电动钻机交流变频控制技术
交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用
交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用【摘要】交流变频电动机是国外20世纪90年代新发展起来的一种先进的电动钻机。
90年代后期，我国的科技人员和有关单位将交流变频调速技术应用于石油钻采设备，尤其是电驱动钻机，成为当今最受青昧的钻机。
交流变频电动机与机械钻机和直流钻机相比，它采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全型、可靠性和移运性。
交流变频绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速，对提高钻井实效、优化钻井工艺等十分有利。
【关键词】交流变频电动机控制系统研究1 交流变频电动钻机的介绍1.1 转盘独立电驱动钻机转盘独立电驱动钻机就是转盘采用交流变频电动机单独驱动，绞车和钻井泵采用机械统一驱动的钻机。
该型钻机采用多台柴油机通过液力变矩器或液力耦合器输出动力，然后经过链条并车，分别驱动绞车和钻井泵；转盘由1台交流变频电机通过齿轮或链条减速传动；绞车配辅助驱动装置，可实现自动送钻功能。
其特点是转盘转速能够根据钻井工艺的需要来调节，不受钻井泵冲次的制约，同时，具备数控恒钻压自动送钻功能，实现以接近机械钻机的价格，获得交流变频电动钻机的优越性能。
1.2 机电复合驱动钻机机电复合驱动钻机是转盘在采用电机独立驱动的基础上，绞车采用交流变频电机驱动，而钻井泵仍然采用机械驱动。
该方案主要应用在钻深5000m以下的钻机上。
2～3台柴油机通过皮带并车驱动钻井泵，同时，还可驱动1台节能发电机。
该型钻机能够实现交流变频电动机的主要功能，而价格只有全交流变频电动钻机的60%～70%，同时，具有良好的运行经济性。
1.3 全交流变频电动钻机全交流变频电动钻机的绞车、转盘、钻井泵均采用交流变频电机驱动。
其转盘传动主要有电机直接驱动和电机加减速箱驱动2种方式。
绞车通常采用2台电机通过二级齿轮减速箱驱动，并配辅助驱动装置，也有采用一级齿轮减速箱方案的。
PDT040513-直流与交流变频电动钻机技术经济分析
５ 结束语
从技术上看 ，随着交流变频调速技术及现代控制 理论技术的迅速发展 ，交流变频 电动钻机具有 的独特 优势将充分显示出来 ，例如 ：启动平稳 、运行经济可
达到了以上经济指标 ，效益可观。
３ 劳动配置可以减少。 ） 采用网络监控， 柴油发电 机组工作人员可以从每班２ 人减为每班 １ 人， 可减少４ 名柴油机丁 。通过完善电控系统的自诊断功能，降低 几 了对电传动系统高素质人才的要求 ，通过培养机电复 合人才来管理这套系统 ，将原机械、电器工程师合为
一名机 电工程师 。以 Ｌ 两项 可以减少井 队人员配置 ６ 人 ，每年节省费用 ３ ０万元左右 。
靠、 过载能力强、 恒功率调速范围大、 维护简单方便、 Ｖ Ｄ系统采用冗余热备份、 Ｆ 无电刷火花隐患等， 使交 流变频传动替代直流Ｓ Ｒ传动已经成为必然趋势， Ｃ 符 合石油钻井工程市场安全、可靠、经济、快速、环保
项 目名称
Ｚ７Ｄ直流钻机 Ｊ０
１ ５万 元 ３
Ｚ ７Ｄ Ｊ０ Ｂ交流变频钻机
主体 （ 含动力机组 ）
３。 （ ０ 万 含减速器、进
口离 合 器 ）
ห้องสมุดไป่ตู้
伊顿盘刹 ６ 万元 ５
辅助 刹 车 电 机 ：２台 主刹 车
或 电磁 涡 流 刹 车
２ ０万 元 ５ ６万 元
５ ８万 元
３ ６万／ 急 电 源 应
能耗制动 ，无辅刹
生电火花隐患 ，对在有爆炸性气体的油气 田使用更为
收稿 日期 ：０４０－０ ２０－７２
作 者简 介 ： 苏成冲 （ ９４ ） 男，９ ４年 ７月毕 业 于西 南石 油学 １６ － ， １８
石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用
石油钻井中交流变频电动机及其控制系统的应用摘要：随着中国对石油能源需求的增加，石油开采的环境变得越来越复杂，增加了石油开采的难度。
在石油开采过程中，交流变频电机的应用可以使石油开采更加简单高效，因此有必要加强对交流变频电机的分析。
关键词：石油钻机；交流变频电机；控制设备；被广泛应用于现代工业的交流变频电机，拥有无法被替代的优势，以该电机为研究对象，以石油钻机为切入点，围绕电机和控制系统的应用，展开了系统而深入的分析，内容涉及交流变频电机驱动的优点分析，交流变频电机控制系统分析等方面，望能够给有关人员以启发，使交流变频电机所具有的积极作用在钻井作业中得到充分发挥。
一、交流变频电动机交流变频电动机是一种特殊的变频电动机，交流变频电动机在具体应用中与一般变频电动机相比具有以下特点：（1）在设计中所使用的绝缘材料采用的为抵抗变频器谐波突破的特殊材料，提高交变频电动机的性能。
（2）结构设计和电磁设计与一般变频电机相比较特殊。
在石油钻井中应用交流变频电动机与直流钻机和机械钻机相比，在钻井过程中，对交流变频调速技术进行合理应用，可以很好的适应石油钻井在工艺上的具体要求，并且使钻机的机械结构得到了进简化，减少了对钻井机械的保养，使设备的可靠性和安全性得到进一步提高。
此外，交流变频电动机还具有质量轻、体积小、故障少等诸多优点，因此在石油钻井中需要加强对其的应用，提高石油钻井的工作效率。
二、交流变频电动机及其控制系统的应用1.交流变频石油钻机。
（1）石油钻机钻进原理。
石油钻机用于石油或天然气资源的钻采过程，运行过程中钻机带动钻具击碎岩石向下钻进，辅助完成地下资源的开采。
现阶段，国内外石油开采中常用的钻井方式为旋转钻井，即将钻头旋转击碎岩石，形成钻井结构。
然后利用钻杆将钻头探入到钻井底部，通过转盘或驱动装置带动钻头及钻杆旋转，钻井泵向井内输送钻井液，并将井底碎石带回到地面，再利用吊车等大型设备完成钻具安置。
（2）交流变频石油钻机。
交流变频电机自动送钻系统的原理和应用
交流变频电机自动送钻系统的原理和应用频道:电机发布时间:2008-06-271 自动送钻系统的发展及原理1.1 变频电机自动送钻系统的发展中国的石油钻机技术由仿制前苏联的机械皮带传动钻机到自行研制的大庆I型,II型钻机经历了几十年的时间。
在这个时期, 工人的劳动强度特别大, 工作危险性高。
20世纪80年代开始出现电动钻机, 特别是变频技术、PLC技术、微电脑技术、工业自动化等先进技术的发展, 大大提高了石油钻机的自动化水平。
在这种环境下, 通过许多钻机技术人员、电控技术人员、钻机操作人员的共同努力, 自动送钻机技术得到了长足的进步, 为钻机实现自动化、智能化打下了坚实的基础。
纵观世界各国的自动送钻系统, 按控制系统主传动方式可以分为机械式、气动式、液动式、电动式和计算机式, 其中计算机式由于具有软件编程的灵活性, 控制算法可优化选择, 能不断提高控制品质特点, 成为自动送钻技术发展的新热点。
按控制钻进参数可分为恒钻压控制、恒钻速控制、恒扭矩控制、钻压与钻速乘积值控制, 其中以恒钻压控制应用最为广泛。
1.2 原理1.2.1 主电机自动送钻系统主电机自动送钻系统组成如图1131。
在钻井过程中, 钻压变化信号通过死绳作用于压力变送器转换成电压信号, 经过A/D采样后, 膜式传感器输出液压变化信号, 液压变化信号再通过选择单元进行判断, 正常范围内压力信号的采样值与钻压给定值进行比较运算, 输出控制量通过D/A转换, 将数字信号转换成模拟信号, 再用该信号控制变频调速单元, 输出可变的频率电压信号来控制绞车主电动机的转速。
主电动机转速的变化通过减速机构和纹车筒等传动装置最终控制大钩下放快慢, 完成恒钻压闭环控制。
如果由A/D采样后的钻压信号经选择单元后为异常钻压信号, 则由选择单元自动给定一个下放速度, 直接输人到速度控制单元进行恒转速控制, 直到钻压重新恢复正常。
该系统增设了测速码器构成的局部反馈回路, 将反映绞车主电动机转速的脉冲信号反馈到速度控制单元的输人端因为钻压控制单元(或速度给定单元)信号与速度反馈信号极性相反, 故此回路为负反馈回路。
交流变频电动钻机电控系统的问题及解决
交流变频电动钻机电控系统的问题及解决作者：张加波来源：《科学与财富》2018年第06期摘要：交流变频电动钻机不仅具有 SCR直流电驱动钻机的优异性能，还有诸多显而易见的优点，因此在油田推广应用的力度越来越大，但由于国内交流变频电动钻机电控厂家电控系统设计和参数设定出现了一些新的问题，严重影响了钻井生产。
为满足钻井工艺对钻机电控系统的特殊要求，交流变频电动钻机及其它变频钻机应从绞车电动机编码器、转盘制动、一体化钻井仪表系统等方面入手解决。
关键词：电动钻机；电控系统近几年来，随着交流变频调速技术及现代控制理论的快速发展，交流变频传动应用于石油钻机以替代 SCR直流电驱动钻机已成为一种趋势，交流变频电动钻机不仅具有 SCR直流电驱动钻机的优异性能，还有诸多显而易见的优点，因此在油田推广应用的力度越来越大。
但应用过程中，由于国内交流变频电动钻机电控厂家电控系统设计和参数设定出现了一些新的问题，如电控系统现场适用性差、性能不稳定等，严重影响了钻井生产，对其可靠性、经济性产生了置疑，对先进的交流变频电动钻机的推广应用也越来越慎重。
一、电控系统主要存在的问题1、由于绞车电动机未安装编码器，电控系统采用无编码器矢量控制方式，司钻操作手柄打至中位无法实现绞车悬停，出现大钩缓慢向下游动现象，游动速度随悬重增加而加快。
而在较小悬重下虽能实现悬停，但游车缓慢减速后才停止运动，悬停制动时间超长，没有起到精确制动作用，易发生上碰下砸情况。
2、由于常规转盘采用气胎离合器惯刹，如果井内钻具发生严重阻卡，转盘电动机便发生堵转，若转盘惯刹投入不及时，便容易产生倒开钻具的事故。
在取心钻进时如遇砾石层等较硬地层，由于地层的冲击，导致电动机转速和扭矩不稳定，无法保证正常取芯作业，严重影响取芯收获率。
3、一体化钻井仪表存在诸多问题：大钩高度、钻压、转盘扭矩等参数显示滞后、不准确；随钻井工况变化需频繁设置修改参数；钻井仪表对司钻操作指导性差等。
交流变频驱动钻机的控制系统
交流变频驱动钻机的控制系统交流变频驱动钻机的控制系统油田生产事业部钻修井作业公司装备管理部一、交流变频传动系统简介二、变频器的基本工作原理三、能耗制动四、变频器对交流异步电动机的要求五、常见的交流变频电动机参数1一、交流变频传动系统简介近20年来，以各种电力电子器件构成的变频器已经发展了好几代，使当今高性能的交流变频调速系统在技术上已经成熟、产品质量可靠，技术指标赶超了直流调速系统。
从而，交流变频调速技术进入了普及阶段。
交流变频调速的数字控制系统由于具有控制精度高、动态性能好、功率因数相对较高、效率高、谐波小以及交流电机无火花、防爆性能好等优点，所以在电驱动钻机的应用上得到了迅速的发展。
交流变频调速系统不但能够实现直流全数字控制系统的全部功能，而且应用于绞车和自动送钻电机，能够很容易地实现能耗制动和四象限运行。
无需主电路切换系统就能快速停车与正反转，工作安全可靠。
除此之外，交流变频调速系统可以自动投入制动，制动迅速平稳。
2一、交流变频传动系统简介二、变频器的基本工作原理三、能耗制动四、变频器对交流异步电动机的要求求五、常见的交流变频电动机参数3二、变频器的基本工作原理1、主电路：使用IGBT器件的PWM逆变器在当今的交流变频传动中，“交―直―交、电压型、PWM变频器” 已成为主流形式。
二极管不控整流―直流环节电容储能―PWM(Pulse Width Mo dulation脉宽调制)逆变的电路结构是主流结构；自关断器件IGBT是逆变器的主流器件。
IGBT 是复合型场控器件，它将MOSFET和GTR的优点集于一身。
具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、驱动电路简单、驱动电流小、通态压降小、耐压高及承受电流大等特点，因此器件发展得很快。
如图1所示：+ D1 + VdD3 S3 S5D5 L R NS1 N' S4 D4LR N+S6 D6S2 D2-图1 电压型逆变电路及负载接线方式4二、变频器的基本工作原理电压型逆变电路进行PWM控制，就能够产生一个可调频率、可调电压的三相正弦波对称输出的电源。
直流电动钻机与交流变频电动钻机技术对比
- 99 -第4期直流电动钻机与交流变频电动钻机技术对比国伟（胜利石油工程有限公司渤海钻井总公司， 山东 东营 257200）[摘 要] 文章对直流SCR传动系统与交流变频电动钻机系统的性能特点进行了分析比较，并以ZJ70DB型交流变频电动钻机及配置完全相同的ZJ70D型直流钻机为例，进行了两种系统的经济性的对比，结果表明，交流变频电动钻机技术无论在技术性能方面还是在采购成本和运行维护方面都具有更大的优势。
[关键词] 直流电动钻机电机；交流变频电动钻机；技术对比作者简介：国伟（1986—），男，山东泰安人，本科，工程师。
研究方向为电气工程及其自动化。
1 直流电机与交流变频电机的技术特性1.1直流电机的理论特性因此，直流电动机机械特性为： （5）式中：n -电动机转速，r/min ；E -反电动势，V/(rad/s)；C e -正常电势，V/(rad/s)；ф -磁通，mWb ；M -电机转矩，N•m ；Cm -电机转矩常数，N•m ；I -电枢电流，mA ；U -电枢电压，mV ；R -电枢电阻，Ω；n 0 -空载转速理想值，r/min ；△n -转速降落，r/min 。
变电压调速过程中励磁电流保持不变，即电流额定值下I e 为常数，所以电机输出转矩T=Cm ΦI e 为常数，在这种恒转矩调速模式下，电机输出功率与输出转速正向变动，低转速时电机功率无法正常发挥。
可见，直流电机机械性能良好，调速范围广泛且精度高，制动性能优越，在交流变频电机广泛应用之前，直流调速系统具有显著优势。
1.2 交流变频电机的机械特性（6）式中：f 1 -定子供电频率；p -磁极对数；s -转差率。
f 1、p 、s 中任何量的调整都会影响电机转速，其中p 的调整属于有级转速，s的调整为能耗（1）（2）（3）（4）调速，而f1的改变为无极转速。
恒压频比运行模式下，电压补偿不当或缺乏会导致随频率变化的最大转矩的减少，调速系统性能的弱化[1]；恒气隙磁通运行模式下转矩最大值和转差频率均远高于恒压频比模式；恒转子磁通模式下，随转矩增大而转速降落值增加，由于不受电源频率影响，其机械特性为平行状态，与直流电机机械特性一致。
北京科技大学科技成果——电动钻机控制系统
北京科技大学科技成果——电动钻机控制系统成果简介交流变频电动钻机是国外20世纪90年代新发展起来的一种先进的电动钻机。
90年代后期，我国的科技人员和有关单位将交流变频调速技术应用于石油钻采设备，尤其是电驱动钻机，成为当今最受青睐的钻机。
交流变频电动钻机与机械钻机、直流钻机相比，它采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性。
交流变频绞车体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速；能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利。
新型司钻控制系统控制精确、操作简单，使司钻摆脱了繁重的体力劳动，并注重了操作技巧和钻井参数的优选。
油田电驱动钻机自动控制系统采用成熟、先进的技术装备完成对油田钻机的电气传动及自动化监控功能，其动力控制系统、交流输出特性、控制操作和各种保护功能、互锁功能、模块化设计等完全满足油田野外钻机的工作参数和传动特性，达到钻井工艺要求，具有优异的调速性能、过载能力强、可靠性高、抗干扰能力强、设计布局合理、操作简便可靠、易于维护及维修等特点，系统将包括绞车、转盘、泥浆泵的全变频交直交调速、双备份自动送钻、一体化仪表及监控、游车位置自动控制、智能化远程司钻等先进的控制功能。
该系统变频单元采用全数字矢量控制电压源型交流变频调速装置，具有V/f特性曲线的频率控制方式和磁场定向矢量控制方式。
“一对一”控制驱动绞车，转盘、泥浆泵主电机及送钻电机，实现无级调速，满足高精度钻井工艺要求。
同时，系统配置有辅助自动送钻装置，自动送钻系统控制钻机的钻速及钻压，实现送钻电机在0-36m/h范围内恒钻压送钻，可以对设定参数进行修改，监控钻进过程的钻压、钻速、游车位置等参数，自动控制游车减速和软停、紧急故障刹车等功能，有效的防止溜钻、卡钻、事故的发生，提高钻速及钻进质量。
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液气控制系统由液压站、气源及净化装置、控制阀、控制管线、执行机构组成。液 气控制系统与电传动系统一起实现对整套钻机的控制。
七、钻井参数检测及传输系统
钻井参数检测及传输系统通常由传感器、信号处理器、显示记录仪、报警器、井场 传输系统和远程传输系统等组成。能够对整个钻井过程的有关参数进行检测、记录、 处理、传输和远程管理。
看看其关键技术的核心所指
2、利用独立变频电机送钻装置实 现主动恒钻压自动送钻。
该系统是针对绞车独立电机送钻装 置而研发的。自动送钻控制系统由人机 界面、自动送钻控制系统、电气控制系 统、变频系统、送钻电动机、传感器组 成。在正常钻进作业时，游动系统的悬 重通过滚筒及齿轮传动以反扭矩拖动自 动送钻电机，通过对该电机速度和扭矩 的精确控制，可实现数控变频恒钻压自 动送钻。
*恒钻压控制 *恒钻速控制
波动范围:5000 N 范围:0.5—36.2 m/h
看看其关键技术的核心所指
3、绞车采用变频系统能 耗制动替代辅助刹车 在下钻作业中，游动系 统的悬重通过滚筒以反 力矩拖动主电机反转， 主电机工作在四象限处 于发电工况。电能作用 于直流母排，通过能耗电阻柜转化为热能散发。PLC工控机通过对采 集的数字信号分析游动系统的悬重，控制主电机反转的速度，使钻具 以设定的速度平稳安全地下放。主电机在0r/min转速时也能输出额定 扭矩，因此，可实现钻具的悬停，大大减少了液压盘刹的磨损。
三、起升系统
起升系统主要包括绞车、天车、游车、大钩、钢丝绳、井架、底座以及吊环、吊卡 等用于钻井辅助作业的工具。其作用：实现起下钻具、起下套管柱以及控制钻头送 进等。
四、旋转系统
旋转系统由转盘和水龙头（或使用顶部驱动钻井装置）。其作用：旋转钻具，循环 泥浆。
五、泥浆循环系统
泥浆循环系统由钻井泵、高压管汇、泥浆罐、泥浆净化设备等组成。用于循环、净 化处理泥浆，保证连续钻井作业。
适用钢丝绳直径
Φ35mm
主刹车
液压盘式刹车
主刹车盘尺寸(直径×宽度)
Φ1600×76mm
辅助刹车
电机能耗制动
绞车特点
1. 真正的单轴单速,结构简单紧凑,传动效率高,体积小,重量轻 2. 密封性好,便于维护保养,搬家运输方便 3. 提升速度高达0~1.5m/s,无级可调,较好满足钻井工艺要求 4. 数字化速度闭环控制,提高相对效率 5. 2001年美国National Oilwell公司开始生产,现已生产多台.技术成熟
八、供油供水系统
供油系统由柴油供给和润滑油供给两部分组成。由油罐、输油泵等组成，用于油料 的储存和输送。 供水系统由水罐、水泵和输水管线等组成。用于设备的冷却。
九、工具及辅助设施
工具及辅助设施包括井口工具、钻杆架及其他辅助设施。
电动钻机举例-ZJ50DB
• ZJ50DB钻机的绞车、泥浆泵和转盘均为交流变频电 机独立驱动。4+1台VFD变频驱动柜一对一控制4台交流变 频电机（绞车1台、转盘1台、泥浆泵1台X2、自动送钻装 置1台）。3台CAT3512B柴油发电机组作为主动力，产生3 相 600V 50HZ交流电。交流电经整流、逆变后变为频率 可调的交流电分别驱动绞车、泥浆泵和转盘.
iA iB iC
t
CC
B
S
B
XX
t 0
合成磁场方向：向下
iA=0 iB为负，iC为正
同理分析，可得
其它电流角度下 的磁场方向：
Im
iA iB iC t
• 转盘采用链条传动，由1台600V、600kw交流变频 电机驱动。其可实现0-169rpm范围内30000N.m恒扭矩 无级调速
ZJ50DB电气系统单线图
绞车基本参数
最大输入功率
1100kW(1500HP)
最大快绳拉力
340kN
提升档位
1档，交流变频电机驱动,无级调速
主滚筒尺寸(直径×长度)开槽 Φ685×1138mm
电机相关知识
发电机
图示
直流电动机
原理
模型
电动机构造
三相异步电动机的构造1
三相异步电动机的构造2
三相异步电动机的结构
1.定子
机座：铸钢或铸铁
铁心：由内圆周有槽
的硅钢片叠成。
Y
A ----X 三相绕组 B ----Y C
2.转子
C---- Z
铁心：由外圆周有槽
的硅钢片叠成。
转子绕组
鼠笼式 绕线式
• 绞车设计为1级减速齿轮箱传动的单轴式。由1台 600V、1100kw交流变频电机驱动,大钩提升速度可实现01.5m/s无级调速（12绳）
• 2 台 泥 浆 泵 联 组 窄 V 带 传 动 ， 各 由 1 台 600V 、 1100kw交流变频电机驱动,基频额定冲次为109冲/分。 交流变频电机的无级调速可实现泵冲次及排量的连续平 稳变化
A
Z
B
X
三相异步电动机的转动原理
异步电动机的转动演示
三相异步电动机的转动原理 由演示得到的启示：
1. 要有一个旋转的磁场； 2. 转子跟着磁场转动。
异步电动机的旋转磁场由何而来？
旋转磁场 1.旋转磁场的产生
定子 绕组：通入三相电流
()电流入
(•)电流出
AA
Im
YY N ZZ
iA
A
iC C
iB
ZX Y B
一、动力系统
动力系统由柴油发电机组和辅助柴油发电机组 组成，电驱动钻机亦可用网电作动力系统。柴 油发电机组按需要可任意并网运行，负荷均衡 分配。
二、电传动系统
电传动系统由SCR或VFD系统和MCC组成。 SCR或VFD系统对驱动绞车、钻井泵和转盘的 电动机供电和控制，其特性满足绞车、转盘、 钻井泵的工作要求。MCC对低压交流电动机、 照明系统、生活设施及其它交流用电设备供电 和控制。
可靠
•转盘独立驱动
电机功率 600kW
最大输出扭矩 30000N.m
传动比
1.1:1
转盘调速范围 0～169rpm
恒扭矩无级调速
169～271rpm
恒功率无级调速
转盘型号 ZP375
看看其关键技术的核心所指
关键技术
*ZP375转盘的控制
转盘采用1台600V YJ23D变频电动机驱 动。钻进时，PLC通过采集转盘电机的运 行参数，可计算转盘转速转矩，并在触 摸屏上显示扭矩的运行 参数，使扭矩动态工作在设定范围。当 出现异常情况，扭矩超过最大设定值时 ，PLC控制电机停止，实现过扭矩保护。