变频器在电动修井机上的应用

2018-10-15刘健田恒陈楠

中国设备工程 2018年18期

刘健，田恒，陈楠

（中国石油渤海石油装备制造有限公司，天津 300280）

应用交流变频调速系统的电动修井机具备安全可靠、调速平滑方便、节省电能等特点，但受修井机运行时负载逐渐减小、只在少数时刻需要大转矩等因素的影响，电动修井机交流变频调速系统存在的功率浪费严重的问题日益受到业界重视。尽可能的解决这类问题，正是本文围绕变频器在电动修井机上应用开展具体研究的原因所在。

1 变频器在电动修井机上的应用思路

1.1 变频器类型的选择

电动修井机上应用的变频器可以细分为交-直-交变频器和交-交变频器，其中交-直-交变频器在我国工业领域有着较为广泛的应用，这是由于其具备逆变控制简单的优势。此外，变频器还可以按照控制方式、用途进行划分，按照前者划分可以将变频器分为SF控制变频器、U/f控制变频器、矢量控制变频器，而后者则能够划分为专用变频器、高频变频器、通用变频器、高压变频器等。

1.2 交-直-交变频器的选择

本文的研究主要基于交-直-交变频器在电动修井机上的应用来展开。主电路与控制电路属于交-直-交变频器的主要构成，这里的主电路还能够细分为逆变电路、中间直流部分、整流电路。为满足电动修井机的自动控制需要、解决传统交流变频调速系统存在的不足，本文研究选用了ABB公司ACS880-01-246A型号的110kW变频器，该变频器属于高性能、多功能的通用变频器，其具备的无速度传感器矢量控制功能、电机参数自动检测功能、自动节能运行功能属于主要优势，由此实现的高转矩及高精度控制、各种运行条件的最佳控制，使得ACS880-01-246A型号变频器能够较好的满足电动修井机自动控制的需要。

2 应用变频器的电动修井机自动控制系统结构

2.1 控制电路

图1为应用变频器的电动修井机自动控制系统的主电路图，图中的 VVVF、M0、M1、M2、M3、M4分别为变频器、三相交流多极感应电动机、驱动液压钳油泵、驱动刹车油泵、风机电机（M0散热用）、空气压缩机，而QM1-QM7、KF0-KF4则分别为各支路断路器与各自电动机支路的热继电保护器，QM0为主电路总断路器，T1、P1、WKQ、S6分别为两相交流变压器、三相电能表、智能型温控器（保护电动机）、电压转换开关。深入分析图1不难发现，应用变频器的电动修井机自动控制系统控制电路可细分为变频器指令动作控制电路、通讯电路、模拟量采集和处理电路、保护电路，其中变频器指令动作控制电路主要负责为主电动机供电，通讯电路则负责变频器、PLC以及文本显示屏的通讯，保护电路包括保护、故障复位、指示灯报警电路。

图1 应用变频器的电动修井机自动控制系统主电路图

2.2 运行方式

本文研究的应用变频器电动修井机的自动控制系统主要通过带动绞车转动，实现悬挂油管主钩起升和下放动作的控制，变频器驱动三相交流多极感应电动机M0属于系统的主要工作部分，变频器驱动采用了U/f控制方式，并具备自动与手动的两种操作模式，为避免出现烧毁变压器的问题，系统在投入前，需要做好功率限制值的设定。

3 变频器在电动修井机自动控制系统中的具体应用

3.1 控制方案

考虑到首次提升需要较大力矩，以及运行过程中负载逐渐减小的电动修井机的负载特点，采用电动机运行恒功率段调速的方式进行电动修井机的控制，由此结合负载实际输出大转矩或提高转速，即可有效减小电机体积、实现功率的充分利用。相较于传统的交流变频调速系统，本文研究的电动修井机自动控制系统，具备更为优秀的自动控制功能，在变频器的支持下，系统能够结合负载的大小，实时调整电动机的运行速度，由此即可实现电动机的容量和能力的最大化利用，这种基于自动恒功率运行的电动修井机自动控制系统，也因此具备能够自动识别负载情况、充分利用三相交流感应电动机优势、较好保护油井电源变压器等优势。

为实现电动修井机电动机恒功率的运行，电动机实测电流这一依据必须得到重视，结合电动机功率表达式不难发现，电流的变化能够代表电动机的功率变化趋势，而结合三相交流多极感应电动机的特点，具备一定无功补偿作用的变频器属于其中的关键，因此选择了变频器输入端电网电流作为电动修井机自动控制系统的自动控制加减速的依据。

3.2 控制原理

实现主电动机的启动、停止、正转、反转、调速、保护、报警，需要得到PLC与变频器的通讯控制支持，而U/f控制模式则能够结合油田修井作业机的工作实际，而且电动机运行的整个频率范围划分为高、中、低3段，通过不同的开关量选择，因此电动机的控制流程可以简单描述为：“电机运行→最大允许输出功率→加/减速→最大运输输出功率→电机停止”。值得注意的是，本文研究的电动修井机自动控制系统具备自动模式与手动模式共两种控制方式，其中自动模式采用PLC实现控制，这是由于PLC具备可以调用无数的继电器线圈指令、可实现参数集成显示、运算速度较快等优势。而对于手动模式来说，选择了使用通讯方式读取电位器数值的读取给定频率方法，由此将原分压制作为最大速度档频率的给定电压值，即可满足电动修井机自动控制系统的自动控制需要。

3.3 变频器通讯协议的应用

为保证变频器较好服务于电动修井机自动控制系统，变频器通讯协议的应用必须得到关注。本文研究的电动修井机自动控制系统选用了ABB公司ACS880-01-246A型号的110kW变频器，由于该变频器内置了RS485、RS232C两个接口，因此确定了表1所示的变频器参数设置，表1的确定是由于RS485接口能够实现一台计算机的32台变频器控制，因此选用RS485通讯(表1)。

表1 变频器参数设置

结合ABB公司ACS880-01-246A型号的110kW容量变频器通讯数据编码的特点，选择了ASCII码形式进行数据通讯，其中HD、IN、OP、DT、SUM、EN分别为开始代码、变频器编号、指令代码、数据、检验和终止码，如系统的终止码为0DH，指令代码与变频器面板上调用修改的指令代码一样，而开始代码则为2AH。值得注意的是，为提高电动修井机自动控制系统的稳定性和安全性，变频器会对接收的通讯数据进行检验，只有确定数据正确无误才会使用和执行。

3.4 实验验证

自动控制实验主要围绕PLC和变频器通讯对三相异步电动机进行控制展开，而负载实验则围绕整个电动修井机自动控制系统，整体配合作业过程的展开，通过实验可确定本文研究的电动修井机自动控制系统能够根据负载的变化进行恒功率的自动控制，调速的平滑性优秀、基本没有震荡，且能够快速性调速，属于电动修井机自动控制系统所具备的优势，由此可直观了解本文研究所具备的较高的借鉴价值。