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变频器制动在石油钻机上的应用
7 T8 H4 Y, i7 W" e- ]1 项目简介 " t9 ]8 L- m4 o' f& b1 E# G
$ k' C8 { ~ U+ E* e+ \6 N- {2 _西门子交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的石油钻机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，西门子交流变频调速技术的应用是今后石油钻机交流调速技术发展的主流。 4 K& B. m p# t) h9 m l
; u+ @& h6 S# Y- }
（1）50db钻机项目是辽河石油勘探局重点项目，用户是勘探局内的一家钻井公司，我公司为其生产整套钻机，包括底座、井架、泥浆罐、电控系统等设备，电控系统由我公司电控分厂完成，我公司以生产钻机为主，现场服务为辅的大型工程企业，年产值达5.5亿，生产能力十分强大，电控分厂年产电控达7部左右，发展是不可估量的。
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. ~9 i) l% H0 ^8 G; W9 ?（2）50db项目中主要的电控系统采用的西门子6se71系列变频调速柜，整机的控制系统采用的西门子s7-300plc，通讯采用profibus进行通讯，发电系统采用的是6ra70直流调速系统，整机制造符合现场要求，工艺控制严格，设计完全符合emc导则。 . t" { \$ l* T6 V' D5 A
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（3）项目当中使用的西门子自动化产品的型号、数量、类型、控制对象见下表。
) ?9 i# q3 B U. r4）实际照片如图1所示。 ' u: X; \( B% Y- H- `, r
2 控制系统构成
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（1）整个项目选型，根据现场的实际情况和使用工旷、实际经验，选择合适的产品，本着经济，实用、故障率低的原则选型。
( ^+ R8 ~. n! a/ B3 l: V B5 @; Y, |7 Y k/ z6 C$ w7 k
（2）系统的硬件配置图，网络结构图。如图2所示。
2 }2 a U" `9 v- \% i( c（3）应用中的监视画面，如图3所示。
9 A9 y4 Z: _; A( q6 t4 N7 f3 控制系统完成的功能
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k) O, h1 u, V$ Q整个系统控制用触摸屏和两方向控制手柄一个，进行对井场的设备进行控制，其中悬停功能是整个系统重要组成部分，也是发挥西门子变频器与制动单元功能的重要部分，自动送钻部分采用了变频器中的pid调节器，进行速度控制，这些都是系统中的重点与难点。 1 z; h' Q2 d4 B( \; O7 V
1 b3 F4 \; A8 T, [# A" ~+ `
项目中的难点 / S. D0 e3 O% o! ^5 u
) R( @# m9 x- e. [' @0 h（1）绞车变频器和制动单元的选择 & [4 R$ X# j6 m* S9 z' r2 T. e
0 @- ^9 y. I. V- L9 C" @/ u- ~
我们考虑到工况的特殊性，钻机提升设备要经常提升和下放上百吨的重物，且速度在1m/s以上，这时对变频器的选择上提出了很高要求，在能满足工旷又能节省成本的前提下选出合适的型号。
) T( n8 ~0 u6 X8 V4 J) n# b# P. W8 N; p% l3 y. t
我们实际上使用的是两台720kw变频电机，根据电机电流选择变频器，加上电机的1.5倍的过载能力，得到变频器的电流值，选择变频器为1000kw变频器。
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% }! |+ ^9 m/ D变频器选择后，制动单元又成为系统选择的难点，因为西门子变频器要求制动单元的功率pdb不能大于0.6倍的变频器功率，而且要满足实际的制动工况，又能满足节省成本成为设计的难点。根据制动单元的选用回头效验变频器是否合适。
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我们根据钻井的工况做如下计算，绘制出曲线：（曲线只描述了，最大负荷的情况） " z: t( ?& `% G
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●第一阶段分析：（上提减速过程由最大速度1秒减至零速）
9 A4 s8 {, r) J" k/ @
3 n8 I$ @+ L9 u& R* h C, G+ ?$ y2 I! ]△w（总）=△w（动能）-△w（势能）
1 R( Q" u; G8 I" O2 B+ k3 v9 j( h( K: ?/ m- X* G! A
△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]; + }1 z* }) k+ `. a
! F* I' g: y/ i% e& l* Y3 b其中ω（0）=0rad/s；
/ C* T" W) N5 \. V. G& s' H: b
: r/ g; M' g2 e△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj；
+ d0 ~7 l8 [2 Q$ h0 F
" X _# R! T: Q1 f) h/ A% y△w（势能）=m＊g＊h； - W6 v) b4 h" A! m+ E
; d4 X: ] P: M3 @0 i; Wm＊g=1200t；最大钩载225t，实际钩载假设120t；
* H) T2 w/ s$ @$ L0 h( u* q0 E6 ]: \
h=v（平均）＊t（时间）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m； ( l4 f% X9 ^# F
- c; f o! s' p
△w（势能）=m＊g＊h=1200t＊2.1m =2200kj；
) s5 n% f; S* Z* K8 X: P% k8 `& ^+ I- v1 R( r
△w（总）=w（动能）-w（势能）=-1814.760+2200=385.24kj。 ; H1 S) b3 ~, }: S( N
' O* z" e5 f# d1 \
p=△w/△t=385.24kj/3s=128.4kw & x! F9 F4 O* V5 e3 i( E3 z, \1 E
3 m% S& Q, r( h& A/ W Z- C( ~●第二阶段分析：（带载下放过程最大速度匀速下放）（pdb） ) O0 ` K8 u; Z+ t
0 Z, |: z+ L* n0 V5 }5 e( z△w（总）=△w（动能）+△w（势能）
) X( d& b/ G9 ]- t
, R" d+ Y( b3 Z! x4 ?. l. ]△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（t）2-ω（t-1）2]； ! @) t$ L3 x8 o- @2 K
6 c" L+ u; s- z0 m
假设大钩的速度最大1.4米m/s匀速下放；
0 D! n( J0 \# V" J% a9 E
# n) G3 h& f5 U# }% j% `对应绞车电动机轴的角速度分别为：ω（t），ω（t-1）；
, Y! o/ w/ a `& k* t+ t k7 x* J3 K, _# ]: r# e3 t/ }
因为是匀速运动，则△w（动能）=0kj 4 W( `8 `& ~' S
. H6 T' {# Q( D; Y' c! i
△w（势能）=m＊g＊h； . j Z/ L: o. p7 T D2 m4 y6 }
8 S; x: E& _4 V) l& xm＊g=1200kn；最大钩载225t，实际钩载假设120t；
5 p+ M+ @8 S! w7 n H4 Y
9 N# T. L' h Bh=v（平均）＊t（时间）=1.4m＊s=1.4m; . G4 `0 R8 |7 V% K0 m
) u# \1 s1 w$ w
△w（势能）=m＊g＊h=1200t＊1.4m =-1680kj；
- S/ z' J" w# u1 y7 g
0 s9 Y4 j, S% h6 R△w（总）=△w（动能）+△w（势能）=-1680kj
8 J, S! {7 i6 H2 E: ~- k; p3 Y1 U+ s) }' u8 s& k3 B- y7 q: i. W
p=△w/△t=-1680kj/3s=560kw - l: E+ `# r* i9 Z
( N, X# b- X. i, m# {) a●第三阶段分析：（带载下放减速由最大速度减到0速）（p3） 5 V; K9 t2 b/ T5 a. r
: B5 s1 L5 ^( T" H6 m. _# v△w（总）=△w（动能）+△w（势能）
. w% a0 t0 n5 J0 m; ~* G" ]0 n S& a7 w! [! U
w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]; ( R2 Z) U; R! t& A
G3 O& `; b) q9 P* L% R+ u
其中ω（0）=0rad/s；
; q: a( J4 s! O0 j d! K! L/ D$ \' D h w9 P3 g9 \. ~) Y
△w（动能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj； 4 A) V$ M# K' I4 ^0 ^$ ~
1 E$ o: M! h; U! }. x
△w（势能）=m＊g＊△h； : v3 ]( e* K8 W
6 ^% ?! b1 ~2 B# J
m＊g=1200kn；最大钩载225t，实际钩载假设120t；
+ F# V" m& E7 f" L7 l4 Y1 ] E" v3 L6 j9 u4 U# Q8 S& x
h=v（平均）＊t（时间）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m； 4 q6 ^3 L2 \+ }
$ E1 V$ g' s6 T% r/ s( I4 d9 A△w（势能）=m＊g＊h=1200＊2.1=2200kj； 9 a1 U1 ?% { Q# M4 i
6 b" W* K4 z. g( X. p
△w（总）=w（动能）+w（势能）=-1814.76kj -2200kj =-4014.76kj。 ( v. C: n( g1 B% j5 t
( T0 I9 T$ b5 E8 u* n
如定加速减速曲线时间为3s时。 ; V) {! P8 A" L" _# j) f; G
" P2 `6 A8 Z6 D& k% D5 O# z4 w6 {p=△w/△t=4014.76kj/3s= 1338kw
0 V4 ]% p" `0 z M! e6 P% L! @( e/ j
如定加速减速曲线为1s时。 : z3 r: q, u; q8 ~8 }
* \) m1 {. B: X7 D& t+ op=△w/△t=4014.76kj/1s= 4015kw
& H5 r! [) i' u6 K! y# [
0 e3 X8 |. M5 c8 v/ r) B5 S通过上面论述结论p=4015kw是最大，我们为了安全起见把pdb= 3200kw则在1s下p3=4800kw 完全满足工况，其它余量用于处理事故时用。
1 }1 U) @ d" A$ E. s/ J5 B( w' G/ ?4 f( s9 B
（2）变频的加速斜坡曲线和减速谐波曲线
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根据上面论述变频器的加速谐波和减速谐波曲线，能够实现变频器有效的控制加速时间和全速减至零速的时间，我们一般不考虑加速的时间，只考虑减速时间，因为减速时间体现了重物下放时的减速距离，也就是刹车距离，刹车距离被规定为1米以内，这时要算减速时间，如减速时间设置过长不能满足工况。通过上面的计算在大于1s时可行的，如小于1s可能就会对变频器的电容有很大冲击，甚至会把igbt、电容及制动单元一同烧掉。所以减速谐波曲线的设置是一个非常重要的参数。 ( _) N0 l. ^' v7 R, J' r, J3 ~
4 项目运行
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7 V1 v7 _. \' X! {系统的投入时间，运行情况，用户的评价。
0 f8 Q* G2 K6 Z g: X. n( F+ T; X6 S5 `% O. \ M
50db项目投入时间是2006年8月份，10月中旬出厂，现正在试运行，运行状况良好，并充分发挥了西门子变频器的优点，给用户提供了方便，西门子自动化产品在辽河钻井一公司的50db钻机上成功应用，得到了辽河石油勘探局的表彰，并且得到了一致的好评。 / @5 b. J9 A: a* ^2 u" d
8 C8 W5 {% G6 b- G# \+ k5 结束语 0 j/ L' b2 f1 h; t. w
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在 50db项目中西门子自动化产品给大家带来了很大方便，并且把能想象的东西变成现实，其中包括安装、调试、运行、监控等方面发挥了巨大的作用，同时也感谢西门子沈阳办事处的同事给我们提供了巨大的技术支持。最后我们得到一个结论，西门子产品“入手比较难，应用比较简单”。
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1 |+ x& R1 Y$ T. ^; @+ J参考文献（略） 5 T, R9 h: t9 `/ C$ F' ^0 g1 `
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作者简介
& I4 E) U* t- E: ~7 Q9 t% L! x; u王巍松 现任职于辽河石油勘探局石油装备公司。(end) |
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发表于 2008-11-28 15:43:56