电动钻机变频器的应用

摘 要：本文介绍了变频器技术的原理与作用，介绍了变频器与电机匹配的相关知识，根据钻井队钻井的工作特点，引进变频器后，能够起到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等

关键词：钻井钻机 变频器应用 节能

一、变频器的简介及其作用

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。它的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。它的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。

二、变频器及被控制电机的匹配

为了更好的将变频器应用到电机，我们介绍以下几点相关知识。

1、基本信息。（1）电机的极数。一般电机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量就要适当加大。（2）转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降格选龋。（3）电磁兼容性。为减少主电源|稳压器干扰，在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。

2、一般当电机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆，变频器箱体结构的选用，变频器的箱体结构要与条件相适应，必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。有下列几种常见结构：（1）敞开型IP00型。本身无机箱，可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上，尤其适于多台变频器集中使用时选用，但环境条件要求较高。（2）封闭型IP20型。适于一般用途，可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。（3）密封型IP45型。适于工业现场条件较差的环境。（4）密闭型IP65型。适于环境条件差，有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。

3.变频器功率的选用。变频器负载率β与效率η的关系曲线可见：当β=50%时，η=94%；当β=100%时，η=96%。虽然β增一倍，η变化仅2%，但对中大功率（几百千瓦至几千千瓦）电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点。（1）变频器功率与电动机功率相当时为最合适，以利于变频器在高效率状态下运转。（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，并且应略大于电动机的功率。（3）当电动机属频繁启动、制动工作或处于重载启动且较频繁时，可选取大一级的变频器，以利于变频器长期、安全地运行。（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利于达到较高的节能效果。希望通过本论文的介绍，可以促进变频器在电动钻机中的正确应用，从而促进钻井业的快速稳固发展。

三、变频器在钻井机上的应用

1、钻井工艺简介

钻井过程分为起落井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。主要分为绞车，转盘和泥浆泵等。绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成，用来起落井架，提升和下方钻杆、套管。随着井深的增加，钻具越来越长，重量迅速加大，绞车的负载也越来越大。我国目前已有7000m深的油井，其钻具近600t重。由于每转进约9m就要提升下放钻杆1次，因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降低本钱，希看在野外或海上的作业时间越短越好，这不仅要求绞车宁高速运行，平稳起停，以保证不损坏钻井设备并进步井的质量，还要求驱动设备具有良好的动态特性。假如在内线井区作业，电源可与井区电网相连，下放钻杆时电机工作在发电状态，能量可回馈电网，节能效果明显。

转盘和绞车可共用同一套驱动系统和电机，钻杆加长后，驱动部分切换到转盘，由转盘带动钻具旋转，实施钻进作业，司钻工通过调节转盘转速和压力来改变钻进速度。转盘正常工作时为正转，处理卡钻时需反转以收回钻头，为防止钻杆正转时折断或反转时脱扣，要求电机输出转矩平稳，调节灵活且设定限幅值，同时电机的刹车部件也是必不可少的。

2、借助变频器轻松工作的钻井机。

钻井泥浆泵的工作方式是泵吸反循环式。它的工作原理是：在大气压力的作用下，循环液由沉淀池经回水沟沿着井孔的环状间隙流到井底，因为此时的转盘驱动钻杆，带动钻头旋转进行钻进，由泥浆泵抽吸建立的负压把碎屑泥浆吸入钻杆内腔，随后上升至水龙头，经泥浆泵排入沉淀池，沉淀后的循环液继续流入井孔，这样如此周而复始，形成了反循环的钻进工作。变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，将其在钻井机上应用，将会使钻井机在凭借压力的条件下最小负担的工作。

泥浆或水从钻杆进入，从井口流出，为正循环钻井机。泥浆或水从钻杆吸出，从井口流入，为反循环钻井机。正反循环是指钻井液（泥浆或水）在钻井机中的循环方式说的，钻井机钻头在钻进的时候会产生渣土，渣石等，通过正反循环可以由泥浆这些渣子带到地面，再经过沉淀池沉淀以后泥浆再回到钻孔。这样不停的循环，最后成孔。反循环可以带出直径较大的渣。变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。在钻井机运行这些反复的工作时，由变频器来转换功率，并且将电力的耗费降到最低，从而为国家、公司做到了优化资源、降低碳排放的效果。

3、配装变频器，降低维修率。

我们都知道变频器的最大作用就是改变交流电机供电的频率和它的幅值，因次改变其运动周围磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。而上面已经给大家介绍了，变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，从而降低了维修率，我们都知道，钻井机一般普通类型的都在10万左右，钻杆，钻头等配件至少5万上下，而现在的维修费用更是让持有者头疼，所以，使用变频器不仅能够达到节能减排的效果，而且可以增加钻井机的使用寿命，降低维修费用，使传动技术发展到新阶段。

参考文献

[1]郭丽娟，变频器市场的现状分析[J]，技术百科，2010，11

[2]倪彬斌，变频传动技术在石油钻机电控系统中的应用研究[D]中国石油大学2010年