交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用研究

刘成文

摘要：随着我国经济建设高速发展，我国对能源的需求也不断增加，石油能源开采环境也变得更加复杂恶劣，这类困难无疑增加了石油开采作业难度。本文基于交流变频电动钻机的应用分析，结合交流变频电机的自身特点，对石油开采中交流变频电机的应用可以使开采作业变得更加高效进行了总结，加强交流变频电机的运用可以帮助我国石油开采作业越来越简单方便高效。

关键词：交流变频;电动机;控制系统

1 交流变频电动钻机的概况

1.1 转盘独立电驱动钻机概况

转盘独立电驱动钻机是一款绞车与钻井泵统一机械驱动，其转盘通过交流变频电动机进行单独驱动的一款钻机，这种钻机动力来自很多台柴油机的液力涡合器或者液力变矩器，其动力经过链条分并，传送给驱动绞车与钻井泵进行驱动。转盘的减速与传动是通过一台交流变频电机通过齿轮或者链条实现，绞车搭配辅助驱动装置即可实现自动送钻的功能。钻机转盘的转速可以根据不同钻井工艺进行相对应的调节并且不受钻井冲刺的影响，同时又具备数控自动送钻的功能是这款钻机的特点，并且这款钻机无论是在价格还是产品优越性都可碾压其他钻机。

1.2 机电复合驱动钻机概况

机电复合驱动电机的转盘也是选用电机进行独立驱动，不同的是绞车是通过交流变频电机提供动力，其钻井泵的动力仍然是来自机械驱动，适应钻井工作环境在5000m以下的钻机。这款钻机的特点是动力来自三台柴油机通过皮带合并共同驱动钻井泵，另外还可以驱动一台节能发电机，该款钻机拥有交流变频电动机的全部主要功能但是价格只有交流变频电动钻机的三分之二，具有很好的性价比。

1.3 交流变频电动钻机概况

全交流变频电动钻机的特点是它的绞车、转盘以及钻井都是来自交流变频电机进行驱动的形式，转盘的动力来自电机驱动或者电机加减速箱进行驱动两种方式。绞车的动力一般来自电机通过一级或者二级齿轮减速箱进行提供驱动，并且搭配有辅助形驱动装置。一般交流变频电动钻机结构都是单轴绞车，但是转盘独立电驱动钻机是选用的多轴绞车结构。交流变频电动机的传动形式为交流变频电机通过齿轮减速箱对滚筒轴进行直接驱动，用盘式刹车取代了电磁涡流刹车，通过能耗制动来实现辅助刹车的功能。交流变频电动机较为常见的调速技术为矢量控制与直接扭矩控制两种，其中矢量控制与直接扭矩控制采用的是不同公司的变频器。而且控制方式也因为工作需要不同采用不同控制方式，分为一对一单独控制与一对二多种控制。

2 电机的控制系统

变频点动钻机的控制系统是由多个系统控制中心组成，其中包括发电系统、传动系统以及网络控制系统。电气控制系统目前被动力发电系统广泛应用，电气系统主要功能是能达到柴油机以及发电机电流的控制，通过系统控制能够达到稳频、稳压、稳流的作用，对整个现场提供电源动力。

2.1 交流传动系统

2.1.1 驱动控制系统。变频驱动系统是有很多个变频柜组合形成的一个系统，它的主要作用就是将恒压及交流电压转换为连续可调节的交流电压，对钻井泵、绞车以及转盘提供动力驱动，同时绞车和转盘的电动机具备了反转功能，在0%-100%扭矩范围内任意调节，石油钻机中矢量变频器元件是采用的“IGBT”属于一种全数字技术型电压变频器。

2.1.2 联合制动控制单元。制动柜力的制动单元以及变频房外的制动电阻主要功能是對绞车提供制动，其工作原理为，绞车运作时，制动电机运作进入发电状态，电动机运作时是反向旋转以此产生制动力矩，当机械能转化为电能后产生的电通过逆变器传到直流柜母线上，当电压高于阀门值的时候，制动控制单元会自动接通制动电阻。这种配合制动方式也是俗称的能耗制动，另外自动送钻系统的制动也是采用了同样的方法。

2.1.3 自动送钻系统。驱动控制系统是由多个变频柜一并组合而成，实际操作的过程是将恒压与电压转换为可以连续调节控制的交流电压，并且对钻井泵以及钻盘驱动提供动力，以恒压的方式来实现恒压自动送钻的目的。在系统中钻盘以及绞车具体应用的过程中，使其能够具有反转功能，可以在发生紧急突发意外情况时对井架或者钻具的起放能力。

2.2 控制网络系统

目前司钻的控制系统主要分为模拟控制与数字控制两种方式，对绞车可以进行无极调速，对位置速度进行控制，以及悬重限制的保护，包括自动送钻、转盘钻井泵的无级调速，转矩泵压限制保护等，通过屏幕对控制系统所有设备进行监控控制，如图一：司钻室也成为了点动钻机的标准配置。

2.3 控制系统

所有传感器的数据采集后通过控制中心系统处理计算会将钻机所有数据，包括钻压、井深以及各种转速等一系列数据显示在触摸屏上面，方便集中监控控制。

2.4 配电控制系统

交流电机控制中心主要是对整个井场的交流电机进行控制的同时并且提供了照明电源的作用，超过30kw以上的电机交流电机中心系统都采用软起的方式，另外机柜为了方便维修以及更换都选用分装式结构。

3 总结

随着我国石油开采技术在不断的发展，钻井的环境会越来越艰难复杂，变频电机也会跟随着钻井环境逐渐往高适应性发展，交流变频技术。计算机互联网技术的发展也会对变频电机往数字、信息、智能以及自动化发展提供了很大的帮助。为满足我国石油开采中恶劣环境，帮助石油开采变得便携，满足钻井作业的需求，应当加强运用变频电机的运用，为我国石油开采技术提供帮助。

参考文献：

[1] 惠山青.石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用[J].科学与财富，2019（18）.

[2] 张鹏.分析石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用[J].中国设备工程，2018（22）.

（作者单位：川庆钻探川东钻探公司）