摘 要：本文主要闡述了1200KW/600V變頻器在油田鉆機(jī)泥漿泵上的應(yīng)用，并著重分析了其具有的主要性能特點(diǎn)和一些特殊功能。鉆機(jī)設(shè)備的變頻驅(qū)動(dòng)也代表了鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：泥漿泵 變頻器 單元并聯(lián) 三電平
Abstract:This article mainly elaborated the application of 1200KW/600V inverter to drilling machine mud pump in the oil-field, and emphasized to analyze it to have of main function characteristics and some special functions.The Inverter which the drilling equipment drives to also represent the well drilling technical development directions。
Key words:Mud pump ，Inverter，Cell-parallel，Three-level
1. 引言
泥漿泵是油田鉆機(jī)最主要的設(shè)備之一，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作效率直接關(guān)系到油井的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和成井率。由于其鉆井工藝的特殊性，對(duì)泥漿泵的電控設(shè)備要求特別苛刻，特別在變頻器選用上非常謹(jǐn)慎，長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)外產(chǎn)品的天下。由于國(guó)外變頻器存在價(jià)格昂貴，調(diào)試周期長(zhǎng)，維修周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，油田上因變頻器故障得不到及時(shí)維修 , 造成質(zhì)量事故的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。在這種形式下，我公司自主研發(fā)了可替代進(jìn)口機(jī)的專用變頻器。該變頻器體積小，重量輕，便于安裝、調(diào)試、維護(hù)方便,效率高，性能穩(wěn)定。
變頻驅(qū)動(dòng)泥漿泵較傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，操作簡(jiǎn)單，無(wú)級(jí)調(diào)速，控制精度高，工作效率高。變頻技術(shù)在油田鉆機(jī)泥漿泵上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，不僅提高了鉆機(jī)的水平，改善了鉆機(jī)的操作性能，更重要的是加強(qiáng)了鉆機(jī)的作業(yè)能力，提高了鉆井效率和質(zhì)量。
2.泥漿泵循環(huán)工藝
在鉆井過(guò)程中，共分為起落井架，鉆進(jìn)，泥漿循環(huán)，鉆具更換，下套管，測(cè)井等幾大工序。主要設(shè)備分為絞車(chē)，轉(zhuǎn)盤(pán)和泥漿泵等。而泥漿泵則相當(dāng)于整個(gè)鉆井設(shè)備的心臟，它所輸出的泥漿的作用類(lèi)似于人體內(nèi)的血液。泥漿從鉆桿內(nèi)部自上而下注入，流過(guò)鉆頭后，再?gòu)你@桿和井壁的縫隙自下而上流出，在這一過(guò)程中，泥漿協(xié)助鉆頭沖擊地殼，冷卻鉆頭，帶出碎屑，而更重要的是通過(guò)在泥漿中滲入重晶石粉等物質(zhì)可保持井下一定的壓力，以避免井噴，象血液在人體內(nèi)循環(huán)一樣，運(yùn)送營(yíng)養(yǎng)，帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數(shù)分別與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和速度成正比。
3.技術(shù)改造方案
泥漿泵是鉆機(jī)的主要組成部分，一旦泥漿循環(huán)系統(tǒng)不能運(yùn)行，不但影響生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失（如卡鉆），還有可能威脅到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員的人身安全（如井噴），所以對(duì)泥漿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求具有極高的可靠性。 我公司是國(guó)內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，具有大功率變頻器多年成功運(yùn)行的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，且性價(jià)比高。根據(jù) “經(jīng)濟(jì)、高效、可靠”的原則，勝利渤海鉆井公司選擇了我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌 JD - BP33 - 1200Z（ 1200KW/600V ）變頻器，該變頻器采用單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)，三電平技術(shù)，PLC控制，具備完善的保護(hù)功能，自動(dòng)化程度高。
3.1泥漿泵供電系統(tǒng)組成框圖
該系統(tǒng)組成框圖如圖2示。
3.2．系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)
（1）柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)
型號(hào) 3－1FC6 566-4LA92
額定容量 1900KVA
額定電壓 600V
額定電流 1830A
額定頻率 50Hz
功率因數(shù) 0.7
（2）變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)
型號(hào) YJ13×4
額定功率 1200KW
額定電壓 600V
額定電流 1354A
額定轉(zhuǎn)速 1000 r/min
額定頻率 50.5Hz
功率因數(shù) 0.9
冷卻方式 強(qiáng)迫風(fēng)冷
（3）泥漿泵參數(shù)
型號(hào) F-1600
額定功率 1193KW
齒輪速比 4.206：1
沖數(shù) 120 r/min
缸套直徑mm 180 170 160 150 140
壓力MPa 23.1 25.9 29.2 33.2 35.0
3.3.JD-BP33-1200變頻器主要性能指標(biāo)
額定功率 1200KW
額定輸入電壓 600VAC 3相
允許電壓波動(dòng) ±20%
額定輸入頻率 50Hz
允許頻率波動(dòng) ±5%
額定輸出電壓 600VAC 3 相
額定輸出頻率 50Hz
額定輸出電流 1354A
過(guò)載能力 1.5 倍電流 1 分鐘
過(guò)流保護(hù) 1.8倍電流立即保護(hù)
工作方式 連續(xù)
3.4.JD-BP33-1200變頻器主要技術(shù)性能
（1）單元并聯(lián)技術(shù)
1200KW/600V變頻器由八個(gè)完全相同的變頻單元組成，八個(gè)單元并聯(lián)輸出，如圖3所示。
圖 3 八單元并聯(lián)接線圖
由于均流電抗的作用，強(qiáng)制八個(gè)變頻單元的電流相等。這種方法與功率器件直接并聯(lián)得到大容量輸出相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
a.功率器件直接并聯(lián)運(yùn)行，要求并聯(lián)的器件參數(shù)一致性好，同時(shí)對(duì)于裝配工藝要求相當(dāng)高，而采用單元并聯(lián)，由均流電抗完成均流作用，可以不要求器件選配，同時(shí)對(duì)裝配工藝的要求簡(jiǎn)單的多。只要均流電抗選擇合適，可以很容易將均流誤差限制在5%之內(nèi)，這是器件直接并聯(lián)難以達(dá)到的結(jié)果。
b.器件直接并聯(lián)的容量與器件容量之和相比并不相等，即器件并聯(lián)時(shí)必須降額使用，并聯(lián)數(shù)目越多，降額越大，當(dāng)并聯(lián)數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值之后，增加并聯(lián)器件數(shù)量，對(duì)增加容量作用甚小，即是說(shuō)，器件直接并聯(lián)，其最大容量數(shù)值是有限制的。
c.單元并聯(lián)，則無(wú)上述限制。這臺(tái)1200KW/600V變頻器采用八個(gè)變頻單元并聯(lián)輸出，各單元電流的差值在5%以下，均流系數(shù)為0.96。由此，采用同樣的器件，用單元并聯(lián)的方法可以得到比器件直接并聯(lián)更大的輸出。
（2）三電平技術(shù)
在PWM電壓型380V級(jí)變頻器中，一般采用兩電平電路。若用兩電平電路實(shí)現(xiàn)600V的輸出，勢(shì)必要用昂貴的高壓管或采用低壓管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于器件串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}不易解決，應(yīng)盡量避免。在1200KW/600V變頻器中，逆變電路部分采用三電平電路或稱中點(diǎn)箝位（NeturalPointClamped—Npc）方式, 它不但能輸出較高電壓，而且能降低輸出諧波和電壓變化率（dv/dt），良好的波形正是本設(shè)計(jì)的目的之一。三相輸入電壓經(jīng)全波整流后由兩組大電容器相串聯(lián)組成濾波器，兩組電容器的連接點(diǎn)即本電路的中心點(diǎn)（三電平的中間電平）。
圖4 三電平逆變電路
其輸出波形為具有五個(gè)電平的三相SPWM波，即寬度按正弦規(guī)律分布的矩形脈沖波。這種波直接送給電動(dòng)機(jī)，由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以能獲得近似的正弦波形。因此對(duì)電機(jī)和電纜無(wú)特殊要求，可直接用于普通異步電動(dòng)機(jī)。三電平逆變電路輸出波形如圖5所示。
圖5 三電平逆變電路輸出波形如
（3）PLC控制方式
1200KW/600V變頻器內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制，即可以從司鉆房操作，也可以從MCC房變頻器側(cè)操作。同時(shí)，PLC預(yù)留一路通訊接口，可與上位機(jī)（商用 PC 機(jī)）進(jìn)行通訊，可對(duì)變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、故障報(bào)警等等。
（4）具備完善的保護(hù)功能
在泥漿泵堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流會(huì)在瞬間升高很大，產(chǎn)生對(duì)功率模塊的直接沖擊，長(zhǎng)此工作之后，會(huì)造成模塊應(yīng)力的的下降，為提高模塊的使用壽命，采用了傳感器取樣和 IGBT 結(jié)壓降保護(hù)相結(jié)合的雙重保護(hù)，從而減少了特殊情況下對(duì)模塊的極限沖擊，即使輸出相間直接短路 , 模塊也能在 10us 內(nèi)及時(shí)封鎖輸出 , 保護(hù)了變頻器 , 提高了整機(jī)的安全性和可靠性。此外，變頻器還具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、缺相、溫升、失速等多種保護(hù)。
3.5.JD-BP33-1200變頻器的特殊性能
（1）變頻器能夠從“零”開(kāi)始調(diào)速，且下限頻率無(wú)輸出，方便司鉆工操作，從而避免反復(fù)啟停電機(jī)的情況，即當(dāng)變頻器頻率低于 2 Hz時(shí)，電機(jī)無(wú)扭矩，處于自由狀態(tài)。同時(shí)當(dāng)電位器旋不到最低位置時(shí)，不論是開(kāi)機(jī)位置還是停機(jī)位置，這時(shí)變頻器均無(wú)輸出。只有變頻器檢測(cè)到最低信號(hào)時(shí)，變頻器才能開(kāi)機(jī)。變頻器的啟動(dòng)還受電機(jī)上的冷卻風(fēng)機(jī)及其它外部信號(hào)控制，冷卻風(fēng)機(jī)及其他信號(hào)備妥后指示燈亮方可允許開(kāi)機(jī)，變頻器故障信號(hào)也串入該回路，故障指示燈亮?xí)r變頻器不能開(kāi)機(jī)。當(dāng)主電機(jī)長(zhǎng)期停機(jī)時(shí)，變頻器輸出220V電壓，以供電加熱器（200W/220V）加溫驅(qū)潮濕。
（2）提高載波頻率對(duì)改善波形、降低噪聲大有好處，可是載波頻率提高，會(huì)使開(kāi)關(guān)損耗增加，散熱負(fù)擔(dān)加重，所以選擇時(shí)必須權(quán)衡利弊，為了獲得較好的控制特性，載波頻率與變頻器的最高運(yùn)行頻率的比值建議不要低于36。在這臺(tái)1200KW/600V變頻器中，載波頻率選擇為2kHz。載波頻率與電機(jī)噪音，漏電流，干擾的關(guān)系如表1所示：
表1：
（3）在變頻器功率特別大的情況下，強(qiáng)烈的電磁干擾很容易造成控制信號(hào)錯(cuò)亂。為了從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，我們用光纖來(lái)傳輸控制信號(hào)，并讓非光纖部分盡量短，信號(hào)線與動(dòng)力線分開(kāi)配線，盡量使用雙絞線降低共模干擾，在單片機(jī)、PLC等為核心的控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時(shí)候增加了對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增加系統(tǒng)自身的抗干擾能力。在主電路中，要求引線盡量短，以減少其電感量，并且在主回路中增加了直流電抗器，以提高功率因數(shù)，在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器，以減少傳輸過(guò)程中的電磁輻射，這樣處理后，工作現(xiàn)場(chǎng)電流再大，控制線再長(zhǎng)，變頻器也不干擾。
4．1200KW/600V變頻器在川科一井上的運(yùn)行情況
2007年5月，由勝利渤海鉆井公司和山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司鑒定變頻器購(gòu)貨合同，型號(hào)為JD-BP33-1200。2007年6月18日，變頻器送達(dá)四川孝泉鎮(zhèn)川科1井，負(fù)載是石油鉆機(jī)上的泥漿泵。川科1井是中國(guó)人設(shè)計(jì)和施工的第一口超深井，該井設(shè)計(jì)井深8875米。川科1井是川西地區(qū)突破海相的一口重要的科學(xué)探井，預(yù)計(jì)用二三年時(shí)間才能完鉆，鉆成后將用于探索海相構(gòu)造等科學(xué)研究和勘探川西地區(qū)的天然氣儲(chǔ)量與產(chǎn)量。該井是我國(guó)石油工業(yè)二次創(chuàng)業(yè)的一項(xiàng)標(biāo)志性工程，鑒于這口井的重要性和特殊性，鉆探時(shí)將會(huì)運(yùn)用一系列新技術(shù)，在這種形式下，勝利渤海鉆井公司決定對(duì)泥漿泵進(jìn)行改造。2007年6月28日，變頻器正式投入運(yùn)行。
原設(shè)備控制方式為1200KW的柴油機(jī)直接通過(guò)皮帶輪拖動(dòng)泥漿泵，調(diào)節(jié)泵壓時(shí)，操作工通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)控制泵壓大小。變頻驅(qū)動(dòng)泥漿泵，與原傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)比較，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）我山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 JD-BP33－1200變頻器所有部分裝在配電柜內(nèi)，不需要另外的電抗器、濾波器等設(shè)備裝置。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)配線少，調(diào)試周期短，投入生產(chǎn)快。
（2）電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊電流，無(wú)機(jī)械沖擊，噪音較小。泥漿泵電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)是通過(guò)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，并在觸摸屏上顯示泥漿泵泵壓、泵沖。泵沖調(diào)速可通過(guò)電位器在0-120Spm調(diào)整，優(yōu)化了泥漿排量、建立了穩(wěn)定的無(wú)波動(dòng)泵壓，減少了對(duì)泵的損壞。
（3）提高了泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的最佳工況運(yùn)行。操作工只需在司鉆臺(tái)對(duì)泥漿泵電機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，就可滿足鉆井需要。司鉆臺(tái)還有電機(jī)的零位保護(hù)，具有風(fēng)機(jī)的啟停、故障復(fù)位、緊急停泵按鈕，并有泥漿泵轉(zhuǎn)速顯示，變頻器的各種工況指示、故障報(bào)警，冷卻風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，達(dá)到了操作方便、指示直觀的目的。
（4）節(jié)能效果顯著，大大降低了成本。在變頻器投入正常運(yùn)行后，我們對(duì)設(shè)備實(shí)際功率進(jìn)行了測(cè)算和分析。其具體數(shù)據(jù)如下表2所示：
表2：
而原設(shè)備由于柴油機(jī)直接拖動(dòng)泥漿泵，電機(jī)功率（1200KW）相對(duì)較大，存在著“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，無(wú)功損耗多，耗電量大。據(jù)最保守算法，節(jié)能率也在20％左右。
5．結(jié)束語(yǔ)
泥漿泵循環(huán)系統(tǒng)的變頻運(yùn)行，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車(chē)。泵壓控制穩(wěn)定，泵沖調(diào)節(jié)方便，真正實(shí)現(xiàn)了智能化和自動(dòng)化。本變頻器良好的驅(qū)動(dòng)性能，保護(hù)了泥漿泵并提高鉆井的質(zhì)量，用戶給予了很高的評(píng)價(jià)。在電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，鉆機(jī)設(shè)備采用交流變頻驅(qū)動(dòng)，代表著鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向，利用全數(shù)字變頻控制技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將各子系統(tǒng)組成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)全方位的控制和管理，按照司鉆控制智能化、人性化和一體化設(shè)計(jì)理念，組成了完整的鉆機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并可以通過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，為油田最終實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP32-500Z大功率變頻器在大慶油田鉆機(jī)上的成功應(yīng)用，為國(guó)產(chǎn)變頻器又開(kāi)辟出一個(gè)全新的市場(chǎng)，在油田鉆機(jī)變頻領(lǐng)域填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。如今數(shù)十臺(tái)鉆機(jī)變頻器已經(jīng)投入運(yùn)行，由此可見(jiàn)，變頻器在油田設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，將會(huì)有有著廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α?br />
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