變頻器制動在石油鉆機上的應用

1 項目簡介
西門子交流變頻調速技術在工業界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的石油鉆機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有和直流調速系統相媲美的高性能調速指標，它可以采用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機進行調速，并且變頻調速系統的效率比傳統的交流調速系統要高，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速系統有較大的提高。所以，西門子交流變頻調速技術的應用是今后石油鉆機交流調速技術發展的主流。
（1）50db鉆機項目是遼河石油勘探局重點項目，用戶是勘探局內的一家鉆井公司，我公司為其生產整套鉆機，包括底座、井架、泥漿罐、電控系統等設備，電控系統由我公司電控分廠完成，我公司以生產鉆機為主，現場服務為輔的大型工程企業，年產值達5.5億，生產能力十分強大，電控分廠年產電控達7部左右，發展是不可估量的。
（2）50db項目中主要的電控系統采用的西門子6se71系列變頻調速柜，整機的控制系統采用的西門子s7-300plc，通訊采用profibus進行通訊，發電系統采用的是6ra70直流調速系統，整機制造符合現場要求，工藝控制嚴格，設計完全符合emc導則。

2 控制系統構成
（1）整個項目選型，根據現場的實際情況和使用工曠、實際經驗，選擇合適的產品，本著經濟，實用、故障率低的原則選型。
（2）系統的硬件配置圖，網絡結構圖。

（3）應用中的監視畫面。

3 控制系統完成的功能
整個系統控制用觸摸屏和兩方向控制手柄一個，進行對井場的設備進行控制，其中懸停功能是整個系統重要組成部分，也是發揮西門子變頻器與制動單元功能的重要部分，自動送鉆部分采用了變頻器中的pid調節器，進行速度控制，這些都是系統中的重點與難點。
項目中的難點
（1）絞車變頻器和制動單元的選擇
我們考慮到工況的特殊性，鉆機提升設備要經常提升和下放上百噸的重物，且速度在1m/s以上，這時對變頻器的選擇上提出了很高要求，在能滿足工曠又能節省成本的前提下選出合適的型號。
我們實際上使用的是兩臺720kw變頻電機，根據電機電流選擇變頻器，加上電機的1.5倍的過載能力，得到變頻器的電流值，選擇變頻器為1000kw變頻器。
變頻器選擇后，制動單元又成為系統選擇的難點，因為西門子變頻器要求制動單元的功率pdb不能大于0.6倍的變頻器功率，而且要滿足實際的制動工況，又能滿足節省成本成為設計的難點。根據制動單元的選用回頭效驗變頻器是否合適。
我們根據鉆井的工況做如下計算，繪制出曲線：（曲線只描述了，最大負荷的情況）
●　第一階段分析：（上提減速過程由最大速度1秒減至零速）
△w（總）=△w（動能）-△w（勢能）
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2];
其中ω（0）=0rad/s；
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj；
△w（勢能）=m＊g＊h；
m＊g=1200t；最大鉤載225t，實際鉤載假設120t；
h=v（平均）＊t（時間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；
△w（勢能）=m＊g＊h=1200t＊2.1m =2200kj；
△w（總）=w（動能）-w（勢能）=-1814.760+2200=385.24kj。
p=△w/△t=385.24kj/3s=128.4kw
●　第二階段分析：（帶載下放過程最大速度勻速下放）（pdb）
△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（t）2-ω（t-1）2]；
假設大鉤的速度最大1.4米m/s勻速下放；
對應絞車電動機軸的角速度分別為：ω（t），ω（t-1）；
因為是勻速運動，則△w（動能）=0kj
△w（勢能）=m＊g＊h；
m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實際鉤載假設120t；
h=v（平均）＊t（時間）=1.4m＊s=1.4m;
△w（勢能）=m＊g＊h=1200t＊1.4m =-1680kj；
△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）=-1680kj
p=△w/△t=-1680kj/3s=560kw
●　第三階段分析：（帶載下放減速由最大速度減到0速）（p3）
△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）
w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2];
其中ω（0）=0rad/s；
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj；
△w（勢能）=m＊g＊△h；
m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實際鉤載假設120t；
h=v（平均）＊t（時間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；
△w（勢能）=m＊g＊h=1200＊2.1=2200kj；
△w（總）=w（動能）+w（勢能）=-1814.76kj -2200kj =-4014.76kj。
如定加速減速曲線時間為3s時。
p=△w/△t=4014.76kj/3s= 1338kw
如定加速減速曲線為1s時。
p=△w/△t=4014.76kj/1s= 4015kw
通過上面論述結論p=4015kw是最大，我們為了安全起見把pdb= 3200kw則在1s下p3=4800kw 完全滿足工況，其它余量用于處理事故時用。
（2）變頻的加速斜坡曲線和減速諧波曲線
根據上面論述變頻器的加速諧波和減速諧波曲線，能夠實現變頻器有效的控制加速時間和全速減至零速的時間，我們一般不考慮加速的時間，只考慮減速時間，因為減速時間體現了重物下放時的減速距離，也就是剎車距離，剎車距離被規定為1米以內，這時要算減速時間，如減速時間設置過長不能滿足工況。通過上面的計算在大于1s時可行的，如小于1s可能就會對變頻器的電容有很大沖擊，甚至會把igbt、電容及制動單元一同燒掉。所以減速諧波曲線的設置是一個非常重要的參數。

4 項目運行
系統的投入時間，運行情況，用戶的評價。
50db項目投入時間是2006年8月份，10月中旬出廠，現正在試運行，運行狀況良好，并充分發揮了西門子變頻器的優點，給用戶提供了方便，西門子自動化產品在遼河鉆井一公司的50db鉆機上成功應用，得到了遼河石油勘探局的表彰，并且得到了一致的好評。
5 結束語
在 50db項目中西門子自動化產品給大家帶來了很大方便，并且把能想象的東西變成現實，其中包括安裝、調試、運行、監控等方面發揮了巨大的作用，同時也感謝西門子沈陽辦事處的同事給我們提供了巨大的技術支持。最后我們得到一個結論，西門子產品“入手比較難，應用比較簡單”。