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1、中国电源学会第二十一届学术年会集工变频器在深井钻文熙凯,中的应用研究（市电气，省市 518000）The Application Research on Engineering Inverter in Deep Well DrillingWEN XIKAI,LIAO RONGHUI(Shenzhen Hopewind Electric Co., Shenzhen 518055, Guangdong Province, China)ABSTRACT: Inverter has been widely used in drillingplatform with the development of

2、 power electronic technology. It is mainly used to drive the winch motor, rotary table motor and mud pump motor. In this paper, the drilling technology has been introduced simply, the system configuration in deep well drilling has been given based on a new generation of Hopewind engineering inverter

3、s with high performance, the key technology of drilling applications is analyzed, the simulation combined with the actual drilling condition in the laboratory has been carried out, and the test result shows the excelperformance of Hopewind engineering inverters.2钻井工艺简介钻井过程分为起落井架、钻进、泥浆循环、钻具更换、下套管、测井等

4、几大工序。主要分为绞车、转盘和泥浆泵等。绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和设备组成。用来起落井架，提升和下放钻杆、套管。随着井深的增加，钻具越来越长，重量迅速加大，绞车的负载也越来越大。7000m 深的油井，其钻具近 600t。由于每钻进 9m 就要提升下放钻杆 1 次。因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降低成本，希望在野外或海上的作业时间越短越好。这不仅要求绞车能高速运行，平稳启停，以保证不损坏钻井设备并提高井的质量；还要求驱动设备具有良好的动态性能。如果在内线井区作业，电源可与井区电网相连，下放钻杆时电机工作在发电状态，能量可回馈电网，节能效果显著。

5、KEY WORDS: Inverter; drilling; hover; multidrive; vectorcontrol摘要：随着电力电子技术的发展，变频器已广泛应用于钻井平台，主要用来驱动绞车电机、转盘电机和泥浆泵电机。本文简单了深井钻井工艺，阐述了电气工变频器在深井钻井工况进行了中的应用配置及等，并结合实际钻模拟，测试结果展示了电气工变频器的卓越性能。：变频器；钻井；悬停；多传动；矢量转盘和绞车可共用同一套驱动系统和电机。钻杆加长后，驱动部分切换到转盘，由转盘带动钻具旋转，实施钻井作业，司钻工通过调节转盘转速和1引言石油钻井即经过勘探发现储油区块后，利用专用设备和技术，在预先选定的地

6、表位置处，向下或来改变钻井速度。转盘正常工作转，处理卡钻时需反转以收回钻头。为防止钻杆正转时折断或反转时脱扣，要求电机输出转矩平稳，调节灵活且设定限幅值，同时电机刹车部件也是必不可少的。一侧钻出一定直径的圆柱孔眼，并钻达层。油气目前，国内钻井队所使用的钻机的类型有三类：第一类为机械钻机，即钻机采用机械传动；第二类为半机械半电动钻机，钻机采用机械传动，转泥浆泵好比整个钻井设备的心脏，它所输出的盘使用变频电机驱动；第三类为电动钻机，所泥浆的作用类似于内的血液。泥浆从钻杆内部有的设备为电机驱动。其中电动钻机又可分为直流自上而下注入，流过钻头后，再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出。在这一过程中，泥浆协助

7、钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑。更重要的是通过在泥浆中掺入重晶石粉等物质可保持井下一定的压电机驱动和交流变频电机驱动。随着变频技术的发展，变频器的广泛应用，交流变频电动钻机已逐步替代其他钻机成为主流。下文主要变频器在深井钻机中的应用研究1。1281中国电源学会第二十一届学术年会集力，避免井喷。泥浆泵的和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比2。由于工艺过程的差异，对绞车、转盘、泥浆泵电机的特性要求分别如下。绞车电机：负荷变化较大，有正反转无极变速，过载能力强。转盘电机： 能精确设定、限制扭矩，正反转无极变速，短期过载。泥浆泵电机：精确设定转速。3变频器系统配置钻井设备属于移动作业设备，设备

8、通常安装于集装箱中，以便于设备的和野外作业。为降低安装成本，要求钻井设备体积尽可能小。电气工变频器对各功率单元分进行了高功率密度模块化设计，整机较同类更图 2 变频器系统实物小；而且模块化的设计简化了变频器的维护工作，并可根据不同的工程应用灵活配置变频器系统。整流单元由两套 HD2000-10B21133+L（单套功率 2.25MW）并联。柴油发电机或电网提供 600V 或者 690V 的交流电作为整流单元的输入，经过整流后输出到直流母线。整流侧还包括交流主熔断电气为某石油钻井电控集成厂商提供了一套 7000m 井深钻井平台变频器系统。所属：HD2000-10G42263+L 多传工变频器。整

9、套变器、主开关、交流电抗器及其系统。频器系统的组成框图如图 1 所示，包括 2 个整流单元（R1、R2），6 个逆变单元（I1 至 I6），2 个能耗逆变单元从直流母线取电，将直流电源逆变为频率和电压可控的交流电源电机。此变频系统制动单元（B1、B2）。变频器系统的实物2 所示。如图逆变单元为 6 套 HD2000-16B12703+L（单套功率1.2MW），其中 2 套驱动绞车电机，1 套驱动转盘电机，3 套驱动泥浆泵电机。每个逆变单元，通过熔断器组合开关连接至直流母线。如果有逆变单元损坏，可通过熔断器组合开关切除故障单元后继续轻载运行，减少停工时间，提高系统的可靠性。能耗制动单元由 2 套

10、 HD2000-18B05503+L（单套峰值功率 605kW）与柜外制动电阻组成。制动单元的在直流回路的电压超过动作阈值后导MMMMMM通，由制动电阻泄放掉母线上的能量。制动时，绞车电机处于发电状态，逆变单元将此部分能量传送至直流母线，通过能耗制动电阻对此部分能量进行泄放。图 1 7000m 井深钻井平台变频器系统组成框图44.1参数辨识技术在矢量系统中，磁链观测和速度估算是变频传动高性能应用的基础，但转子电阻参数的准确度会直接影响到磁链观测器及环节的精度，从而影响性能。受、集肤效应等复杂因素的影响，异步电机转子电阻具有非线性、时变等特点。1282R1R2B1B2I1I2I3I4I5I6中国

11、电源学会第二十一届学术年会集为了获得优良的性能，在高性能变频器中，在i 分别为定子 轴、 b 轴电流；y、y为转sbrarb线参数辨识功能十分必要。本工电阻进行变频器采用自适应辨识方法对转子辨识。MRAS 的主要思想是将不含未子 轴、b 轴磁链； q、q为不同模型下的无refadj知数的方程作为参考模型，将含有待辨识参数的方程作为可调模型，二者输出物理量意义相同，利用2 个模型输出量之间的误差，通过选取合适的自适应律达到系统辨识的目的，其基本结构如图 3 所示。参考输出ym(t)功功率。以式(4)为参考模型，式(5)为可调模型，按照波超稳定理论设计方法，可采用最简单的自适应机构，即比例-(6)

12、所示。转子电阻的误差进行调节。环节的转子电阻自适应律，如式辨识就是按照瞬时无功功率输出误差e(t)输入r(t)参考输出yp(t)ÙÙÙadj ) + Ki ò(Rr = Kp (技术(6)adj )dt4.2 悬停悬停频器可以是指电机在极低速甚至是零速时，变电机最大输出至额定转矩，以平衡悬图 3 模型参考自适应结构图辨识电机转子电阻的 MRAS 主要有基于转子磁链、反电动势以及无功功率模型的方案。在基于挂物的重力，使其可以稳定悬停在空间某一位置。悬停作为变频器钻井应用的，其优秀转子磁链的方案中，参考模型的纯环节和定子的性能确保了绞车在进行钻杆提升、下放时

13、的可靠性和稳定性，保障了钻井作业的正常进行。电阻直接影响辨识效果；而基于反电动势的方案虽然避免了纯环节的影响，但定子电阻的影响仍电气工变频器在进行悬停然。为了解决上述问题，电气工变频入了带零速能力的 PI 调节器，框图如图 4器选用了无功功率模型作为转子电阻辨识方案3。由电机学中两相静止坐标系下的异步电机方程，经过数学推导，获得异步电机的反电动势矢量4：所示，加强了超低速时转速环的性能。isq*isqw*rdis )dte = u - (R i + sL(1)wumss ssrsq _ FFisdw*irsd2Liiem = m (wr Ä im - m + s )u(2)sd _

14、FFLRTrTr图 4 悬停框图式中：em 为反电动势矢量；im 为电机励磁电流矢量；im=is+(Lr/Lm)ir。4.3 多电机技术为增加深井作业时绞车的提升转矩，绞车一般由两两台以上的同轴连接电机拖动。为使得运定义瞬时无功功率为交流电压和电流的叉积5，如式(3)所示，并推导可得基于瞬时无功功率的转子电阻辨识模型，如式(4)、(5)所示。转电机的能力得以充分发挥，电机的协同显得十分重要。电气工变频器利用其先进的集中分q = is Ä em(3)散式拓扑结构，摒弃了业界常用的主从方式，弱化了主从的概念，将转速外环与转矩内didi sbdtq= (u i- u i ) + sL (i

15、- i sa ) (4)环分离成块，实现对多个同轴电机的协同控refsa sbsb sas sasbdt制。以两电机为例环的框图如图 5 所示，将速度外LRqadj = m r (y rb isa -y ra isb ) - (y ra isa -y rb isb )wr (5)能块，速度外环的输出作为各电Lr Lr机转矩电流的给定。对比业界常用的主从，式中：usa 、usb 分别为定子 轴、b 轴电压；isa 、电气工变频器所采用的多电机技术不仅能使得同轴连1283中国电源学会第二十一届学术年会集接的各电机均匀出力，使得各电机的能力得以充分发挥；由于弱化了主从概念，还可使得各电机互为冗余，即

16、在其中部分电机损坏，其他各电机仍能很好地协同运转（未损坏电机带载能力足够）。这样进一步提高了钻井系统的可靠性。isdwi *sdusd _ FFisqi *squw _ FFsq _ FFw *wisq图 7 悬停功能测试波形i *squsq _ FFi5.2 两联轴电机负荷平衡在上述实验平台中，给定 3Hz 的阶跃频率，测w*sdisdusd _ FF图 5 两电机协调5实验数据框图试此动态情况下两联轴电机负荷平衡情况。测试波形如图 8 所示，在频率阶跃时，两电机的转矩电流以及定子电流几乎完全重合，变频器具如下搭建了双电机起重实验平台用以模拟钻有优秀的多电机功能。井平台的复杂工况，测试工变频

17、器的悬停以及多电机功能。实验平台如图 6 所示，两台30 kW 异步电机同轴连接，通过滚筒绕线垂直提升、下放悬挂重物（铁球）。工输出分别接至两台电机。变频器的两个逆变地面限位保护图 8 两联轴电机运行电流测试波形限位告警6结束语石油钻井作为变频器应用的高端领域，对变频器的性能以及可靠性有着极高的要求，其市场长期沙池铁球被国外变频器所。电气作为特殊定制工程型风电变频器的龙头，推出的 HD2000 系列新一代高端工机协调传动，了变频器高端市场多电以及悬停等技术难题，同时其成熟图 6 双电机起重实验平台的公共技术平台确保了变频器的高可靠性。新5.1 零速悬停在上述实验平台中，调整悬吊重物使得电机输出

18、额定转矩，测试此时变频器的悬停功能。测试波形如图 7 所示，悬停时码盘脉冲计数值维持为恒定值，即重物悬停稳定，变频器悬停功能优秀。一代高性能工变频器的推出将彻底改变变频器高端市场被国外品牌的格局。参考文献1陈如恒.电动钻机的工作理论基础(二)J.石油矿场机械,2005,34(5):1-6.等.石油工业节能技术M.北京: 社.2000.Peng Fangzheng,Fukao T. Robust speed identification for231284电机滚筒电动抱闸电机中国电源学会第二十一届学术年会集speed-sensorless vector control of IEEE Transactions on I