变频器在国内石油钻机的应用(下）

3 变频器
6SE71变频柜内部配备SIEMENS全数字工程型变频器，整流部分采用晶闸管，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，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0.1f转差，速度响应时间20ms，转矩响应时间可达到5ms，确保准确快速的调节，同时简化系统，增加可靠性。

 

3.1 简单工作机理
6SE71变频柜采用的控制方案如图4所示。
励磁电流Iu和转矩电流Iw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、矢量变化器、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q1一起通过矢量变换产生。公式如下

输出电流
输出转矩 Mact=KIWyR
转子磁链yR由电流模型或反电动势模型计算得到。在频率小于fs时采用电流模型法，反之为反电动势模型法, fs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yR，但随着磁通饱和或电机绕组温度的变化，要对模型中的参数进行调整，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yR，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fslip，与实际频率fact组成同步频率f，输入触发装置。

3.2 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最小，以减轻损耗和转矩脉冲。在这种情况下IGBT通断后电机三相绕组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，输出电压可达到最大值的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1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。

表1 逆变器中IGBT的通断状态表

开关状态 L1 L2 L3
U1 + - -
U2 + + -
U3 - + -
U4 - + +
U5 - - +
U6 + - +
U7 + + +
U8 - - -

3.3 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，既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。

4 其它技术特点和注意事项
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零位锁定，确保打井过程中变频器不因小故障而停机，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）操作面板可作为手持终端，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，并可在5%额定输入电压下输出额定转矩。还应注意以下几点。
1）电气柜内的元件应有足够的强度，耐腐蚀，所有连接和紧固件应有防松措施。
2）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。
3）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。以上的设备均应有较高的防护等级。

5 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，颇具推广价值的方案。在实际应用中，应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。它将大大推动我国石油机械的技术进步。