西门子6ES7231-0HC22-0XA8常规现货

   1 引言 

    油田钻机是油井生产的主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率 。 由于其钻井工艺的特殊性，对钻机电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，长期以来一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的特点，油田上因变频器故障得不到及时维修 , 造成质量事故的现象时有发生。在这种形式下，我公司针对钻机的特殊工况，自主研发了可替代进口机的钻机国产专用变频器。该变频器体积小，重量轻，便于安装、调试 、 维护 , 效率高，性能稳定。 

    变频驱动钻机较传统钻机有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效率高。变频技术在油田钻机上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。 

    2 原油田钻机系统存在的问题 

    大庆市石油管理局井下钻井公司原有一套可打 3000m 深度的钻井设备。该设备控制系统主要包括三大部分：动力系统（由 2 × 500KW 柴油发电机组构成， 2 台机组并网于 3 相， 380V/50Hz 交流母线）；泥浆循环系统；钻井传动系统（包括 1 套 500KW 电机转盘和绞车驱动系统、 4 台 45KW 液压泵等）。现场设备图如下图 1 示。针对原控制系统存在工作效率低，操作复杂等诸多问题，我们配合大庆市石油管理局井下钻井公司对该油田钻机进行了变频改造。具体来说该控制系统存在以下问题： 

    （ 1 ） 司钻工只有通过不断更换五个档位，才能调节转盘转速和钻进压力，进而改变钻进速度，工作效率低。 

    （ 2） 每次 换档时 , 电动机要反复启停几次 ,在起动过程中会产生过大的启动电流， 对电网和其他设备造成冲击 ,常因 电动机启动电流大而引起发电机组电压下降，其他设备无法正常工作。 

    （ 3 ） 低速提升时 , 只有更换低档位才能达到低速控制要求 ,而 电动机在钻井过程中处于工频运行状态，浪费了大量的电能。

  
图 1 现场设备图 

    3 技术改造方案  

    钻井传动系统是油田钻机系统中必备的组成部分，一旦传动系统不能运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对传动系统要求具有极高的可靠性 。 我公司是国内早研制变频器的公司之一，具有低压大功率变频器多年成功运行的生产经验，且。根据 “经济、高效、可靠”的原则， 大庆市石油管理局井下钻井公司选择了我公司生产的风光牌 JD - BP32 - 500Z （ 500KW/380V ）钻机专用 变频器，该 钻机专用 变频器配备了工业控制计算机作为上一级监控系统，液晶触摸操作，可对各种运行数据进行监控，具备完善的保护功能和定位监控系统，自动化程度高。 

    3 . 1 钻机专用 变频器系统组成框图 

    该系统组成框图如图 2 示。

图 2钻机专用 变频器系统组成框图 

    K 断路器 

    C 交流接触器 

    M 绞车电机 

    3 . 2 钻机专用 变频器系统介绍 

    该系统包括四部分 ∶ 

    1 ）进线开关柜 

    开关柜的主要功能是负责设备供电、变频器外围设备的过电流保护以及变频器控制电源的滤波。主要由断路器、交流接触器和控制电源的滤波组成。 

    2） 变频柜 

    变频器由两个交 - 直 - 交逆变单元组成，采用单元并联技术，增大了变频器容量；采用公共直流母排方案 ; 采用独特的吸收电路 （ 如图 3 所示 ） ，减小了 di/dt, 保护了功率模块，增大了安全系数。 

    因钻机工况的特殊性，当钻机遇到岩石等硬质层时，电流会在瞬间升高很大，产生对模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出相间直接短路 , 模块也能在 10us 内及时封锁输出 , 保护了变频器 , 提高了整机的安全性和可靠性。

图 3 吸收电路图

    U+ 正母线 

    U- 负母线 

    IGBT 功率模块 

    R 电阻 

    D 快恢复二极管 

    C 电容 

    3） 制动单元 

    该部分主要负责系统快速停机时，耗掉系统的惯性能量，内含刹车电阻和刹车控制系统，采用芯片自处理技术控制刹车界限 , 安全可靠。 因为钻具提升下放中，电动机有发电状态，造成变频器母线电压升高，对主电路器件安全造成威胁，所以需要外加能耗制动单元，将母线电压保持在安全范围以内。当母线电压高于设定值时，刹车控制芯片输出占空比随母线电压成线性变化的 PWM信号，这就使刹车比较平稳，传动系统没有冲击，延长了设备寿命。 刹车电路如图 4 示。 

图 4 刹车电路图

    U+ 正母线 

    U- 负母线 

    IGBT 功率模块 

    R 刹车电阻 

    4） 远程系统 

    该部分主要实现变频系统的远控操作和监控以及提供对外部进行数据交换的接口。 

    3 . 3 系统主要控制功能 

    a ：电机启动 / 停止 

    b ：电机正转 / 反转 

    c ：变频系统复位 

    d ：频率调节 

    e : 多段速控制 

    f ：电机电流和转速显示 

    g ：变频器运行指示 

    h ：变频器故障指示 

    以上 8 点功能在工控机触摸屏上均能实现，同时能提供对外部设备进行数据交换的接口，留有 16 路数字输入接口， 10 路数字输出接口，同时留有一路 RS232 通讯接口。 

    3.4 变频系统主要技术指标 

    1 .） 额定功率 500KW 

    2 .） 额定输入电压 380VAC 3 相 

    3 .） 允许电压波动 ±20% 

    4 .） 额定输入频率 50Hz 

    5.）允许 频率波动 ±5% 

    6.） 额定输出电压 380VAC 3 相 

    7.） 额定输出频率 33 . 5Hz 

    8.） 额定输出电流 940A 

    9.）过载 能力 1 . 5 倍电流 1 分钟 

    10.） 短路保护 2 . 0 倍电流立即保护 

    11.）工作方式 连续 

    12.） 高输出频率 50Hz 

    13.） 操作键盘 中文液晶触摸屏 

    14.）界面语言 简体中文 

    3.5 系统特殊性能 

    石油钻机专用变频器与一般变频器相比较，性能主要有以下不同点： 

    （ 1 ）变频器能够从 “零”开始调速，方便变速箱换档，从而避免挂换档时反复启停 电机的情况，即当变频器频率低于 2 Hz时，此时电机无扭矩，处于自由状态。 

    （ 2）当 钻井堵钻时，变频器能及时断开电机，保护动力设备，避免转矩过大扭断钻具，因此变频器设置了负载限制功能。 

    （ 3 ）在低速提升时，变频器能大限度的发挥电动机的动力性能，提供 220% 转 矩 输出。 

    3 . 6 其它注意事项 

    （ 1）载波频率的选择 

    提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，散热负担加重，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选择为2kHz。 

    （ 2）低频补偿功能 

    在深层钻进中，因为负载较重，起钻时需要较大的力矩，低频往往提不动。设置低频补偿后，启动电压可设定，很好的解决了这一问题。 

    （ 3）控制信号的传输 

    在变频器功率特别大的情况下，强烈的电磁干扰很容易造成控制信号错乱。为了从根本上解决这个问题，我们用光纤来传输控制信号，并让非光纤部分尽量短，主电路引线电感尽量低，很好的解决了干扰问题。 

    4 变频器现场情况  

    （ 1）变频器结构紧凑，安装简单。 

    我山东新风光电子科技发展有限公司生产的 JD-BP32-500Z变频器所有部分装在配电柜内，不需要另外的电抗器、滤波器等设备装置。体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试周期短，投入生产快。 

    （ 2）电机运行平稳，温升正常。 

    变频器拖动电机为大连天元电机有限公司生产的石油钻机专用电动机 YP2-355L-6BJ,电机运行平稳，启动时无冲击电流，无机械冲击，噪音较小。 

    （ 3）变频器运行稳定，性能可靠。 

    JD-BP32-500Z自投产运行以来，转速调节平滑，电压和电流稳定，变频器功率因数达0.95以上，效率高于98%，不逊于进口产品。 

    （ 4）操作界面简单，易于掌握。 
    
    变频器采用 bbbbbbS界面，运行过程中，各种参数在界面上直接显示，也可以通过触摸屏进行操作,容易掌握。故障发生时，变频器进行保护，同时提供故障信息，便于设备的维护。 

    （ 5 ）应用举例：在取心井上的应用 

    取心井，顾名思义是把岩心从井下取出，目的为研究地质构造和原油分布层次。由我公司生产的风光牌 JD-BP32-500Z 变频器于 2004 年 6 月，在大庆市井下钻井大队 30102 队一口取心井安装调试。此井设计井深 2130m ，自 1542m 到 1605m 下限为取心段，共取心 8 筒，收获率均达 99% 以上。在正常打井时用二档，转盘转速 280rpm ，变频输出电流在 200 — 800A 之间。提升时频率为 7Hz 左右，大提升电流不超过 1000A 。整个钻井过程中电流变化如下表：

    钻井过程中，减少了换档次数，减少了大的启动电流对电机的冲击，同时也减轻了司钻工的劳动强度，提高了整个井队的工作效率。且低频取心提升时，电机转速只有 120rpm 。 

    5 系统改造效果 

    系统变频运行，电机实现了软启动、软停车。钻机起停平稳，延长了电机的使用寿命，避免了电机烧毁等经济损失，减少了设备维修费用。系统具有过流、过压、欠压、短路、缺相、温升、失速等多种保护。本变频器良好的驱动性能，保护了钻井设备并提高钻井的质量，用户给予了很高的评价。经过近一年的生产运行表明，该变频器性能好，可靠性高，操作 方便，用户达到了 改造的 预期效果。 

    6 结束语 

    在钻机的更新改造中，就其控制系统方案而言，采用交流变频驱动，代表着钻机驱动技术的发展方向。而变频器具有的诸多优点可大大提高油田钻机的装备水平。我山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP32-500Z大功率变频器在油田钻机上的成功应用，为国产变频器又开辟出一个全新的市场，在油田钻井变频领域填补了国内空白。如今数十台钻机变频器已经投入运行，钻机变频器经受住了恶劣条件的考验， 运行效果良好，有着广阔的市场前景和发展潜力。 

一、HARSVERT-VA系列高压变频调速系统结构 
　　HARSVERT-VA系列高压变频调速系统采用功率单元串联多电平技术，属高－高电压源型变频器。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器三部分组成。一般现场应用还辅以旁路柜、开关柜等。 
　　变频器输入侧采用多重化移相变压器实现隔离和谐波抵消。无须功率因数补偿、谐波抑制装置，多脉冲整流技术的应用使得变频器电网侧谐波可满足IEEE519-1992标准和GB/T14549-93标准。 
　　变频器输出采用多个功率单元移相式PWM波形输出串联叠加，得到多电平高压，实现较低的输出电压谐波、共模电压和dv/dt。无须附加输出滤波装置，不会对电机的绝缘、轴承造成损害，可直接驱动普通鼠笼式、绕线式异步电机和同步电机。

　以10kV系统为例，图1是变频器系统结构示意图。其中，DSP控制器、新型一体化计算机和PLC一起构成变频器的控制和信号处理系统。此三者相互分工和协调，使变频调速系统获得佳控制性能。

　　二、HARSVERT-VA系列产品概述

　　由于采用了高性能DSP芯片和新型一体化计算机，在秉承公司HARSVERT-A系列产品完美无谐波、高可靠性、功率/电压等级覆盖范围广、控制接口灵活等优良品质的基础上，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速产品能够实现功能更为丰富、性能更高的高压大容量交流传动控制。目前，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制产品的性能指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩150%额定转矩，基本达到国际先进水平。

　　目前，HARSVERT-VA系列高压变频调速系统具有以下功能：

    恒压频比控制

　　这种控制方式显著特点是简单易行，因而成为目前国内大多数变频器生产厂家所采用的电机控制方式。对于大多数对转矩响应、控制精度要求不高的场合，如风机、水泵类负载，可以满足一般应用要求。

    无速度传感器矢量控制

　　无需安装复杂且不易维护的测速装置，HARSVERT-VA系列变频器仅需对输出三相电压、两相电流进行检测，即可根据预先自动测定的电机模型，进行异步电动机的磁通和转矩解耦控制，实现低速大转矩负载启动和运行。

    速度闭环矢量控制

　　在调速精度、转矩响应要求更高的场合，安装转速传感器后，可进一步提高HARSVERT-VA系列速度闭环矢量控制变频器的控制精度。

    电机参数自动整定

　　要实现矢量控制，需要检测电机的定转子电阻电感参数。HARSVERT-VA系列变频器可对异步电机自动进行电机学堵转试验和空载试验，实现电机  参数的自动整定。

　　但是，需要注意的是，在进行电机参数自动整定之前，要将电机轴和负载脱开。而且在测定时，要多次旋转电机，因此不能对电机进行任何人工作业。

    高压掉电恢复自动重启

　　在某些用户场合，给变频器供电的高压电网可能会发生短时电压跌落或缺失，为了尽可能不影响正常生产，在设定时限内，当高压掉电恢复时，HARSVERT-VA系列产品能自动快速识别并跟踪当前电机转速，恢复正常运行。

　　如果掉电超过设定时限，变频器自动进入待机状态。

    旋转启动

　　如果电机被负载拖动仍在旋转甚至反转，变频器能识别跟踪电机转速并拖动负载到设定频率运行。

    单模块旁路功能

　　HARSVERT-VA系列变频器采用单模块旁路方式，全新的控制算法在保证输出三相线电压平衡的同时，获得大输出能力，尽量不影响生产运行。

　　同级旁路实现容易，算法简单，一般国内变频器厂家都采用同级旁路方式。与同级旁路相比，单模块旁路算法比较复杂，实现起来有一定难度，但是能大限度发挥变频器的输出能力。

　　以5级串联变频器为例，假设未有单元旁路时，系统大线电压输出能力为，下表给出了两种旁路方式时的大线电压输出能力对比。

       同步电机变频调速及自动励磁控制功能

　　HARSVERT-VA系列变频器可用于同步电机调速，并具有输出功率因数闭环控制功能，能自动调节励磁电流，使同步电机运行在用户设定的功率因数。

    多达十级功率单元串联

　　根据需要，HARSVERT-VA系列变频器可实现4-10级功率单元串联，电压等级覆盖3-11kV，驱动电机的功率等级可达5000kW。

    系统状态变量的实时显示和监控

　　包括：输入侧和输出侧的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，电机转速，多点温度指示，变频器状态，等等。

　　除了显示常用的电压、电流、功率温度等参数以外，监控界面还具有软件示波器功能，可供现场调试和监控使用。

　　具有完善的电机和变频器保护功能，尽量保证设备连续可靠运行

　　工业级触摸屏多语种监控操作界面

　　历史记录，包括故障报警记录、操作事件记录

　　内置PLC，开关量、模拟量I/O接口扩展灵活，可实现工艺变量PID调节功能

　　支持各种工业现场总线通讯协议，如Profibus、Modbus等

　　三、HARSVERT-VA系列产品的应用场合

　　由于HARSVERT-VA系列产品有丰富的功能和灵活的电机控制方式，能适应大部分高中低端高压大容量交流调速场合。可广泛应用于电力、冶金、石化、市政供水等行业，如风机、水泵、压缩机，等等。还能适应低速大转矩负载或需要重载启动的场合，如球磨机、传送带，等等。

　　HARSVERT-VA系列产品的自动励磁功能更适合同步电机应用。

　　辅以即将推出的能量回馈功率单元，HARSVERT-VA系列产品还可为能量回馈型负载提供卓越的控制性能，如矿井提升，绞车，等等。

　　四、与HARSVERT-A系列产品的兼容性

　　HARSVERT-A系列产品升级到HARSVERT-VA系列，为了配合新的控制系统使用，必须使用新设计的电压测量电路，并且把HARSVERT-A系列的控制箱换成DSP控制箱。并在一体化计算机的人机接口监控软件中，选择DSP控制界面，并进行相关参数设置。PLC程序可完全兼容。

　　五、结束语

　　随着更多台套的HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速系统在各种工况现场稳定运行，越来越多的用户逐步体会到HARSVERT-VA系列产品的先进性和使用的方便性。这也标志着我国自主知识产权的高性能无速度传感器矢量控制高压大容量变频调速系统——HARSVERT-VA系列产品真正并肩于国外技术企业。我们期待着，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制交流变频调速系统能为我国的工业电气自动化贡献更大的力量。