山東新風光電子發展科技有限公司
吳海濤 周加勝 馬鳳梅
摘要：本文以大慶油田石油管理局井下作業分公司配備的我公司生產的 JD-BP32-500 型石油鉆機變頻器為例，介紹了石油鉆機進行變頻改造的意義、應用效果及使用價值。由于石油鉆機的特殊的應用環境，在變頻器的產品設計方面注意到了相關的技術難點，為該類產品的開發提供了相關的依據。
關鍵詞：石油鉆機 變頻改造 應用
Abstract: The paper changes Model JD-BP32-500 petroleum rig inverter that our company produces and allocates for borehole operation branch company of petroleum administration of taching oilfield into example, has introduced it's meaning, application effect and value in use that the oil rigs carry on the frequency conversion transbbbbing 。 Because of the special application environment of the oil rig ,we had noticed relevant technological nodus in product design of inverters, thus have offered relevant bases for development of this kind of product.
Keywords: oil rig Frequency conversion transbbbbing Application
引言：隨著現代電力電子技術及微電子技術的飛速發展，變頻器作為一種現代工業革命的產物，已越來越多地應用到工業生產的各個領域。從低壓到高壓，從普通到特殊，變頻器在調速和節能等方面都發揮著無可替代的作用，并正在逐步地向縱深拓展。現在我們應大慶油田石油管理局井下作業分公司的要求，對其鉆井設備—石油鉆機又進行了變頻改造，并收到了較好的效果。
一、石油鉆機的系統簡介
石油鉆機是油田生產的關鍵設備之一，隨著生產效率的不斷提高，對鉆井系統的要求也越來越高。鉆井過程中鉆桿需要頻繁的提放，由于鉆具重，要求提放要穩，到位準確，這是對鉆機控制系統的總體要求。
現場的動力系統是有兩臺 500KW 的發電機組并網發電，供一臺鉆機及其他幾臺 37KW 的電機使用，用來驅動鉆井用鉆盤和提放鉆桿及起放井架的絞車。打井深度為 3000m （稱 30 鉆機）。所配置的電機，型號為 Y423-6-500BPR ，其主要參數如下表：
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額定頻率 |
33.5HZ |
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額定電壓 |
380V |
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額定電流 |
924A |
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額定功率 |
500KW |
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最高鉆速 |
1200r/min |
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額定鉆速 |
660r/min |
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額定效率 |
94.5% |
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功率因數 |
0.86 |
其工作過程為變頻電機通過變速箱和轉盤同滾筒相連接，來驅動轉盤和絞車，采用氣動離合器，以保證可靠性和安全性。且絞車剎車系統為盤式剎車，減少了原系統帶來的不穩定性。并且整套系統配有緊急制動剎車，緊急情況下使用增強了安全性和可靠性。
二、變頻器的配置情況
根據現場的特殊情況，我們選用了本公司生產的 JD-BP32-500 型 500KW/380V 的變頻器。
其基本的參數為：
輸入：三相， 380V ， 50HZ
輸出：三相， 0-380V ， 0-50HZ
頻率范圍： 0-50HZ
最高頻率： 33.5—50HZ 任意設定
基本頻率： 0—33.5HZ 之間任意設定
啟動頻率 : 0—5HZ
轉矩提升：根據負載轉矩調整到最佳
根據現場的特殊要求，經常用在低頻 2—5HZ ，并且提升量大，所以變頻器在額定頻率 0—33.5HZ 采用恒轉矩輸出， 33.5HZ 以上采用恒功率輸出。為適應大功率輸出，以及負載根據地質情況的頻繁波動，并且電流變化大，而且有頻繁的周期性波動，以及現場安裝空間的限制，使變頻器體積盡量的小。我們采用兩單元并聯輸出，每個單元四個功率模塊直接并聯的特殊結構，模塊并聯中產生的均流問題，我們采用均流電抗和強制均流兩種方式，使每個模塊都能正常工作。由于變頻器輸出電流大（接近 2KA ），為防止強電流磁場造成的干擾，傳輸信號采用光纖通訊，并且控制電路也增加相應的抗干擾措施，從而增加了變頻器工作的安全性，收到了較好的效果。
由于在工作過程中負載波動頻繁，電流變化大，電機有時處于發電狀態，為處理好這部分能量，保證變頻器的安全，增加了能耗制動單元。這類負載周期性變化大，我們采用較大余量的功率器件，主電路采用電流傳感器取樣及 IGBT 結壓降保護和負載過流保護三級措施，來確保變頻器及電機能夠長期的無故障運行。其主回路電路如圖示：
圖一、變頻器主電路原理圖
+
圖二、制動單元圖
三、應用效果
經過兩個月的試運行，該系統呈現出明顯的效果：
1、沒有使用變頻器前，起放井架是在工頻 50HZ 通過變速箱直接加上負載，速度不易控制，井架自身約為 40 噸，大的鉆機還要重，起放很不平穩，沖擊大，不易于控制。安放二成平臺時十分煩瑣，費時、費力。使用變頻器后可以在低頻 2—5HZ 啟動，速度慢，很容易操作控制起放位置，并且低頻起重量大，安全可靠。
2、打井時原來就有四個檔位，沒有其他速度選擇。工頻 50HZ 時，合轉盤離合，這樣對鉆桿及電機、變速箱都有很大的機械沖擊。特別是在打到巖層時，地下的地質情況復雜多變，負載有時輕，有時重，這樣使得發電機要丟頻丟壓，轉盤轉速時快時慢。在打定向井時就會偏離設計傾斜度。使用變頻后，轉盤轉速在設定范圍內連續可調，減少了頻繁換檔，根據地形可以靈活掌握其速度，轉盤帶動轉桿時可以零頻啟動，對轉盤的扭力就大大減少了，變頻器還采用了較大的儲能元件，以保證復雜多變的地質情況下負載的變化。
3、隨著大量的石油開采，鉆井深度越來越深，這樣的情況下每 9 米就要提放一次轉具，頻凡的提升和下放，提升的重量越來越重原來提升要頻繁的換檔，才能適應越來越重的鉆具，由于 提升速度不可控制，井卡鉆具時對其沖擊很大，有可能把鉆桿拉斷，造成事故。使用變頻器可以低速提升，并且提重量大，對于鉆具沖擊力小，易于控制提放位置、速度，適于頻繁的提放鉆具。
4、使用變頻器后對于整個系統的的機械損耗也減少了，原來經常損壞的變速箱及剎車系統能夠減少維修次數，減少大量的維修費用。在鉆井情況下電機可以處于停止狀態，而原來在工頻運行時直接啟動電機，啟動電流大容易損壞發電機，運行后電機一直在運行狀態，耗費大量能源。而變頻器可以實現連續軟啟動，啟動電流小，對發電機組沒有沖擊，原來每天用油 3 噸以上，而現在用油在 2 噸左右，所以也大大節約了能源。并且我們還配有電力變壓器一套，以便有條件時直接接入高壓網電運行。
四、結語
石油鉆機采用變頻控制，是新興的變頻高科技技術在油田上的又一次成功應用。通過這一實踐，證明了變頻器的應用是十分廣泛的。我們應該抓住這一機遇，努力完善這一類產品的工藝及性能，使之更能適應現場的要求，為變頻器更新領域的拓展付出更大的努力。
參考文獻： 1、高成海 變頻器在石油鉆機的應用及分析 變頻器世界 2005、3
2、王鵬飛 變頻器的諧波干擾及防止對策 變頻器世界 2005、4
作者簡介：
吳海濤（ 1976- ） 男 工程師 1996 畢業于曲阜大學，現在山東新風光電子有限公司從事變頻器的研發工作。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
