1 項目簡介

西門子交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動機(jī)驅(qū)動的石油鉆機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能調(diào)速指標(biāo)，它可以采用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并且變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)要高，其外圍控制線路簡單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測功能完善，運行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，西門子交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用是今后石油鉆機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。

（1）50db鉆機(jī)項目是遼河石油勘探局重點項目，用戶是勘探局內(nèi)的一家鉆井公司，我公司為其生產(chǎn)整套鉆機(jī)，包括底座、井架、泥漿罐、電控系統(tǒng)等設(shè)備，電控系統(tǒng)由我公司電控分廠完成，我公司以生產(chǎn)鉆機(jī)為主，現(xiàn)場服務(wù)為輔的大型工程企業(yè)，年產(chǎn)值達(dá)5.5億，生產(chǎn)能力十分強(qiáng)大，電控分廠年產(chǎn)電控達(dá)7部左右，發(fā)展是不可估量的。

（2）50db項目中主要的電控系統(tǒng)采用的西門子6se71系列變頻調(diào)速柜，整機(jī)的控制系統(tǒng)采用的西門子s7-300plc，通訊采用profibus進(jìn)行通訊，發(fā)電系統(tǒng)采用的是6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)，整機(jī)制造符合現(xiàn)場要求，工藝控制嚴(yán)格，設(shè)計完全符合emc導(dǎo)則。

（3）項目當(dāng)中使用的西門子自動化產(chǎn)品的型號、數(shù)量、類型、控制對象見下表。
表1 西門子自動化產(chǎn)品參數(shù)

4）實際照片如圖1所示。


圖1 實物圖
2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

（1）整個項目選型，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和使用工曠、實際經(jīng)驗，選擇合適的產(chǎn)品，本著經(jīng)濟(jì)，實用、故障率低的原則選型。

（2）系統(tǒng)的硬件配置圖，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件配置圖
（3）應(yīng)用中的監(jiān)視畫面，如圖3所示。

圖3 應(yīng)用中的監(jiān)視畫面
3 控制系統(tǒng)完成的功能

整個系統(tǒng)控制用觸摸屏和兩方向控制手柄一個，進(jìn)行對井場的設(shè)備進(jìn)行控制，其中懸停功能是整個系統(tǒng)重要組成部分，也是發(fā)揮西門子變頻器與制動單元功能的重要部分，自動送鉆部分采用了變頻器中的pid調(diào)節(jié)器，進(jìn)行速度控制，這些都是系統(tǒng)中的重點與難點。

項目中的難點

（1）絞車變頻器和制動單元的選擇

我們考慮到工況的特殊性，鉆機(jī)提升設(shè)備要經(jīng)常提升和下放上百噸的重物，且速度在1m/s以上，這時對變頻器的選擇上提出了很高要求，在能滿足工曠又能節(jié)省成本的前提下選出合適的型號。

我們實際上使用的是兩臺720kw變頻電機(jī)，根據(jù)電機(jī)電流選擇變頻器，加上電機(jī)的1.5倍的過載能力，得到變頻器的電流值，選擇變頻器為1000kw變頻器。

變頻器選擇后，制動單元又成為系統(tǒng)選擇的難點，因為西門子變頻器要求制動單元的功率pdb不能大于0.6倍的變頻器功率，而且要滿足實際的制動工況，又能滿足節(jié)省成本成為設(shè)計的難點。根據(jù)制動單元的選用回頭效驗變頻器是否合適。

我們根據(jù)鉆井的工況做如下計算，繪制出曲線：（曲線只描述了，最大負(fù)荷的情況）

●第一階段分析：（上提減速過程由最大速度1秒減至零速）

△w（總）=△w（動能）-△w（勢能）

△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2];

其中ω（0）=0rad/s；

△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj；

△w（勢能）=m＊g＊h；

m＊g=1200t；最大鉤載225t，實際鉤載假設(shè)120t；

h=v（平均）＊t（時間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；

△w（勢能）=m＊g＊h=1200t＊2.1m =2200kj；

△w（總）=w（動能）-w（勢能）=-1814.760+2200=385.24kj。

p=△w/△t=385.24kj/3s=128.4kw

●第二階段分析：（帶載下放過程最大速度勻速下放）（pdb）

△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）

△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（t）2-ω（t-1）2]；

假設(shè)大鉤的速度最大1.4米m/s勻速下放；

對應(yīng)絞車電動機(jī)軸的角速度分別為：ω（t），ω（t-1）；

因為是勻速運動，則△w（動能）=0kj

△w（勢能）=m＊g＊h；

m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實際鉤載假設(shè)120t；

h=v（平均）＊t（時間）=1.4m＊s=1.4m;

△w（勢能）=m＊g＊h=1200t＊1.4m =-1680kj；

△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）=-1680kj

p=△w/△t=-1680kj/3s=560kw

●第三階段分析：（帶載下放減速由最大速度減到0速）（p3）

△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）

w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2];

其中ω（0）=0rad/s；

△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj；

△w（勢能）=m＊g＊△h；

m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實際鉤載假設(shè)120t；

h=v（平均）＊t（時間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；

△w（勢能）=m＊g＊h=1200＊2.1=2200kj；

△w（總）=w（動能）+w（勢能）=-1814.76kj -2200kj =-4014.76kj。

如定加速減速曲線時間為3s時。

p=△w/△t=4014.76kj/3s= 1338kw

如定加速減速曲線為1s時。

p=△w/△t=4014.76kj/1s= 4015kw

通過上面論述結(jié)論p=4015kw是最大，我們?yōu)榱税踩鹨姲裵db= 3200kw則在1s下p3=4800kw 完全滿足工況，其它余量用于處理事故時用。

（2）變頻的加速斜坡曲線和減速諧波曲線

根據(jù)上面論述變頻器的加速諧波和減速諧波曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器有效的控制加速時間和全速減至零速的時間，我們一般不考慮加速的時間，只考慮減速時間，因為減速時間體現(xiàn)了重物下放時的減速距離，也就是剎車距離，剎車距離被規(guī)定為1米以內(nèi)，這時要算減速時間，如減速時間設(shè)置過長不能滿足工況。通過上面的計算在大于1s時可行的，如小于1s可能就會對變頻器的電容有很大沖擊，甚至?xí)裪gbt、電容及制動單元一同燒掉。所以減速諧波曲線的設(shè)置是一個非常重要的參數(shù)。