直流電動鉆機變流器運行狀態分析

馮睿

（大慶鉆探機械修理廠，黑龍江 大慶 163413）

1 直流電動鉆機直流電機對電網功率因數影響的兩個方面:諧波和可控硅確發角墜

事實上電動鉆機的電站功率80%供可硅系統驅動的直流電動機，而在正常鉆井生產時驅動泥漿泵的直流電機所消耗的功率占全部直流電機消耗功率的90%；（除起下鉆作業外，泥漿泵是整臺鉆機的主要功率消耗設備）也就是說電站功率的85%是供給諧波負載（泥漿泵），這么大的諧波負載需要電站提供很大的無功功率，造成無功電流占發電機總電流的30%～35%，致使電站的電網系統功率因數低到0.55～0.65，它嚴重的限制了電站有功功率的發揮，導致電站存在“動力不足”的問題，因此需要投入大量的發電機組才能滿足常規鉆井作業的功率需要。

在可控硅整流電路中，當其直流輸出電壓愈低，也就是觸發角墜愈大時，則線路功率因數愈低，這對于大容量直流負載而言，問題變得更為突出，而電動鉆機的絞車和轉盤由于鉆井工藝的要求，有時工作在低速或中速狀態，雖消耗一定的無功功率，但他們在鉆井生產時不是主要的用電設備，而經常處于低速和中速運轉的泥漿泵是鉆井生產時主要的用電設備和引起電網電壓下降與無功損耗的增大主要因素，怎樣提高供電系統的電網質量和功率因數就顯得十分重要。就此分析的泥漿泵工況，能解決好泥漿泵的無功損耗問題，是提高整個電網功率因數的關鍵。

2 鉆井生產時直流電機的工況

根據鉆井工藝的要求，絞車、轉盤和泥漿泵經常需要變速，由于直流電動機采用恒轉矩調速，可控硅裝置整流輸出的直流電壓不斷變化，可控硅裝置的功率因數也隨之變化。直流電動機在低轉速下運行，造成可控硅裝置的功率因數低，這就要求并網的交流發電機組輸出大量的無功功率，交流發電機組的運行功率因數取決于可控硅裝置的功率因數，兩者功率因數基本相當。

電動鉆機的可控硅變流組件，一般采用三相橋式全控整流不可逆系統，它允許的最小控制角墜min=15°-20°取墜min=20°，墜min=60°（實際生產時控制角最小值）可控硅裝置的功率因數近似COSΦ≈COS（墜+γ/2），這里的 γ 是可控硅換向重疊角，取 γ=15°-25°：

可控硅裝置的最高功率因數：

（COS墜）max=COS（20°+15°/2）∽COS（20°+25°/2）=0.887∽0.893

可控硅裝置的最低功率因數：

（COS墜）mix=COS（60°+15°/2）∽COS（60°+25°/2）=0.38∽0.30

可控硅裝置運行的功率因數在0.37∽0.87范圍內變化,可控硅裝置的平均功率因數:

（COS墜）cp=（0.3+0.887）/2=0.59

由于可控硅裝置的平均功率較低,給選用主柴油發電機組提出一個問題,即不但要考慮主交流發電機組應供給足夠的有功功率,而且必須考慮到要同時供給足夠的無功功率。

3 電動鉆機泥漿泵的介紹

在電動鉆機中泥漿泵通常選用與絞車同規格型號的電動機驅動，容量足夠大,由于調整范圍大，在低排量時功率顯著減少,泥漿泵通常使用臥式三缸往復活塞泵,該泵具有恒轉矩特性,可以通過更換缸套來調整泵的壓頭和排量,也可以通過調整轉速改變泵的排量,在鉆進過程中,泥漿泵的排量和壓力要根據鉆進的井深和井下情況進行調整,例如:在表層鉆進時,要求泥漿泵有較大的排量,此時泵的轉速較高,即泵的沖數也較高,而深層鉆進時需要高的泵壓和較小的排量,這些條件都對泥漿泵的驅動電機提出較高的調速要求。

4 電動鉆機功率因數的計算

電動鉆機可控硅整流電路的功率因數：

COSΦ≈COS（墜+γ 變/2）

Φ功率因數角

墜可控硅觸發角

γ變變壓器漏抗引起的重疊角（因我們現場使用的可控硅整流裝置沒通過變壓器供電，而是由發電機直接供電）因此不考慮重疊角γ變時：COSΦ≈COS墜

但功率因數COSΦ不僅同電流與電壓的相位差有關也受到電流波形畸變的影響，也就是功率因數與波形畸變系數λ，位移系數COSΦi有關，即：

COSΦ=λCOSΦi

Φi是電流基波分量與對應電壓的夾角。

由上式不難看出，要提高可控硅整流電路的功率因數COSΦ必須增大波形畸變系數λ或減少角位移Φi（也即減少墜值）為了增大波形畸變系數λ就要設法減少高次諧波，增加整流相數可以提高電流中高次諧波的最低次數和降低高次諧波的幅值，進而減少波形畸變，增大畸變系數λ。（這是采用常規功率補償裝置以減少無功功率的方法，這里不作詳細介紹）為了減少角位移Φi（墜）就要減少可控硅觸發角墜，但可控硅整流電路正是依靠改變可控硅觸發角墜來調節可控硅整流裝置的直流電壓輸出，大多數人認為不能采用減少觸發角墜的辦法來提高功率因數，那是因為他們只從電氣方面考慮，而沒有從機械方面綜合考慮，必須指出，可控硅電動鉆機中如果電動機采用恒功率調磁調速，直流電動機在它的額定電壓下調磁調速，可控硅裝置的功率因數較高（在0.85左右），如果對泥漿泵的傳動比作適當改進，在其能滿足鉆井生產的情況下，對泥漿泵的缸套作相應的更換，使泥漿泵驅動直流電機的工作轉速提高到接近其額定轉速，從而能達到改變可控硅觸發角墜的目的。

[1]實用電工電子技術手冊.機械工業出版社.

[2]機械設計實用手冊.化學工業出版社.