浅析变频调速技术在钻机上的应用效果

[摘 要]从地质勘探设备及生产工艺、钻机系统效率及高耗电问题方面介绍弊端，分析论述了钻机应用变频节电技术特点与取得的效果。

[关键词]钻机；问题；变频调速节电；效果

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）09-0378-01

1 综述

在地质勘探过程中，钻机则是地质勘探生产任务的主要设备。正常情况下，随着钻孔深的增加，使用的钻杆也会越来越长，重量也会越来越重。一般每钻进9m左右，就需要接钻具一次，并将钻具提升下放一次，此时绞车作业的时间也越来越长。采用传统的机具钻孔方式，耗电量就会越来越大。而应用高性能交流变频调速传动系统，就能提高钻井效率，稳定钻机工作，大大减少耗电量。

2 钻探设备及生产工艺

（1）钻探工艺与设备。钻孔施工工艺分为起落井架、钻具进尺、循环泥浆、更换钻具、下放套管、地球物理测井等几大工序。运用的主要设备由绞车、磨盘和泥浆泵等组成。而绞车由绞车架、滚筒轴、转盘驱动轴、齿轮箱、离合器、机械刹车、系统、交流电动机和控制设备等组成，用以起落井架，提放钻具以及套管等。（2）钻探机电设备配置。钻机一般多采用绞车和磨盘联合驱动，泥浆泵独立驱动的形式。而钻机主机通过二档分动直角箱，将动力分成两路，其中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。此泥浆泵组是由交流电动机通过皮带传动驱动泥浆泵工作。（3）钻孔控制与钻孔效率。为防止钻具正转时折断或反转时脱扣，要求电动机输出转矩平稳，调节灵活且设定限幅值。同时，电动机刹车部件也不可缺少。泥浆从钻具内部自上而下注入，流过钻头后，再从钻具和井壁的缝隙自下而上流出。此过程，泥浆协助钻头冲击地层，冷却钻头，带出破碎岩屑。通过在泥浆中掺人重晶石粉等物质，可保持井下一定的地层压力，以避免井喷和井壁塌陷。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电动机的输出转矩和转速成正比。为提高钻探效率，使绞车能高速运行，平稳起停，又不损坏钻井设备，还能提高钻孔质量，显然就要求驱动设备有良好的动态特性。而磨盘和绞车可以共用同一套电动机和驱动系统，提升和下放钻具完成后，驱动部分切换到磨盘，再由磨盘带动钻具旋转，实现钻进作业。通过调节磨盘转速和钻具的压力来改变钻进速度。磨盘正常工作时是正转，而处理卡钻时则需反转以收回钻具。

3 钻机系统效率及高耗电问题

（1）钻机工作时，一般司钻工只有通过不断更换档位，才能调节磨盘转速和绞车的提升速度，其工作效率明显低下。（2）电动机起动过程中会产生过大的启动电流，对周围电网和其他设备造成冲击，有时还会因启动电流过大导致其他设备无法正常工作。（3）低速钻进或低速提升时，电动机始终处于工频运行状态，因而存在了浪费大量电能的问题。

4 钻机应用变频节电技术

4.1 变频节电技术原理

变频调速节电是通过改变交流电机的定子输入频率，实现平滑调节电机转速的。当频率f在0-50Hz的范围变化时，电机转速的调节范围也非常宽，此过程中可保持有限的转差功率，其精度高、效率高，调速性能好。

异步电动机的同步转速：n1=60f1/P（1），式中：n1―同步转速，r/min；f1―定子电流频率，Hz；P―磁极对数。

异步电动机的轴转速：n=n1（1-s）=60f1/P（1-s）（2），式中：s―异步电动机的转差率，s=（n1-n）/n1。

由此可知，改变异步电动机的供电频率，就可以改变其同步转速，从而实现调速运行。

在对异步电机进行调速控制时，都希望电机的主磁通保持额定值不变。若磁通太弱，铁心利用就不充分。同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，则处于过励磁状态，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，负载能力也要下降。异步电机的气隙磁通（主磁通）是由定子、转子合成磁动势产生。怎样才能使气隙磁通保持恒定呢？由电机的理论可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：E1=4.44f1n1Φm（3），式中：E1―旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，V；f1―定子电流频率，Hz；N1―定子相绕组有效匝数；Φm―每极磁通量，Wb。

从式（3）可知，Φm值是由El和fl共同Q定的，对El和fl进行适当的控制，就可以使气隙磁通Φm保持额定值不变。

基频以下的恒磁通变频调速，就是考虑从基频（电动机额定频率f1N）向下调速的情况。为保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通Φm不变，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，就是说保持电动势与频率之比为常数进行控制。该控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但E1难于直接检测与控制。当E1和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，若忽略不计，就可以近似保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，则可认为U1=E1，保持U1/f1=常数，这就是恒压频比控制方式，也是近似的恒磁通控制方式。

当频率较低时，U1和E1都较小，定子漏阻抗压降（主要为定子电阻压降）不能再忽略。该情况下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（见图1a）。直线1为U1/f1=C时的电压与频率关系，直线2为有电压补偿时（近似的E1/f1=C）的电压与频率关系。而实际装置中U1与f1的函数关系则如1b所示。

基频以上的弱磁变频调速，是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值fIN向上增大，但电压U1受额定电压UIN的限制不能再升高，只能保持U1=UIN不变，必然会使主磁通随着f1的上升而减小。这相当于直流电机弱调速的情况，属于近似的恒功能调速方式。

根据分析，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变定子电压和频率，必须通过变频装置获得电压、频率均可调的电源，也就是实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）调速控制。通常就是采用异步电动机变频调速的基本控制方式（图1b），以适应该变频调速的基本要求。

4.2 变频节电技术在钻机上应用的效果

（1）实现了软启动。由于电动机的起动电流等于4-7倍电动机额定电流，这会对周围机电设备与电网造成冲击，利用变频器的软起动功能，可使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，从而减轻了冲击，满足了对供电容量要求。（2）调速范围宽。变频器可以把频率固定的交流电变换成频率和电压连续可调的交流电。（3）节电效果好。通过调节电动机的转速改变输出功率，不仅能做到平稳改变转速，还能做到减少起动和停机的次数，使节电率达到20%-60%范围。（4）自动化控制水平提高。变频器具有多种逻辑运算和智能控制功能，输出频率精度高，其外部还有较多开关信号或模拟信号接口和通信接口，控制功能强，可实现组网控制。（5）多种保护功能。变频器有缺相、欠电压、过电压、过电流、过热、过载、不平衡等多种保护功能，同时还有故障自诊断功能，通过查询故障代码即可排查故障等问题。

5 结语

钻探机械采用高性能交流变频调速系统控制与驱动，是机械驱动控制技术的发展方向。利用变频器软件实现的多种功能，可大大简化外部线路，提高了自动化控制水平，并能实现机械设备的保护。如此的变频调速，生产工艺先进了，运行稳定可靠，效率提高了，维护少了，并能实现较好的节电效果。

参考文献

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