西门子变频器在石油钻机中的应用

于雪梅， 刘坤

（大庆钻探工程公司机械修理厂，黑龙江 大庆 163413）

0 引言

交流变频调速电驱动石油钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有无可比拟的优越性能。为了更好地了解变频器在石油钻机中的应用,本文将以ZJ30DB钻机为例,对西门子变频器进行介绍。

ZJ30DB钻机电控系统采用数字通讯传输方式,其操作回路的设计以高性能的西门子PLC为控制核心,利用PROFIBUS-DP现场总线和司钻控制台、变频调速柜、触摸操作屏组成网络，由PLC进行逻辑处理及故障诊断，并集中显示，性能达到当今国际水平。

1 钻机设备及工况要求

ZJ30DB钻机主要传动部分包括绞车电机、转盘电机、自动送钻电机，传动方式为变频传动，要求能实现平滑调速，具有良好的机械特性。其中绞车电机和转盘电机功率为600 kW，自动送钻电机功率为37 kW。泥浆泵不采用变频传动，它靠气路控制其油门大小来调整泵速度的大小。

在对各个主电机控制方面，除了变频器要具有的自我保护功能外，还要求通过PLC程序实现对主电机与风机、润滑泵等重要辅助设备的电气连锁，避免在辅助设备出现故障的时候，主电机仍然运行，对设备带来不良的影响。

变频器要将各个主电机的运行参数反馈给PLC，通过PLC中转，最后显示在触摸屏上，有利于操作人员掌握现场设备的运行情况。

2 变频器的选择

根据钻井设备的工艺参数选择合理的变频器，以保证系统设计的先进性、可靠性、经济性。

2.1 绞车控制系统

两台600 kW的绞车电机是绞车的动力源，变频系统选择西门子6SE70系列400 V/630 kW交流变频控制柜为绞车电机提供动力，实现电机的无级调速。变频控制柜由整流单元、中间回路、逆变单元和控制电路组成。整流单元与三相交流电源连接，产生脉动的直流电压；中间回路将脉动的直流电压换成稳定、平滑的直流电压；逆变单元产生与电动机相匹配的电压和频率，并将固定的直流电压变换成可调的交流电压；控制电路将信号传给上述3个装置，同时接收它们的信息，以控制整个变频器的正常工作。

绞车电机的输入转速设计为0～2600 r/min，滚筒对应的输出转速为0～314 r/min，绞车控制系统采用智能闭环控制，变频器根据绞车编码器获取绞车的实时转速，再通过变频器内部的智能PID调节器计算出最优的输出电压、电流和频率给绞车，使绞车的转速稳定、快速且准确地跟踪手柄的给定值。所以即使带300t钩载，手柄给定为零速，滚筒仍然能保持静止不动。此外，当现场出现故障的时候，变频器也会对自身和电机做一定的保护，比如直流母线电压过高、电机堵转、过电流等等，变频器会诊断出故障，并将故障号显示出来，同时停止主电机。

绞车还采用外部PLC程序保护。首先，当绞车电机风机、绞车润滑泵、制动电阻风机等辅助设备故障时，绞车主电机自动停止。此外，在PLC程序中还设计了“上碰下砸”子程序，通过在触摸屏上设置大钩的上碰点和下砸点，PLC自动计算出绞车速度，使大钩到达上碰点或者下砸点时接近于零速，大大减小了盘刹抱死时造成的机械振动。

绞车与盘刹之间也存在着互锁，当绞车运行时，盘刹自动松开，绞车停止盘刹抱死。有效地避免了误操作对设备造成的损害。此外当通讯出现故障的时候还能通过旁路对变频器启停、调速。

2.2 转盘控制系统

转盘由一台600 kW电机驱动，盘面转速与电机的转速比为5.51。变频系统采用西门子6SE70系列400V/315kW交流变频柜为转盘电机提供动力，实现电机的无级调速。与绞车变频器一样，变频控制柜由整流单元、中间回路、逆变单元和控制电路组成，具有故障保护的功能。操作者可通过触摸屏上的起停按钮、方向按钮启动停止转盘电机和改变运转方向。

转盘主电机与风机润滑泵之间也有联锁。同时惯刹与转盘电机之间也有互锁，启动转盘惯刹自动打开，转盘电机停止惯刹自动抱死。转盘的最大转矩可通过小手轮给定，当转盘的转矩大于设定值时，转盘电机自动停止。

2.3 自动送钻控制系统

自动送钻变频系统包括进线断路器、熔断器、进线电抗器、37 kW自动送钻变频装置、控制单元、制动电阻。自动送钻系统采用西门子6SE70系列全数字电压源型变频调速器，一对一驱动变频电机，实现对速度的精确控制和快速响应。系统可以控制钻机的钻速和钻压，实现恒钻速和恒钻压送钻。可以对设定参数进行修改，实现手/自动转换，监控钻进过程中的钻压、钻速、游车位置等参数，自动控制游车减速和软启，紧急故障刹车等功能，能有效防止溜钻和卡钻事故的发生，提高钻速及钻进质量，并具有应急提升功能。制动单元及控制电阻用于电机在发电状态运行时，制动电阻将多余的能量转换成热能散发掉。

3 变频器使用的注意事项

1）变频器的运行温度为0～40℃，所以变频器运行时，应使用空调调节室内温度。2）变频器在工作时，断开主开关会产生较大的电压变化率，较大的电压变化率容易损坏变频器的输出模块和电机绕阻的绝缘，应避免这种误操作。3）动力电缆和控制信号缆铺设时要分开，尽量减少电磁干扰。4）变频器在断电5 min内仍有危险电压，操作人员一定要注意安全。5）绝对禁止对变频器进行绝缘测试。

4 结语

本文对西门子变频器在石油钻机中的应用作了简单的介绍，钻机采用变频器后，绞车和转盘可实现无级变速，调速范围宽；能以极低的速度恒扭矩输出，对井下钻具的事故处理、侧钻、修井、小钻井液排量作业、优选参数钻井作业十分有利。实现了钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制，是当代石油钻机的发展趋势。

［1］ 高成海.变频器在国内石油钻机的应用［J］.电气传动，2001（1）：56-59.

［2］ 满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用［M］.3版.北京：机械工业出版社，2012.

［3］ 高成海.变频器在石油钻机的应用及分析［J］.变频器世界，2005（3）：84-87，114.