1  引言
    交流變頻鉆機是國外新發(fā)展起來的一種先進的電動石油鉆機。這種鉆機在滿足石油鉆井工藝要求方面具有諸多現(xiàn)用機械驅(qū)動鉆機和直流驅(qū)動鉆機無法比擬的優(yōu)越性，這種鉆機的核心技術(shù)就是采用交流變頻,其可以滿足鉆機工作在四個象限，上提和下放鉆具速度全過程自由掌控，簡化了鉆機結(jié)構(gòu),此外交流電機無碳刷，防爆性能大大提高，免除了更換碳刷，從而保障了生產(chǎn)的長期可靠進行。交流變頻鉆機是石油鉆機今后的發(fā)展趨勢。

2  全變頻石油鉆機電控系統(tǒng)配置
    50DBS全變頻石油鉆機電控系統(tǒng)是由上海三高石油設(shè)備有限公司和ABB公司聯(lián)合設(shè)計并生產(chǎn)的5000m交流變頻鉆機，日前已順利完成中原油田兩口井的施工任務(wù)，分別為2900m生產(chǎn)井和4500m預(yù)探井。該鉆機具有國際領(lǐng)先技術(shù)水平，不僅設(shè)計理念緊隨世界潮流，而且選用了世界一流公司ABB的電氣傳動設(shè)備，運行平穩(wěn)，安全可靠。
    該鉆機共有7臺800kW交流變頻電機，電機由永濟電機廠生產(chǎn)。2臺泥漿泵各由2臺電機驅(qū)動，絞車由2臺電機單獨或共同驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤由1臺電機驅(qū)動。交流變頻電機的控制設(shè)備采用的是ABB公司的ACS600 Multidrive系列變頻器。
    鉆機的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖1)包括ABB專門為傳動系統(tǒng)而設(shè)計的高性能專用控制器(AC80)以及具有明確定義功能和接口的全數(shù)字交流變頻器控制裝置ACS600MultiDrive，AC80控制器適用于交、直流傳動，是一個具有全部軟件和硬件設(shè)備的控制器，用于處理應(yīng)用中的特殊功能。1個AC80通過光纖分配器NDBU-95可連接7個數(shù)字傳動控制器。數(shù)字傳動控制器不能編程，但可以通過設(shè)置參數(shù)來選擇不同的工作方式和各種功能。電機控制程序設(shè)置在數(shù)字傳動控制器中，通過AC80給出的速度或力矩給定進行控制。AC80采用的兩路通訊，冗余控制技術(shù)，與ABB變頻器采用高速光線通訊技術(shù),可靠性能高。程序編制充分考慮了鉆井工況要求，符合生產(chǎn)實際需要，設(shè)備保護完備。編碼器的運用，不僅可以監(jiān)測大鉤高度，而且能夠設(shè)定絞車自動減速范圍和速率，確保安全生產(chǎn)。
    ACS600 MultiDrive 是全數(shù)字交流變頻器，能達到控制交流電機的完美極限。 ACS600是第一代采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)的交流變頻器，它能夠在沒有光碼盤或測速電機的反饋的條件下，精確控制任何標準鼠籠電機的速度和轉(zhuǎn)矩。ACS600MultiDrive主要包含輔助控制單元(ACU)、進線單元(ICU)、供電單元(DSU)、動態(tài)制動單元(DBU)、傳動單元(Drive Section)、控制單元(Control Section).

圖1    50DBS鉆機的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3  傳動系統(tǒng)的設(shè)計
(1)供電單元(DSU)
     二極管供電單元把三相交流電轉(zhuǎn)化成為直流電，用于非再生傳動系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計中考慮到鉆機工作的高可靠性, 供電單元的采用冗余配置, 2個二極管供電單元構(gòu)成,其通過控制系統(tǒng)可實現(xiàn)任意單電源或雙電源的工作狀況選擇,從而保證了為逆變器持續(xù)可靠的運行。

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(2) 傳動單元(Drive Section):
    每一個逆變器都有一個傳動控制單元(DCU)，它包括應(yīng)用和電機控制器(AMC)和標準I/O板。標準傳動控制單元(DCU)位于柜體的側(cè)面，簡化了維護工作。逆變器內(nèi)部有電容器，用以消除直流母線的電壓波動。它通過熔斷器和直流母線連接。
(3) 動態(tài)制動單元(DBU)
    ●制動斬波器單元為同步并聯(lián)的制動斬波器單元。(見圖2) 
    ● 連接到監(jiān)控系統(tǒng)的控制板，用于偵測系統(tǒng)的狀態(tài)和處理并聯(lián)斬波器的同步。
    ●獨立的制動電阻，用于釋放制動能量

4  傳動的優(yōu)越性能
(1) 電源斷電時的運行:ACS600將利用正在旋轉(zhuǎn)著的電機的動能繼續(xù)運行，只要電機旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生能量，ACS600將繼續(xù)運行。
(2) 零速滿轉(zhuǎn)矩:由ACS600帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉(zhuǎn)矩，并且不需要光碼盤或測速電機的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現(xiàn)滿力矩輸出。
(3) 起動轉(zhuǎn)矩:DTC提供的精確的轉(zhuǎn)矩控制使得ACS600能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動轉(zhuǎn)矩。最大起動轉(zhuǎn)矩能達到200%的電機額定轉(zhuǎn)矩。
(4) 自動起動:ACS600的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能。因為ACS600能在幾ms內(nèi)測出電機的狀態(tài)，任何的條件下在0.48s內(nèi)迅速起動。
(5) 精確速度控制:ACS600的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開環(huán)應(yīng)用時為0.4%s，在閉環(huán)應(yīng)用時為0.1%s。而矢量控制變頻器在開環(huán)時大于0.8%s，閉環(huán)時為0.3%s。ACS600變頻器的靜態(tài)精度為0.01%。
(6) 精確轉(zhuǎn)矩控制:動態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間，在開環(huán)應(yīng)用時能達到1~5ms.

圖2     制動單元的光纖通訊結(jié)構(gòu)圖

5  結(jié)束語
    一年來的使用情況，ABB變頻器性能穩(wěn)定，自我保護及故障跟蹤非常完善，特有的直接力矩(DTC)控制,確保了精度的要求，完全適用于石油鉆機。其特有的主從機轉(zhuǎn)矩控制，使電機負荷分配均勻，機械設(shè)備運行相當平穩(wěn),制動單元的通過光纖通訊實現(xiàn)的主從控制,保證了絞車系統(tǒng)在能耗制動過程的可靠運行,去掉了原有的電磁渦流剎車裝置， 變頻器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,維護更方便。
實踐證明，該鉆機電控系統(tǒng)滿足鉆井工況要求，鉆機的絞車,. 轉(zhuǎn)盤,泥漿泵可實現(xiàn)無級變速,調(diào)速范圍寬,容易實現(xiàn)鉆機的自動化.智能化,和自適應(yīng)控制.具有轉(zhuǎn)盤扭矩限制功能,可防止鉆具或機件的扭斷.負載功率因數(shù)高,可降低供電電源的容量.目前由于全球油氣勘探難度的增加,迫使個石油公司不斷采用新技術(shù)發(fā)展新設(shè)備, 變頻器的應(yīng)用使鉆機性能的全面提高成為可能