变频技术在平台钻机控制系统中的应用

胡月双

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东 青岛 266520)

变频技术在平台钻机控制系统中的应用

胡月双

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东 青岛 266520)

变频技术已经应用在多个领域，在海洋平台和船舶制造工业中，变频调速技术也被广泛应用。本文首先对变频技术的原理及特点进行介绍，并以项目为例，详细介绍变频技术在海洋石油平台钻机上的应用。另外，通过对比各种驱动方式，总结了交流变频电动机驱动方式的优点并对其在海洋石油平台钻机控制系统中的应用进行了全面的介绍。本文以项目实例为主线，在介绍变频技术原理及应用的同时，也对海洋石油钻机控制系统进行了介绍并对变频器散热等关键问题进行了分析。最后，本文还介绍了变频技术的发展方向及在钻机控制系统中的改进趋势。

变频技术；钻机；应用

传统的钻机采用机械传动的驱动方式，这种驱动方式具有结构复杂、性能差、可操作性差、效率低、机械维护费用高等弊端，因此逐渐退出了历史舞台。近年，随着变频技术的发展，通过矢量控制的全数字变频调速钻机逐渐占据市场，这类驱动方式具备运行可靠、参数稳定、调试简便、维护方便、动态性能好、稳速精度高等优点，并具有强大的通讯接口和扩展开发能力，可实现系统的网络化、自动化。本文依托某油田开发项目的钻机控制系统，对变频技术的使用进行了系统的介绍，希望对相关企业的变频技术的使用有所帮助。

1 变频技术的概况及原理

变频技术是一种把频率固定的电网电能转换为电压和频率均可变的交流电能的交流电路，用它组成的交流装置称为变频器。变频电路现在已经广泛采用于交流电动机变频调速系统中。调速又指在一定的负载下，根据生产机械的需要人为的改变电动机转速。电动机调速的好坏都会影响到机械的工作效率。我们从电动机转速的定义知道，异步电动机转速为：

n=60f1/ (1-S)

式中：n——转速；60——常数；f1——频率；P——级对数 ；(1-S)——转差率。

由此不难看出异步电动机调速具有三种方法：

(1)改变电源频率f1；

(2)改变电机磁极对数P；

(3)改变转差率(1-S)。

这三种调速具有如下特点：

(1)改变电源频率调速可以得到平滑而具范围广的调速，实现无级调速、恒转矩、高效率。

(2)改变电机磁极对数调速，是有级调速，调速范围窄。

(3)改变转差率进行调速能耗大，调节范围小。

上述各种调速具有的特点对比中，改变电机磁极对数和改变转差率这两种调速方法只能在额定转速下进行调速，使其在调速领域内的应用范围变得比较狭小。而变频调速的方法在调速过程中，从高速到低速都可以保持有很小的、有限的转差率，并且有高效率、宽范围、高精度的调速性能，所以改变电机供电频率进行调速是电动机的一种比较理想、合理的调速方法。变频技术的主电路多采用交-直-交电路，将三相380V(220V)/50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电。

变频器的构成如下：

(1)键盘：作用是设置参数、监视各参数值(如：电流、电压、频率、温度、转速等)、调速。

(2)电源板：作用是提供各部分电路的工作电压，保证各电路的正工作。

(3)控制主板：作用是产生六路驱动信号来控制逆变模块，同时也对各保护信号和各接口信号的处理。

(4)整流桥：作用是将输入交流电变成直流电。

(5)电解电容：作用是将整流后的脉动直流电变成平滑的直流电。

(6)充电电阻：作用是上电瞬间对主电解电容限流，以防止充电电流过大损坏整流桥和主电解电容。

(7)继电器或接触器：作用是当主电解电容充电完成以后短接充电电阻而承受主电流。

(8)逆变模块：作用是将平滑的直流电变成接近正弦波的三相交流电。

(9)保险管：作用是保护逆变模块和整流桥。

2 应用项目电气系统概述

电气传动控制系统由1座司钻控制房，液压站、各种传感器、气控阀、液控阀等构成。本套系统传动部分采用的是ABB的ACS800-07柜式整流逆变单元(包含斩波制动单元)，及PQFI系列有源滤波器，低压电器主要采用的是施耐德的MT框架型断路器、NS系列塑壳断路器、C65系列断路器、LC1系列接触器、LRD系列热继电器。系统内，两套PLC的CPU互为冷备冗余控制，主CPU位于DES VFD房的PLC柜内，DSM VFD房、泥浆泵本地操作箱、送钻柜和司钻房均有从站。对发电系统及MCC各抽屉状态进行实时监控。且在DES VFD房和 DSM VFD房各有一个工控机参数进行显示。司钻人员能在司钻房通过触摸屏对设备进行远程操作。

3 变频技术在钻机控制系统中的应用

由于海上平台钻机的工作环境比较恶劣，这就要求变频元件具备比陆地钻机更高的防护性能。下面以某油田项目钻机控制系统为例，对变频技术的应用进行介绍。

3.1 DES VFD控制房

DES VFD控制房内包含：三套ABB变频装置和一台自动送钻柜。前者作用：两台绞车变频装置、一台转盘变频装置为相应的交流变频电机提供电源，进行钻井作业。绞车变频装置还包含制动柜及匹配的制动电阻，用于消耗绞车变频逆变装置的回馈能量，完成能耗制动功能；后者作用：配备ABB/ ACS-800单传一台，为自动送钻电机提供变频电源；制动电阻用于消耗自动送钻电机在游车下放过程中的能量反馈。

3.1.1 变频柜的组成以及功能3.1.11 逆变分柜

整个系统中包含有5组逆变分柜，分别属于绞车变频柜、泥浆泵变频柜、转盘变频柜，分别为2个绞车电机，2个泥浆泵电机，1个转盘电机供电。每个逆变分柜可以放置1～4个R8i逆变模块，如图1所示。

图1 逆变分柜

R8i模块的特点：

书架式结构，体积小，结构紧凑，便于安装、维护；

插接式连接，带轮子，安装、检修时十分方便；

可并联模块，满足不同容量的需求；

冗余式结构，就算一个模块损坏时，抽出 损坏模块，不影响其他模块的正常使用。

3.1.1．2 制动斩波分柜

系统中共有2个制动斩波分柜，分属于绞车A变频柜和绞车B变频柜。它们与制动电阻一起组成能耗制动装置，用于消耗绞车运行时逆变器的回馈能量，完成能耗制动功能。

3.2 DES 主电气房

3.2.1 DES PLC柜的作用

PLC系统选用西门子S7-300系列器件，模块化、无排风扇结构，易于分布，使得非常适合于石油钻机井场环境。通过集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS网上，可以实现CPU与网络上的各分布式站点直接的高速、可靠的数据传输。通过对数字量和模拟量的采集，经CPU的逻辑运算和处理，能分别对各部件进行综合控制。采用西门子MP370触摸屏，友好的操作界面，可靠的数据通讯，能够很好的满足井场的各种钻井作业。系统的网络分布图如图2所示。

整个系统采用冷备冗余系统，由2套PLC控制系统组成，分别为1#通道和2#通道。在司钻房内设置一个"通道切换"旋钮，当一个通道出线网络故障的时候，需要停止一切钻井作业后，然后切换到另外一个通道，继续使用，不会由于网络的故障而影响到钻井作业。

图2 系统的网络分布图

3.2.2 DP网络系统站点的组成

主站：CPU-317

从站：

(1)绞车A变频器从站(NPBA-12)

(2)绞车B变频器从站(NPBA-12)

(3)转盘变频器从站(NPBA-12)

(4)泥浆泵A变频器从站(NPBA-12)

(5)泥浆泵B变频器从站(NPBA-12)

(6)DES VFD房内工控一体机

(7)DES VFD房ET200从站

(8)DSM VFD房内工控一体机

(9)DSM VFD房ET200从站

(10)自动送钻变频器从站(NPBA-12)

(11)司钻房ET200从站

(12)HMI 人机界面

(13)泥浆泵本地操作箱ET200从站

3.3 DSM 主电气房

房内包含：两套泥浆泵变频柜。作用：两台泥浆泵变频装置为三台泥浆泵交流变频电机提供电源，通过泥浆泵切换柜切换泥浆泵运行组合模式，进行钻井作业。

1台PLC柜。DSM PLC柜作用：采集数字量和模拟量，经ET200从站，通过DP网络送入DES PLC柜内的CPU，进行逻辑运算和处理并综合控制，1台泥浆泵切换柜。作用：对泥浆泵的工作模式进行控制切换。钻井工作时，三台泥浆泵电机A、B、C只需有两台同时工作即可，即分为AB工作模式、 BC工作模式、 AC工作模式。由PLC输出控制两台变频装置切换输出，分别给不同工作模式下的两台电机供电。

在司钻房内的交流电机操作台上也有三位切换开关，可以对上述三种工作模式进行切换，并且有电位器及其转轮进行转送给定。

3.4 运行环境及故障维护

在各个柜子里均装有加热器，以防在高湿度的海上运行时因VFD房内湿度过大而无法正常运行。由于海上的潮湿度较大，位于房内的湿度传感器将对VFD房内的湿度进行检测，并将检测到的湿度信号，通过湿度传感器转变成电流信号传给PLC。若湿度大于85%的时，PLC自动输出报警信号或跳闸命令。

设备在低于海拔1000m高度内，可达额定输出。若海拔超过1000m，输出电流将减小，修正系数为：每增加1000m，降低8%。

周围环境中不应有过量的酸、碱、盐、腐蚀性气体和爆炸性气体。

环境温度+20℃时，相对湿度应不大于90%。

3.4 交流变频电动机驱动方式的优点

(1)具有对过电压、欠电压、过电流、输出短路等多项自动保护措施；

(2)具有扭矩和转速限制功能，实现过载保护，避免损坏钻具及钻机；

(3)能实现无级调速，低速性能好，能实现零转速满扭矩要求，既可实现横扭矩无级调速，也可实现横功率无级调速，特别适合处理各种钻井事故；

(4)交流变频电传动系统负载功率因数高、能耗低、传动效率高、可靠性高。

(5)在带负载的情况下，可实现带载荷平衡启动、制动和调速、具有软启动功能，可降低供电电源容量，增减速时间短。

(6)可根据电动机负荷情况，通过对电动机电流频率及电流监测，实现实时监测钻井参数。采用计算机远程通讯技术，对钻机进行远程数据传输，并可进行远程故障监测。

(7)自动化程度高，能大幅减轻司钻劳动强度，提高安全生产可靠性。

4 变频柜的技术难点

在变频技术日趋成熟的今天，集成化、一体化的产品已经逐步占据了市场，散热的好坏也逐步成为评判变频柜的标准。

如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10℃，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题！在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。

通常，变频器安装在控制柜中。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的! 关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。

开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。

5 小结

变频技术为海上平台事业的发展提供令人必要的技术储备，通过运用数字变频矢量控制技术，海上平台钻机具有以下显著特点：钻机具有恒钻压、恒转速、恒泵压降、自动送钻，转盘扭矩限制与调控，泵压限制与调控，数字化多参数触摸屏调控、显示、打印、储存与远程通讯，钻井设备的监视与管理，实现一些自动化必备的专用功能。同时提高了钻机的智能化水平，提高作业质量，降低作业成本，减轻工人劳动强度，减轻振动，降低噪声，工作更安全，作业效率大大提高，采用自动送钻，减少旋转时间，同时维护保养工作效率大大提高。

(本文文献格式：胡月双.变频技术在平台钻机控制系统中的应用[J].山东化工，2017，46(12)：130-132.)

2017-04-12

胡月双(1983—)，本科，工程师，主要从事海洋石油平台电气专业设计工作。

TE922

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1008-021X(2017)12-0130-03