1 引言

石油钻机是油田生产的比较主要的设备之一，随着钻进井深的增加，钻杆会越来越长，重量越来越重，每钻进9m，须接换钻杆一次，就要将钻杆提升下放一次，绞车作业时间的比例越来越大; 在钻进的过程中，随着所钻进地质条件的变化，要相应调节钻进的压力和转速，以提高钻进速度和防止卡钻的发生。因此对钻机电气传动系统的性能有很高的要求。采用高性能交流变频调速传动是解决这一问题的比较理想、比较有效的途径。

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、电机和控制设备组成，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，我国目前已有7000m甚至近9000m深的油井，其钻具接近或超过600t重。由于每钻进约9m就要提升下放钻杆一次，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，绞车负载如图1所示。

图1 绞车负载示意图

为降低成本，希望在野外或海上的作业时间越短越好，要求绞车能高速运行，平稳起停，以保证不损坏钻井设备并提高井的质量，这要求驱动设备有良好的动态特性。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。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，实施钻进作业，司钻工通过调节转盘转速和压力来改变钻进速度。转盘正常工作时为正转，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，同时电机的刹车部件也是必不可少的。 泥浆泵相当于整个钻井设备的心脏，它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入，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，泥浆协助钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑，而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力，以避免井喷，像血液在人体内循环，运送营养，带走废物。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。

3 系统配置

3.1 配置1
1998年我们为新疆石油管理局钻井公司的一套可打3200m深度的钻井设备配置了变频器。
所用产品: siemens simovert masterdrives 6se71电压源型变频器柜。
动力系统由3×800kw柴油发电机组构成，3台机组并网于3相，600v/50hz交流母线。
传动部分由3×6se7141整流柜(3×800kw)供电给公共直流母排，4×6se7135逆变柜(4×400kw)和2×6se7136逆变柜(2×450kw)共6台逆变柜接到直流母排上，每台逆变柜各驱动一台400kw的电机。4台电机2台一组共驱动2台泥浆泵，另2台电机为绞车和转盘共用，详见图2。图2中: r1～r3整流器; i1～i6逆变器; m电机; p1～p2泥浆泵; rt转盘; dw绞车; b制动单元和制动电阻。

图2 系统配置示意图

(1) 电源采用柴油发电机供电，要求有足够的电压稳定度和频率稳定度。柴油发电机的额定容量一般小于传动装置容量的5～10倍，属于“小电网”供电，换相缺口大，simovertmasterdrives 6se71变频器可保持2～3s的主回路电压等待时间，以克服柴油机瞬时掉电和换相缺口。
(2) 根据多电机传动情况,采用了公共直流母排方案,这样如果有一个传动装置工作于发电状态时, 可通过中间回路进行能量交换,仅使用一个总制动电阻。
(3) 在直流母排上配备自振荡二极管，以免一台逆变器上的直流侧熔断器断开或回馈能量时在母排上产生过电压而影响其它逆变器。此外，逆变器内部软件中还有vdmax调节器以避免直流母排因过电压跳闸。
(4) 同单台变频器传动相比,安装尺寸较小，因为网侧元件，如熔断器、接触器和开关，及网侧进线电抗器等可以集中使用。并在机械结构上采取了适应现场恶劣环境的措施。
(5) 所选逆变器功率相同并可设置四套给定数据和电机数据, 在故障时可方便地互相切换, 互为备用。随着绞车/转盘的切换, 可实现电流限幅和整套控制数据的自动转换。
(6) 同一设备2台变频器之间采用光纤快速(11mbit/s)通讯和双速度环方案。在无编码器反馈条件下安全得到有力保证，又使驱动一台设备的两台电机的负载电流静态偏差小于1％，远远优于钻机国家标准规定的10％。
(7) 如钻机可接入大电网, 则可考虑将电能回馈电网，但要事先确认电网的稳定性，以免逆变桥在电网波动时过流。
钻机采用绞车，转盘联合驱动，泥浆泵独立驱动的型式。钻机主机通过二档分动直角箱，将动力分成两路，一路通过链条驱动滚筒工作; 另一路驱动转盘工作。泥浆泵组由交流电机通过皮带传动驱动泥浆泵工作。绞车由滚筒轴，绞车架，机械刹车，电磁涡流辅助刹车，链条箱，转盘驱动轴，二档直角分动箱，交流电动机，润滑系统等组成。钻井平台上配有司钻台，所有控制都可在司钻房台完成， 并设有麦克风和故障警笛。

3.2 其他配置
近年来，随着变频电钻机的日臻成熟和发展，又相继出现了50(可打5000m深钻井) 变频电钻机，70(可打7000m深钻井) 变频电钻机和90(可打9000m深钻井) 变频电钻机。和配置1的国内首套40变频钻机相比，主要有以下变化:
(1) 功率部分相应增大
和钻井的深度相匹配, 无论从柴油发电机, 还是变频器直到电机, 功率都必须随之增加, 但还在原来的产品系列范围内, 在此不再一一赘述。

(2) 逐步取消电磁涡流辅助刹车
由原来的三套刹车系统: 机械刹车，电磁涡流辅助刹车和变频器制动电阻的能耗制动逐渐改为目前应用较多的两套刹车系统: 机械刹车和变频器能耗制动。改动的前提是对变频器能耗制动的成熟应用, 结果是简化系统, 减少故障点。

(3) 增加自动送钻功能
为适应工艺要求，可通过单独一台变频器驱动电机再经过大变比的机械设备提住钻具，以使司钻工根据需要改变提升钻具的力矩，控制钻具向下压力。其中压力给定可手动设置，也可由经验曲线事先设定，即为自动送钻。此项改进由控制到可控驱动直至机械设备，自成系统，使钻井工艺自动化又进一步。需要说明的是自动送钻电机一般长时工作于低频(小于5hz)，此电机应采用强迫风冷方式，并配置编码器等测速反馈装置。变频器则可采用带编码器的速度闭环控制方式。同样，如绞车控制一定要达到长期“悬垂”不动，则其电机也应配置编码器。

(4) 是否采用直流母排方案
随着变频电钻机功率的增加，相应体积会随之增大，同时对其安全性，可靠性及易维护性也提出更高的要求。在配置系统时，应从具体要求出发，如是否需要考虑绞车和转盘电机及其变频器的紧急切换等，多方权衡，以得出比较合适的结果。

4 变频器

6se71变频柜内部配备siemenss全数字工程型变频器，整流部分采用可控硅，逆变器采用了igbt功率元件，直流母排上由电容作为储能元件。变频器各项功能可随软件灵活设置，实现对同步或异步电机的控制，控制方式也包括v/f，有/无测速机的磁场定向控制等。根据工艺要求，一般选用无速度传感器的矢量控制方案, 拖动异步电机，精度可达到0.1×，确保准确快速的调节，同时简化系统，增加可靠性。而自动送钻变频器则采用带测速机的速度闭环控制方式, 全范围转速精度可达到0.001%, 速度响应时间为20ms, 转矩响应时间可达到5ms。

4.1 简单工作机理
6se71变频柜采用的闭环速度控制方案如图3所示。

图3 6se71变频柜采用的闭环速度控制方案-带速度检测的磁场定向控制

励磁电流i和转矩电流经过电流调节后，再完成电流－电压变换，直角坐标/极坐标变换进入触发装置。
具有矢量变换的电机模型功能块主要由三相/二相变换器，矢量变换器，电机模型(电流模型和反电动势模型)几部分组成。
电枢电流实际值和励磁电流实际值由检测出的三相电流经三相/二相变换后，再与触发装置模块过来的转子磁链的空间相位角θ1一起通过矢量变换产生。公式如下:

输出电流
输出转矩
转子磁链由电流模型或反电动势模型计算得到。在频率小于时采用电流模型法，反之为反电动势模型法，在参数辨识时确定。电流模型是根据异步电机的定子电流求，但随着磁通饱和或电机绕组温度的变化，要对模型中的参数调整，才能保证运算精度，因此只在低速时采用。而反电动势模型是从电机端电压中减掉绕组的电阻压降，再将电机的反电动势积分得出，反电动势在电机转速为额定转速的10％以下时运算不准，一般在速度提高后使用。变频器在运行时可自动转换，这也确保了矢量控制的精度。
转速实际值由定子电压和电流检测值经电流模型和反电动势模型计算得出。
电流模型计算出的滑差频率(同步频率)，输入触发装置。
其中的实际速度反馈信号一般应采用1024p/r或更高的编码器，否则控制精度会受影响。
6se71变频柜采用的闭环频率控制方案如图4所示。

图4 6se71变频柜采用的闭环频率控制方案--无测速机的磁场定向控制

需要说明的是，如电机没有配置编码器来产生实际速度信号, 则在<10%额定速度的低速区内，矢量控制通常是根据设定来输出静态转矩和动态转矩。速度升高以后，有/无测速机的磁场定向控制结果是很接近的。

4.2 pwm调制
6se71变频柜采用异步空间矢量调制。在一定的脉冲频率下，通过此种方式可使电机的谐波电流减到比较小，以减轻损耗和转矩脉动。这种情况下igbt通断后在电机三相绕组上产生的电压矢量在空间旋转，通过调节“占空比”和相邻矢量的值使电压矢量的数值和电压相角可调，这样一来，输出电压可达到比较大值的87％。当要求90％以上输出电压时，则采用“边缘调制”在60°时的方波波形上设置一个或几个槽口以消除电流峰值。逆变器中igbt的通断状态如表1所示, 相应的电压矢量图如图5所示。

图5 u1-6矢量图

4.3 自检测，自设定
由于全数字控制变频器内部软件可灵活配置，利用其本身的硬件设备，通过执行固定的子程序使变频器输出各种电压、电流信号，再对采样数据计算处理可完成内部自动参数设置，静态电机识别，空载试验和调节器优化，得出精度较高的电机参数。这是调速系统功能的一大扩充，简化了现场人员的工作，也为提高交流调速系统的性能提供有力保证。这些测试包括:
接地测试可知所接电机(包括导线)是否有接地故障，以及逆变器中损坏的功率器件，还有脉冲测试，漏磁测试，空载测量以及根据负载特点完成的n/f调节器的优化。

5 其它技术特点和注意事项

5.1 技术特点
(1) 针对钻井工艺特点，可利用变频器内部功能完成负载限制和动态功率限制功能，由外部操作随意调节电流限幅和柴油机的输出功率报警值，切实保证柴油机安全;
(2) 编制变频器内部软件功能块实现手轮零位锁定，便于司钻工操作。设置紧急运行程序，确保打井过程中变频器不因外部小故障而停机，杜绝因此类原因引起的卡钻;
(3) 完成脚踏开关的快提钻杆功能，并禁止其反向工作，缩短工作周期;
(4) 采用变频器内部控制软件实现允许两台电机并联驱动绞车，而转盘仅允许单台电机驱动，避免转矩过大扭断钻具;
(5) 电流环的前馈控制保证快速动态响应;
(6) 利用变频器内部的自由功能块可完成泥浆泵电机的断带保护;
(7) 操作面板可做为手持终端，每个面板可存储8套参数;
(8) 控制线缆可采用总线方式，大大减小线缆数量，提高设备可靠性;
(9) 模块化的结构，可采用水冷方式，适应更加恶劣的环境;
(10) 免费的simovis调试，故障诊断软件，适合进一步通讯和自动化。
此外，siemens公司还可提供以igbt元件作为整流功率部分的变频器，彻底实现无谐波，功率因数可控。

5.2 注意事项和运行心得
(1) 近年来某些变频电钻机系统在运行中, 特别是快速升钻杆时，会出现直流电压低的提示，经过分析，我们发现是由于柴油发电机的调节慢于逆变器的pi调节所致。解决方案自然是使二者相匹配，以确保整个系统的正常工作。
(2) 如柴油发电机在变频器正常运行时事故停车, 应考虑其产生的过电压对变频器的冲击。如难以避免则应考虑在变频器进线侧增加过压保护设备。
(3) 电气柜内的元件应有足够的强度，耐腐蚀，所有连接件和紧固件应有防松措施。
(4) 井场使用的电缆应为耐热，耐油，耐寒柔软且可承受较大机械外力的阻燃型电缆。电缆应架设在防护性能较好的电缆桥架上，桥架应为可折叠式。电缆和对应的连接端应有牢固的标记，接头做防护以免机械损伤和附着物引起接触不良，并且要有良好的密封。
(5) 井场环境多属“2”类危险区, 司钻台和泥浆泵操作台除了加热去湿设备外还应做正压防爆处理, 密封性好，选用防锈材料。其上的设备均应有较高的防护等级。

6 结束语

在钻机技术更新，改造过程中，采用先进的变频器应是优先考虑，这是颇具推广价值的方案。在实际应用中，因充分使用变频器软件功能，大大简化外部线路，提高了控制水平和对设备的保护，因其性价比高，工艺先进，稳定可靠，维护简单而获得用户的高度评价。它已并将继续大大推动我国石油机械的技术进步。