钻机变频传动系统设计

1、钻机变频传动电控系统的总体设计 安建钧摘要:本文叙述了变频钻机电传动系统的优点, 论述了电传动系统的方案配置与设计的 关键问题,对系统抗干扰措施也做了说明。同时对变频钻机的技术发展也做了展望。关键词:变频钻机 ;PWM 变频技术 ; 矢量控制 ; 能耗制动 ; 结构设计; 抗干扰; 自动送钻 ;PLC 与现场总线;一体化仪表中图分类号:TP273 文献标识码:BDesigning the variable-frequency drive system of variable-frequency drilling rigAbstract:In this article we narrated a

2、dvantages of the electric drive system of variable-freqency drilling rig ,and its configuration and key point in designing are also presented.We also commented the EMI measures in the electrical system. Finally the applied prospect of variable-freqency drilling rig is givenKey words:variable-freqenc

3、y drilling rig; PWM frequency-converting techniques; vector control; energy-loss brake; structure designing;EMI measures;auto drill bit feeding; PLCand field bus;the meter system in drilling with entirely designing变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式, 目前已在石油钻机电传动系 统中得到了广泛的应用。1. 石油钻机采用变频传动的优势在大功率场合交流调速系统和直流调速系统在目前来说

4、各有优缺点, 优缺点 有一定互补性,但交流调速优点明显要多于缺点。(1采用交流电机,结构简单又坚固,体积小,造价低,运行可靠而易于 维护, 运行效率高。 交流电机无换向器, 尤其是鼠笼式异步电机, 定子和转子为 非接触式的电磁感应驱动, 不产生电火花, 可以大大降低防爆要求和费用。 没有 换向器与电刷, 省却了复杂的安装维护工作。 这极其适合于野外环境恶劣的油田 工况。(2交流电机转子转动惯量小,加上变频器的快速响应特性,在矢量控制 或直接转矩控制方式下,交流调速系统在动态上要比晶闸管 -直流电动机系统快 一个数量级。 极宽的调速范围和优异的稳速性能也要超过直流系统。 绞车传动系统的高精度速度

5、控制为起升和下放井架、钻井时上扣卸扣提供了方便。(3直流传动三相桥式整流电路的功率因数为:cos955. 0为控制角。 随着直流电动机转速越低, 其功率因数越来越低。 绞车运行时, 电 网无功冲击很厉害,电网电压波动较大。变频器的整流侧一般为电容滤波的二极管不控整流或晶闸管整流桥, 进线端 设有电抗器,其位移因数通常接近于 1,逆变器侧是 PWM 控制方式,其功率因 数主要决定于交流电动机, 调速过程对功率因数影响很小, 所以变频器的综合功 率因数很高。 高功率因数的主要原因之一是直流侧电容器的滤波与补偿作用。 变 频器对电网的谐波污染要比直流系统轻一些。变频器输出侧有较多的高频谐波, 比较容

6、易滤除, 但要做一定的抗干扰措施, 否则会影响系统本身的工作和其他用 电系统。 直流传动系统在低速运行和轻载运行时的性能恶化的缺点都被变频器克 服了。由于变频系统在运行时具有高功率因数, 而且功率因数较为稳定, 所以无功 冲击大大减小, 电网电压更为稳定。 电网电压波动主要受无功冲击的影响, 有功 冲击影响柴油机组的转速较明显。在钻机绞车运行时 , 当有功功率的变化量为 300400kW 时 , 无功冲击量不超过 80kV AR 。根据现场的实际观察,变频系统的功率因数一般可达到 0.95左右;直流系 统平均功率因数不到 0.5,转速越低功率因数越低。所以在直流钻机的绞车运行 时有功功率的变化

7、量与无功冲击量都很大,电网频率与电压波动都大。(4 变频系统有多种可逆传动方案。 钻机系统为小电网供电, 目前绞车传动 一般采用不可逆 /可逆整流器+制动单元和制动电阻构成能耗制动,可实现电机 四象限运行与零速度带载悬停功能, 电机可在几转的低速稳定运行, 为司钻工提 供了一种很友好的很方便的操作方式;通过 PLC 控制的游车高度监控实现电机 自动减速、停车及安全抱闸也提高了钻机的安全性,有效地防止了上碰下砸。 (5交流调速的一大优势就是节能。首先是高功率因数运行可以降低电网 线路损耗。 其次, 异步电机具有较高的运行效率。 再拿钻机绞车上使用的不可逆 直流调速 +电磁涡流刹车的直流系统和不可

8、逆整流器+能耗制动的变频传动相比 较, 变频器的能耗制动只是消耗掉钻具下放时发电制动产生的多余的电能, 一部分储存在电容组上的能量还可以返回电机使用; 而电磁涡流刹车要专门有供电设 备, 本身又有一定的使用效率。 变频系统若采用公共直流母线方式, 从理论上说 绞车下钻时的能量可以被泥浆泵电机吸收掉, 节能效果应当很显著。 但是实际上 绞车起下钻时转盘和泥浆泵一般都不运行, 因而不能实现显著节能效果。 但公共 直流母线方式可以减小变频器的体积与造价。变频系统目前的主要缺点是变频器本身的噪音大, 损耗大, 其损耗是相同功 率整流柜的 3倍多, 提高了对冷却系统的要求并增加了系统能耗; 变频器体积大

9、, 制造复杂,这是它天生来的缺点,恐怕近年内难以克服;造价高,初期投资大, 目前比相同容量的直流系统要高出 30%以上。 随着电力电子技术与控制技术的发 展,其价格与体积必然逐步降低。2. 方案配置当前变频钻机有两种主要的模式:(1 全变频的 ZJ50DB 或 ZJ70DB 等; (2 独立转盘加自动送钻变频的 40LDB 或 70LDB (其余主设备为链传动 。变频器 的选型目前以西门子产品居多, ABB 产品也有应用。一个典型的 ZJ70DB 电传动系统如图 1所示。 动力系统为四台 CA T3521B 柴 油发电机组, 交流主动力为 600V , MCC 为 400V 。 600V 母线

10、上配置了两组三角 形连接的 SPD 晶闸管过电压吸收器,通过吸收电压尖峰既可以保护变频柜的晶 闸管,又可消弱系统干扰。变频系统全部选用西门子 6SE71系列, 2×800kW 绞 车变频柜, 800kW 转盘变频柜, 3台 1100kW 泥浆泵变频柜, 45kW 自动送钻变 频柜。 绞车和自动送钻传动采用有速度传感器矢量控制, 采用能耗制动方式实现 电机四象限运行。转盘和泥浆泵传动采用无速度传感器矢量控制。采用西门子 S7300 PLC和 Prfibus 现场总线系统,电控房和电工值班室各设 置一台工控机并采用 WINCC 组织监控画面, 司钻房设置两台 15#MP370触摸屏 做显

11、示与操作使用。 MCC 系统中 30kW 以上电机配置了西门子 3RW 软启动器和 ASI 总线控制的智能井电系统,大大减少了其控制电缆。 ASI 总线主站模块为西 门子 CP342-2,作为 PLC 主站 CPU315-2DP 的一个子站而嵌入。司钻台内分站 配置了 SM338位控模块,游车高度编码器为绝对位置型,可使编程简单并有位 置记忆功能。该方案的主要缺陷是没有设计绞车 B 变频柜对转盘的备用切换功能。其次是交流主动力为 600V , 变频柜进线为 690V , 致使变频柜容量损失。 根据用户的 描述,泥浆泵变频柜容量偏低,致使 F1600泵只能达到 F1300泵的功率。这些 都是在系

12、统配置中要注意的。我们认为以后的配置以交流主动力为 690V 为宜, 变频柜容量不浪费。钻机小电网不适宜于采用能量回馈方案, 多采用制动单元。 当前对绞车制动 单元的配置有争议。一般配置多组 200kW 制动单元并联,每个单元的制动电阻 为 P 20=200kW,持续功率 50kW ,阻值 4. 45。西门子公司人员认为按照标准 配置每个变频柜最多不能超过 5个制动单元。 我们认为制动单元本身从设计上只 是考虑了快速停车负载的要求, 没有考虑位势性负载长时间连续下放的工况。 对 这种工况西门子公司有四象限变频器(即整流侧四象限运行 ,可向电网回馈能 量。 在标准配置下, 制动单元在长时间连续下

13、放的工况下, 其持续容量是不够的, 其自身散热也没有考虑。鉴于此,我们抬高制动电阻的阻值到 5以上,降低每 个制动单元的负荷, 并且增配单元数目以留有裕量, 即使在现场损坏一个也不影 响系统的短时间运行。 我们在该系统为每个绞车变频柜配置了 7个制动单元以及 风机和加热去潮措施。实践证明这样避免了制动单元的频繁烧损。ZJ50DB 或 ZJ70DB 电控系统一般制造为两个电控房。在图 1的 70DB 系统 中, 1#房放置了发电机控制柜, 泥浆泵变频柜和开关柜,主变压器。 2#房放置了 绞车、转盘、送钻变频柜,制动单元柜和 MCC 柜, PLC 主站以及工控机。制 动电阻在房外独立放置。 图 1

14、. ZJ70DB 电控系统基本配置图40LDB 或 70LDB 钻机电控系统比较简单, 一般为转盘、 送钻变频柜和 MCC 柜, 司钻房也设有触摸屏。 显示泥浆泵冲数应当配置泵冲传感器。 有些系统还为 机械绞车配置了直流涡流刹车柜。涡流刹车柜一般应以西门子 6RA70直流调速 器为好,全数字控制,调试简单,性能稳定,接口方便,易于与 PLC 系统通信, 并且具有完善的故障连锁保护功能。 LDB 钻机电控系统投资省,效果好,已成 为机械钻机电气化改造的一种首选。近几年的实践表明,下面几项技术已经是变频钻机的基本要求:(1 采用矢量控制的绞车电机四象限运行和游车位置闭环的防碰功能;(2 恒钻压自动

15、送钻技术;(3 PLC 和总线控制;(4 一体化司钻台和一体化仪表系统;(5 操作和钻井参数实时显示、 电气系统运行监控与显示、 故障显示、 报警与 安全停车的齐备功能, 为钻井工艺创建一个数字化、 信息化、 智能化的管理平台 和友好的人机界面。PLC 和总线系统目前以 S7-300和 Prfibus 现场总线为主流。这种产品经过了 现场广泛的检验,运行稳定,性能高而价格适中,订货容易,技术支持好,对现 场维护人员也容易入门。 同时建议保留必要的继电器应急操作功能, 现场维护人 员对此较易掌握, 在总线系统故障时应急操作以提供维修时间。 有的系统设置了 冷备份或热备份的双 PLC 双总线功能。

16、 双 PLC 双总线系统配置和布线复杂, 增加 了现场维护的难度。 有人提出将工控机接入互联网, 可在厂内对现场运行情况进 行监控和故障诊断。在配置总线系统时建议将工控机联入工业以太网, Prfibus 总线仅连接主传 动设备,这样可以避免其它非主要设备的调试安装及故障维护影响主传动设备。 一体化仪表系统主要显示监控以下参数:发电机组数据:各发电机电压、电流、频率、有功功率、无功功率等。 传动系统数据:各变频柜转速、功率、电压、电流、转矩等。其它电气运行情况:MCC 运行状态, 各风机、 注油泵、 喷淋泵等运行状态。 钻井工艺参数:悬重、钻压、转盘转速、转盘扭矩、泵压、大钳扭矩、入口 流量、出

17、口返回量、井深、机械钻速、游车位置、吨·公里、钻时及衍生的其他参数。悬重、泵压、大钳扭矩和出口返回量测量要安装传感器;转盘转速、转盘 扭矩由全数字传动系统给出,不需要传感器;井深、机械钻速、游车位置、由滚 筒编码器算出; 吨·公里由滚筒编码器和悬重传感器算出; 钻时由 PLC 计时, 每 次钻进时在触摸屏上手动启动计时;入口流量可由公式计算:10(60495. 0362s L n L D Q -= 95. 0效率, D 缸套直径, L 冲程, n 冲数。罐区泵区监控数据:泵冲、 总泵次、 泥浆池液位等。 泵冲与电机转速成正比 的固定关系, 可由全数字传动系统给出, 不需要传

18、感器; 总泵次由泵冲按照积分 算法累计;泥浆池液位一般安装超声波液位传感器。综合以上显示参数可以设定一些报警设置, 例如液位过高或过低, 出口返回 量异常等,提醒司钻注意。一体化司钻台和一体化仪表系统省却了体积大造价高安装复杂的机械式参 数仪系统,省却了许多传感器,数据准确,实时性好。传感器安装复杂,维护麻 烦,对恶劣环境的承受能力差。罐区的传感器可以考虑采用 ASI (执行器 -传感 器总线总线方式以减少接线,可与智能井电共用 ASI 总线。鉴于全变频系统体积大造价高,可以考虑绞车、转盘、送钻采用变频传动, 泥浆泵采用直流传动的混合方案可以减小体积、 降低造价, 又可减少电控房内总 的发热量

19、。 直流系统可选用西门子 6RA70调速器。 混合系统的缺陷就是在钻进时 功率因数很低, 从节能的角度来说不划算。 可以配置一台变频传动的泥浆泵来提 高功率因数。 绞车转盘选用相同的变频柜和电机以实现绞车 B 变频柜对转盘的备 用切换。由于钻机系统的特殊性一般情况下变频柜不设置输出电抗器。3. 结构设计电控房内空间小, 设备密集, 一般要一次设计和制造完善。 如有设计制造不 合理之处很难予以整改。下面几个问题极其重要而往往被忽略或做的不好。(1布局及电缆布线问题:柜体与大件布局要考虑动力进线、柜体元件发热、 抗干扰、 动力和控制电缆隔离以及重量等问题, 并尽可能考虑安装维护方便。 变 频柜为下

20、进线下出线,而且动力电缆数量多,因此 600V 母线最好设计在发电机控制柜下部。 房内地板下部设置地下室以布置电缆, 动力电缆布置在两边柜体下 面, 控制电缆布置在过道下面, 并且这三部分予以隔离以防止电气干扰。 房体底 部要有良好的防潮防水措施。柜体上部空间要留做散热通道使用。(2接地与抗干扰问题:这是全数字控制系统的一个重要问题。实践证明房体 和柜体由于油漆和生锈的原因,依靠其做接地体是不可靠的。系统宜采用 TN-S 接地方式, 在变压器室里分别设置接地母线 PE 与主变压器 N 母线 (二者在房内 不连接 。 对所有变频柜以及具有弱电控制的柜体均设置接地铜排 PE , 以 120mm 2

21、的导线全部连接并连接于接地母线 PE ,从接地母线 PE 和 N 母线上分别引线到 房外的同一个接地极,即接地母线和 N 母线在房外接于一点。接地母线布置图 如图 2所示。 同时钻台上也要设计接地铜排并向地面引入接地电缆, 将各主电机 的外壳、 动力电缆的屏蔽层与该铜排连接。 最好将房内接地母排与钻台接地母排 直接连接, 导线截面不小于绞车动力电缆。 良好的接地将有利于抑制变频柜动力 电缆的强干扰。抗干扰设计是变频传动系统的重点综合性问题, 如果处理不好会造成这样那 样的现场问题。 除了布线与接地外, 抗干扰设计有多种措施, 后面还要予以阐述。 图 2。接地母线示意图(3通风与散热问题:变频柜

22、运行时发热量很大,要依据供货方提供的参数选 择足够容量的冷气机并留以裕量。 冷气机最好选用单制式带电加热型式, 以便房 体去潮时使用。对 ZJ50DB 或 ZJ70DB 要设计循环风道以提高其致冷效果,风道 还要避免热风短路现象。 变频柜要布置在房内过道两边并靠近空调一面以提高风道效率。(4在总体设计时考虑硬件与软件要有一定的冗余能力。4. 系统设计的抗干扰措施变频传动系统输出电压和其制动电阻上的电压为 PWM 波形, 具有极强的瞬变 电压干扰特性, 含有较多的高次谐波成分, 对其他设备造成的干扰较为严重。 变 频器中整流器带有大电容负载, 晶闸管换相时会造成较强的瞬变电压干扰; 整流 器也会

23、对电网侧造成一定的谐波污染 (网侧谐波要低于直流传动系统, 直流系统 在网侧和电机侧都有较多的低次谐波,较难消除 。抗干扰处理不好会对其他的 用电设备产生严重影响, 严重时会干扰本系统运行的稳定性和可靠性, 致使现场 产生一些莫名其妙的问题而且是难 以判断和处理。图 3是 现场测得的变频 ZJ50DB (交流侧带 SPD 600V 母线线电压波形, 图 4是现场测得的直流 ZJ70D (交流没有进线电抗器 600V 母线线电压波形。可见直流系统电网侧谐波要比 较严重。图 5为变频柜输出的 PWM 线电压波形,开关频率为 2. 5kHz ,在半周 期内为脉冲波形,其基波频率为输出频率,谐波成分主

24、要分布于开关频率附近。 这种波形会对其他的用电设备产生严重影响,需要做好良好的抗干扰措施。 图 3 ZJ50DB (交流侧带 SPD 600V 母线线电压波形目前对电磁兼容性的许多方面还缺少定量分析, 只能以积累的经验来选择抗 干扰措施。在设计时可以采取以下一些措施:(1 交流进线过电压吸收装置:可采用晶闸管过电压保护器 SPD 或阻容吸收装 置。(2变频柜进线电抗器:变频柜一般均要设有进线电抗器,能够抑制变频柜内 产生的谐波进入 600V 电网,改善系统的电网波形和功率因数。(3动力屏蔽:全部的变频动力输出均采用屏蔽电缆,能够大大降低谐波干扰 源,可以有效的抑制动力输出对控制信号的干扰。(4

25、控制屏蔽:全部控制电缆也采用屏蔽电缆,屏蔽层两头接地可以防止强干 扰进入控制回路。(5分开布线:电控房内外都实施动力与控制分开布线,电缆槽要设有动力与 控制隔离槽。房外布线时要注意这一点。(6 接地措施:按照本文上节所述, 系统采用 TN-S 接地方式, 房内设置接地母 线,电机侧也要设置接地装置。 图 4 直流 ZJ70D (交流侧没有进线电抗器 600V 母线线电压波形 图 5 变频柜输出的 PWM 线电压波形（7）控制电源隔离：独立的供电模块提供稳定的直流 24V 电源以确保控制电源 的稳定和不受干扰。 （8）信号隔离：进入变频柜的开关量信号和进入 PLC 总线系统的外部开关量信 号经过

26、中间继电器的转换与隔离，可以防止强干扰直接窜入。 此外，模拟量各路均采用双端输入以抑制共模干扰，由房内综合柜到司钻房 的控制电源 0V 信号线单独加粗，以及采用 HTL 电路元件（例如电机编码器）都 可以起到抗干扰作用。 除了上面所述的硬件措施以外， 还需要有一定的软件抗干扰措施和软件硬件 结合措施。现在，PLC 和变频器的软件功能极其强大，编制软件和设置参数都可 以做到必要的抗干扰特性。 5 钻机整体设计的一些问题 钻机整体设计的一些问题 一些 （1）钻机整体设计的标准化、模块化、系列化问题：目前国内钻机及其电控系 统的生产厂家较多，各自的产品也差异较大。有的厂家几年内几乎没有生产两套 完全

27、一样的设备，用户也各自有不同的要求甚至随意提出不成熟的要求。就连主 电机的型号也达到一百多种。这给厂家的设计制造和用户的使用、维护、组织备 件都造成很大困难。 制订强制性的行业标准使钻机及其电控系统的设计制造达到 标准化、模块化、系列化，会对厂家与用户均极为有利。 （2）整体设计的机电配合：在变频钻机的整体设计中，机电设计的紧密配合是 再也不能被忽视的一个问题。钻台上电、液、气联控，电缆、油路和气路管线纵 横交错，各处还安装了各种传感器、探头、仪表等，司钻房空间狭小而内部集中 了各种操作监视控制设备。 配置全面的变频钻机系统动力电缆和控制电缆较多而 且要求布线隔离。这些都要求机械厂要做到总体把

28、握，合理安排，积极配合。尤 其对下面几个问题要处理好：钻台上油气管线和电缆走向布置要整齐合理；各传 感器要予留合适的安装空间，司钻房内各电、液、气系统要安排足够的空间；各 处要便于安装和维修；电缆槽不是一个无关紧要的附件而随意设计，要宽大并切 实隔离；司钻房的设计要尽快标准化。电控厂家要及时协调这些问题。动力电缆 下线长度要合适，如果太长会造成电缆槽内布线混乱并增大干扰。钻台上电气连 接要选用优质密封接插件。 （3）钻机整体设计对环境的适应性，包括电磁环境即抗干扰：无论是机械还是 11 电气设计，都要考虑防尘防雨防潮措施，考虑结构的安装拆卸的方便性，考虑维 护的方便性。 现场维护有诸多不方便因素， 应考虑一定的冗余设计和可靠性验证。 对环境的适应性也包括对电磁环境的适应性，即系统抗干扰与电磁兼容。 （4）目前广泛使用的发电机组模拟控制系统（包括机组端的电子控制屏）抗干 扰能力不