辅助驱动装置，可实现自动送钻功能。

其特点是转盘转速能够根据钻井工艺的需要来调节，不受钻井泵冲次的制约，同时，具备数控恒钻压自动送钻功能，实现以接近机械钻机的价格，获得交流变频电动钻机的优越性能。

1.2 机电复合驱动钻机
机电复合驱动钻机是转盘在采用电机独立驱动的基础上，绞车采用交流变频电机驱动，而钻井泵仍然采用机械驱动。

该方案主要应用在钻深5000m以下的钻机上。

2～3台柴油机通过皮带并车驱动钻井泵，同时，还可驱动1台节能发电机。

该型钻机能够实现交流变频电动机的主要功能，而价格只有全交流变频电动钻机的60%～70%，同时，具有良好的运行经济性。

1.3 全交流变频电动钻机
全交流变频电动钻机的绞车、转盘、钻井泵均采用交流变频电机驱动。

其转盘传动主要有电机直接驱动和电机加减速箱驱动2种方式。

绞车通常采用2台电机通过二级齿轮减速箱驱动，并配辅助驱动装置，也有采用一级齿轮减速箱方案的。

除转盘独立电驱动钻机采用机械的多轴绞车外，交流变频电动钻机通常都采用单轴绞车结构，其传动形式是交流变频电机通过齿轮减速箱直接驱动滚筒轴，主刹车采用盘式刹车，取消了电磁涡流刹车，而采用能耗制动实现辅助刹车功能。

交流变频电动钻机常用的调速技术有矢量控制和直接转矩控制2种。

矢量控制主要采用Siemens公司的变频器，直接转矩控制主要采用ABB公司的变频器。

在控制方式上有一对一控制和一对二控制。

采用一对一控制需要每台电机对应一个变频柜，而一对二控制可以根据需要切换绞车或钻井泵的变频柜来控制转盘，也可设置主从两个变频柜。

2 交流变频电机的控制系统
变频电动钻机控制系统由发电系统（发电机、控制柜）、交流传动系统（变频柜、制动柜）、控制网络（PLC柜、司钻操作台、工控机、远程计算机、AS-i 总线系统或Profibus总线系统）、交流电机控制中心组成。

2.1 动力发电系统
目前广泛应用的是ROSS HILL电气控制系统，SIEMENS电气控制系统，其主要功能是基本相同的：控制柴油机的转速与发电机的励磁电流，得到600V、50HZ稳频、稳压电流，作为全井场的动力电源；发电机控制柜内还设有并网控制电路，控制多台发电机的并网以达到同期合闸操作。

发电机可按工况需要，全部或任意两台以上在线运行时，负荷都能均衡分配，负荷转移平稳，能承受钻机的负荷特性和电动机起动时的冲击。

发电机控制装置还具有功率限制、自起动电源电路、接地检测相序保护、过流保护、过压保护、欠压保护、过频保护、逆功保护、短路保护、柜内故障自检等功能。

2.2 交流传动系统
2.2.1变频驱动控制系统
变频主驱动系统由若干变频柜组成，分别将600V、50HZ恒压、恒频的交流电压变成0～750V连续可调的交流电压，以一拖一或者一拖二的驱动方式分别驱动钻井泵、绞车、转盘。

绞车和转盘电动机具有反转功能，扭矩限制0%～100%范围内任意调节。

在石油钻机中应用较多的是Siemens变频器。

SIMOVERT master DRIVE 矢量控制变频器是采用IGBT元件、全数字技术的电压源型变频器。

2.2.2制动控制单元
制动柜内的制动单元和变频房外的制动电阻的主要功能是：在绞车需要制动时，控制电动机进入发电运行状态，使电动机产生于旋转方向相反的制动力矩，负载侧的机械能转化为电能通过逆变器传到变频柜直流母线上。

当直流母线电压高于最高阀值时，制动控制单元自动将制动电阻接通，使中间直流母线之间电容器储存的多余电能以热能形式由制动电阻消耗，以维持直流母线上的电压保持恒定。

这种制动方式称为能耗制动。

自动送钻系统的制动单元也采用能耗制动。

2.2.3自动送钻
送钻变频柜将400V、50HZ恒压、恒频的交流电压变流成0～400V变压、变频连续可调的交流电压，以一拖一的驱动方式驱动送钻电动机。

恒压方式可以
实现恒压自动送钻。

送钻电动机在恒速方式时具有正反转的功能，可以起到应急起放井架和钻具的功能，也可以恒速送钻。

2.3 控制网络
2.3.1司钻控制室
司钻控制室已成为交流变频电动钻机的标准配置，目前的司钻控制系统主要有模拟控制和数字控制2种。

从控制功能来看，可以实现绞车无级调速，游动系统的位置、速度、加速度闭环控制，悬重限制保护，数控恒钻压自动送钻，转盘无级调速、转矩限制保护，钻井泵无级调速、泵压限制保护等功能。

可以通过触摸屏和显示屏对控制系统的主要设备运行状态进行监控。

2.3.2PLC控制系统
通过数据采集单元（现场传感器、编码器、变送器等），可编程控制器经过计算处理，在触摸屏、显示屏等HMI人机界面显示以下钻机参数：悬重、钻压、井深、机械钻速、转盘转速、转盘扭矩、泵冲泵压、泥浆池液位、出口返回量、游车位置等参数。

2.4 MCC配电控制系统
交流电动机控制中心的主要功能是对井场的钻台、钻井液循环罐区、油罐区、压气机房和水罐区的交流电动机进行控制，并给井场提供照明电源。

交流电动机控制中心系统对30KW以上的电机采用软起方式。

MCC柜采用分装式结构，以便于维修更换。

3 变频钻机及其控制系统的发展趋势和前景
随着钻井条件越来越恶劣以及各种特殊钻井工艺的要求，变频电机将朝着高适应性方向发展。

交流变频调速技术、计算机技术、通讯技术等技术的发展，也将推动变频电机向数字化、信息化、自动化、智能化方向发展，提高其运行的经济性和安全性。

由钻机发展的趋势看，电气控制系统也将朝着智能化、网络化、开放化、大功率方向发展。