浅谈变频调速技术在钻探地质机械上的节电应用

浅谈变频调速技术在钻探地质机械上的节电应用

孙宇鹏

身份证号：130434198610025231

摘要：本钻井施工有几大工序，即起落井架、钻具进尺、循环泥浆、更换钻具、下放套管、地球物理测井等。绞车、磨盘和泥浆泵等构成主要钻井设备。而绞车又由绞车架、滚筒轴、转盘驱动轴、齿轮箱、离合器、地质机械刹车、润滑系统、交流电动机和控制设备等所组成，以用来起落井架，提放钻具和套管等。要想提高钻探效率，要求绞车必须能高速运行和平稳起停，以保证不损坏钻井设备，还能提高钻孔的质量。

关键词：地质钻探；变频调速；节电技术；应用

引言:在地质钻井勘探行业，钻机则是最主要的生产设备。钻井期间，随着钻进井深的不断增加，其钻杆也会随之加长，重量加大。而每钻进9m左右就要接钻具，且要将钻具提升下放一次。此时绞车作业的时间也较长，能耗较大，钻井运行成本也高。若运用高性能的交流变频调速传动系统，则能实现较好的节电运行效果，使钻井运行成本得以显著降低。

1.钻机运行期间存在的问题

①钻井施工期间，司钻工只有通过不断的更换档位，才能调节磨盘转速和绞车的提升速度，其工作效率比较低下。②在电机起动过程中也会产生较大的启动电流，对电网和其他设备冲击较大，以至使其他设备不能正常工作。③低速钻进或低速提升时，其电机运行仍处于工频状态，明显浪费电能。

2.钻井技术工艺情况

显然，这就要求驱动设备必须有良好的动态特性。有一点，那就是磨盘、绞车可以共用同一套电动机和驱动系统。当提升与下放钻具完成之后，驱动部分则可切换到磨盘，再由磨盘带动钻具旋转，从而实现钻进作业。钻井期间，司钻工是通过调节磨盘转速和钻具压力来改变钻进速度的。磨盘正常工作时为正转，在处理卡钻时需要反转以收回钻具。为了防止钻具在正转时折断或反转时脱扣，还要求电机输出转矩平稳，调节灵活，并能设定限幅值。另外，电机的刹车部件也是不可缺少的。运行期间，泥浆从钻具内部自上而下的注入，流过钻头后，再从钻具和井壁的缝隙自下而上流出。此过程中泥浆协助钻头冲击地层，冷却钻头，并带出破碎的岩屑。但是，通过在泥浆中掺入重晶石粉等物质才能保持井下具有一定的地层压力，以避免井喷和井壁的塌陷。

3.钻机系统设备基本配置

钻井钻机多采用绞车和磨盘联合驱动，泥浆泵独立驱动的形式。而钻机主机则通过二档分动直角箱，将动力分成两路（一路通过链条驱动绞车的滚筒工作，另一路通过齿轮箱驱动磨盘工作）。泥浆泵组则是由交流电机通过皮带传动来驱动泥浆泵的。一般泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩、转速成正比。

4.变频调速技术在钻机节电运行中的应用

1）变频器的工作原理。变频调速的实质就是通过改变交流电机的定子供电频率，实现平滑地改变电机转速。当频率f在0～50Hz的范围内变化时，交流电机转速的调节范围较宽，整个调速过程中均可保持有限的转差功率，且精度高、调速效率高。大家知道，异步电机的同步转速为：n1=60f1/p①，式中:n1为同步转速(r/min)；f1为定子电流频率(Hz)；p为磁极对数。异步电机的轴转速为：n=n1(1-s)=60f1/p(1-s)②，式中:s为异步电动机的转差率，s=(n1-n)/n1。显然，改变异步电机的供电频率，就能改变同步转速，并实现调速运行。

2）异步电动机的电磁变化效应。对异步电机调速控制时，希望电机的主磁通保持额定不变。若磁通太弱，铁心利用就不充分，同样转子电流之下，电磁转矩小，电机的负载能力就下降；若磁通太强，又处于过励磁状态，使励磁电流过大，就限制了定子电流的负载分量，为使电机不过热，负载能力就要下降。异步电机的气隙磁通是由定子、转子合成磁动势产生的。

3）电机控制理论。异步电机定子每相电动势的有效值为：E1=4.44f1n1Φm③，式中:E1为旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势(V)；f1为定子电流频率(Hz)；N1为定子相绕组有效匝数；Φm为每极磁通量(Wb)。由此可知，Φm是由El和fl共同决定的，要使气隙磁通保持恒定，只要对El和fl进行适当控制即可。基频以下的恒磁通变频调速，是考虑从基频向下调速的。为保持电机的负载能力，应保持气隙主磁通Φm不变，这就要求在降低供电频率的同时降低感应电动势，以保持E1/f1=常数作控制。但E1难于直接检测和直接控制。E1和f1的值较高时，定子漏阻挤压降相对比较小，若忽略不计，就可近似的保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1=E1，保持U1/f1=常数即可。这就是恒压频比控制方式，即近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1也较小，定子漏阻抗压降则不能再忽略。此时可人为地适当提高定子电压以补偿定子电压降的影响，使气隙磁通基本保持不变（图1中（1）部分）。其直线1为U

1/f1=C时的电压与频率关系，直线2为有电压补偿时的电压与频率关系。实际装置中U1与f1的函数关系并不是简单地图中的2。基频以上的弱磁变频调速，是考虑由基频开始向上调速的状况。频率由额定值

fIN向上增大，因电压U1受额定电压UIN的限制不能再升高，只能保持U1=UIN不变，这会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电机弱调速的情况，也属近似恒功能调速方式。图中（2）部分是异步电动机变频调速的基本控制方式。显然变频调速必须按照一定的规律同时改变定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压、频率均可调节的供电电源，以实现VVVF调速控制。这也是变频器适应异步电机变频调速的基本要求。

4）变频器在钻机上应用的功能。①调速。运用变频器可把频率固定的交流电变换成频率和电压连续可调。②节电。通过调节电机的转速改变输出功率，不仅能平稳改变转速，还能减少起动和停机的次数，节电率可实现20％～60％的效果。③软启动。因电机的起动电流等于4～7倍的额定电流，会对机电设备和供电电网造成冲击，利用变频器的软起动功能就能使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，大大减轻了对电网的冲击与容量的要求。④保护。变频器具有缺相、过电压、欠电压、过电流、过热、过载和不平衡等多种保护，又具有故障自诊断功能，所以通过查询故障代码即可排查故障。⑤自动化控制水平提高了。变频器具有多种逻辑运算和智能控制功能，输出频率精度又高，外部又有较多开关信号或模拟信号接口和通信接口，其控制功能较强，还可以实现组网控制。因此，变频器的功能是比较强大的，并具有广泛应用的特点。

5）钻机应用变频调速节电效果。单位钻机主电机为380V110KW，日有效运行时间10小时，年运行250天，节电率按30%计算。其主电机的年节电量为：W=Phη=110×(10×250)×30%=8.2×104(kwh)，即一年节电8.2万度以上。显然，节电效果也是很好的。实际中还不止此量。再说，这仅是主电机的节电量，还有泥浆泵等设备也有很好的节电效果。

结束语：对于传统式的钻探地质机械，运用交流变频调速等新技术改造和控制，不但能实现较好的节电效果，在提升自动化化控制水平方面也大有益处，同时还能减少对周围电网及其设备的冲击，并减少设备损坏的几率。采用高性能的控制系统驱动，这也是钻探地质机械驱动控制技术的发展方向。

参考文献：

[l]刘泽.变频器技术在钻机的应用分析[M].河北煤炭，2012，6:41-42，68.

[2]刘建国.变频技术在改造现有设备中的应用[J].电气开关，2020，4：24-25.