鉆機油改電功率補償和變頻傳動技術研究

譚剛強，王 豫，王五一，劉星吾，張 建

（1.川慶鉆探工程公司裝備處，成都610031；2.川慶鉆探公司川西鉆探裝備部，成都610081；3.北京理工大學，北京100081；4.川慶鉆探公司川東鉆探裝備部，重慶631237） ①

鉆機油改電功率補償和變頻傳動技術研究

譚剛強1，王 豫1，王五一2，劉星吾3，張 建4

（1.川慶鉆探工程公司裝備處，成都610031；2.川慶鉆探公司川西鉆探裝備部，成都610081；3.北京理工大學，北京100081；4.川慶鉆探公司川東鉆探裝備部，重慶631237）①

為適應川渝地區復雜鉆井工況，開發了鉆機油改電裝置，包括功率補償裝置和變頻電傳動系統。功率補償裝置采用DQC3000B型無功補償控制器，具有諧振間接保護措施，同時采取功補電容器串聯電抗器的方法，并采取特殊設計確保諧振不會發生。變頻傳動采取恒功率負載類型，滿足驅動要求。針對變頻柜提出電磁兼容規范要求，包括變頻柜內走線、接地和諧波抑制等，同時針對變頻傳動和變頻柜進行諧波抑制分析；對變頻電動機電磁噪聲的產生及技術改造進行了研究。

鉆機；油改電；功補；變頻；研究

為川渝地區開發的鉆機油改電裝置包括功率補償（以下簡稱功補）裝置和國產TGS2變頻器，以較高的性價比滿足了川渝地區復雜鉆井工況要求，并取得了節能減排的效果［1－2］。但是功補、國產變頻器和國產變頻電機之間存在著較為復雜的配合問題，包括功補裝置的并聯諧振、變頻器的電磁兼容和高次諧波的影響，以及變頻電機的電磁噪聲等問題，以及變頻傳動方案與變頻電機參數的確定等。經現場試驗表明，國產功補裝置效果較好，但國產變頻器的電磁兼容與高次諧波抑制較差，需要進一步提高。

1 功補裝置及諧振預防

1.1 功補裝置的不足［3－4］

鉆機油改電功補采用瞬時投切方式即動態補償方式（SVC），通過晶閘管快速完成電容組編碼、任意容量組合和等值容量循環等多種投切控制方式的投切。傳統的功率因數型控制器運行中存在著穩定與補償這一對不可解決的矛盾，尤其是在油改電變頻傳動系統諧波嚴重，但功率因數較高時，無法投入無功補償，導致濾波回路無法使用，甚至無功損耗已很大時控制器卻因功率因數較高無法投入電容器組。鉆機油改電裝置采用的無功功率（無功電流）型的控制器能兼顧線路的穩定性和補償矛盾，使功率因數達到最佳效果，特別是控制器中包括了線路諧振間接保護功能。

1.2 諧振的預防與保護

鉆機油改電裝置諧波源來自變頻器，變壓器電抗和電容有構成并聯諧振的可能性，采取將功補電容器串聯電抗器的方法，使其調諧的諧振頻率低于變頻傳動系統中產生的最低次諧波的頻率，使串聯諧振和并聯諧振都不會發生。根據并聯電容器裝置設計規范的規定，用于抑制諧波時，當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為5次及以上時，電抗率宜取4.5%～6%，IEC的要求為4%。配置功補調諧濾波器時，通常濾波器調諧的頻率只考慮奇數次特征頻率，不考慮3的估算次，即只考慮3、7、11、13、17和19等次數，分合操作時，全部濾波器單元應同時進行。假設要求分開單獨操作，在合閘時，先合5次，再按7次等按上升規律進行；分閘時，則將順序倒過來，即先分斷最高次的。并聯諧振產生的主要現象是電容器中的電壓電流增大，利用微機保護，可實時監測電容柜中的電流，保護的長延時和短延時可設定，可克服快熔和斷路器保護精度及反應時間較慢的缺陷，可有快速有效地避免變頻傳動系統中出現并聯諧振引起的事故擴大。

1.3 變頻傳動系統諧波電流測試

鉆機變頻傳動諧波電流測試原理如圖1，經現場在測量點1和測量點2處進行測試，諧波電流變化不大，說明功補裝置并沒有產生諧振電流，因此可以排除諧振電流對變頻傳動系統的影響。

圖1 變頻傳動諧波電流測試原理

2 變頻傳動

鉆機油改電裝置變頻傳動如圖2所示。

圖2 變頻器傳動原理

2.1 傳動設計

絞車為典型的恒轉矩負載；轉盤不能工作在恒轉矩區；泥漿泵屬于泵類負載，高速時所需功率隨轉速增長過快，不應使泵負載超工頻運行，所以選擇變頻傳動的負載類型為恒功率，變頻電動機的額定轉速不應過高，選擇為500～740r／min。

根據工業性試驗，為適應地方電網電壓峰谷的波動，變頻柜中間電壓設定為600～820V。

在岳101－20－H3井工業性試驗中，電機轉速無法上升到1 000r／min以上，經檢查是中間電壓不穩，波形畸變嚴重，采樣信號失真。經減少采樣點，并修改PID參數后，電動轉速可以上升到1 180r／min。

滿負荷下電機轉速無法上升分析如下：變頻電機功率因數為0.92，效率為0.94，電機功率為

變頻電動機轉速達到1 180r／min，電流為1 100A，電壓為560V，此時變頻電機單機功率為

變頻電動機單機達到最大功率值，在負載不變的情況單機轉速無法再增加，因此需要啟動雙機并機工作。

2.3 變頻柜電磁兼容技術

2.3.1 電磁兼容要求

變頻器應設計為運行在一個可能存在較高的電磁干擾（EMI）工業環境，故應采取減小EMC的措施。

2.3.2 柜內布線

布線時，柜體采取電磁兼容區域原則，即不同的設備規劃在不同的區域中，不同區域在空間上最好用金屬殼或用接地隔板隔離。

按機柜設計走線分開布設的原則對需屏蔽的導線進行屏蔽與隔離，屏蔽線的屏蔽層要良好接地，數字電纜屏蔽層要求兩端接地，模擬電纜在低頻場合其屏蔽層應單端接地，屏蔽線應使用護套（屏蔽層的另外一端可通過100nF／100V電容接地，以提供高頻保護），按信號類型選用組合電纜，加以屏蔽保護。電源線和信號線單獨敷設，避免交叉，不能避免時，必須垂直交叉。絕對不能平等敷設；采用絕緣型電源變壓器（中性點不接地）；縮短線路長度。

長距離走線應放在走線槽內，同一根走線槽內應區別敏感和噪聲電纜，必要時進行分隔，易受干擾的設備采用隔離電感器供電。有高頻通過的電纜應兩端接地且保證是等電位聯結。

2.3.3 變頻柜接地

可在機柜上多接幾次地，對地線進行分類，包括數字地、模擬地、電源地、機殼地和總接地等。變頻柜內信號電纜盡可能從機柜的一側進入，并盡可能接近接地的金屬板。對機柜自身良好接地；走線槽應良好接地，非常敏感的電纜應單獨處理，如單獨套鋼管且鋼管良好接地，走線槽內電纜集中時應加蓋，避免交叉感應，信號線與信號回線盡可能靠近。機柜要接地，但接地不當有可能對信號形成干擾，各機柜信號地應分別接大地。確保傳動柜中的所有設備接好良好。

連線用插頭分類隔開，在模擬與數字靠近處布置模擬和數字的0V線。

使用短和粗的接地線連接到公共接地點或接地母排中，更為重要的是，連接到變頻器的任何控制設備要與其共地，同樣也要使用短和粗的導線接地，最好采用扁平導體（如金屬網）。安裝變頻器時，使用無漆鍍鋅銅板，確保變頻器的散熱器和安裝板之間有良好的電氣連接。

變頻器出線與進線采用屏蔽線并接地，且分開一定距離，進、出線穿金屬管并接地；輸出使用四芯電纜（一芯接地），電機外殼接地，變頻器單獨接地；信號線屏蔽層不接到電機或變頻器的地，而應該接到控制線路的公共端；必要時可采用零序電抗器、電涌吸收器、電涌抑制器，輸入抑制電抗器；使用絞線布線。

2.3.4 諧波抑制

進線電抗器用于降低由變頻器產生的諧波，同時也用于增加電源阻抗，幫助吸收附近設備投入工作時產生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。進線電抗器串接在電源和變頻器功率輸出入端之間。

2.4 變頻傳動諧波抑制技術［5－6］

變頻器運行時電源側和電機側都會產生諧波干擾，對電網和變頻器周圍的其他電氣設備要產生電磁干擾，其電磁噪聲兼容決定噪聲發射和抗擾度。變頻器既是噪聲發射源，可能又是噪聲接受器，如圖3所示。

圖3 變頻器的噪聲電流及其波形

寄生電容Cp存在于電機電纜和電機內部，因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開關翼部通過寄生電容產生一個高頻脈沖噪聲電流Is，使變頻器成為一個噪聲源。由于噪聲電流Is的源是變頻器，因此它一定要流回變頻器。

圖3中，ZE為大地阻抗，Zn為動力電纜與地之間的阻抗。噪聲電流流過此二阻抗所造成的電壓降將影響到同一電網上的其他設備造成干擾。此外，變頻器的整流部分也會產生低頻諧波，導致電網電壓產生畸變。當電網的短路阻抗＜1%時，需加進線電抗器來抑制低頻干擾。對于高頻干擾，如果高頻噪聲電流Is有一條正確的通道，則高頻噪聲可得到抑制。如果使用非屏蔽電機電纜，則高頻噪聲電流Is以一個不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產生高頻分量壓降，影響其他設備。為使高頻噪聲電流Is能沿確定路線流回變頻器，需要采用屏蔽電機電纜。電纜屏蔽層必須連接到變頻器和電機外殼上。當高頻噪聲電流Is必須流回變頻器時，屏蔽層形成一條最有效的通道，如圖4。

圖4 帶有屏蔽電纜的噪聲電流流向

雖然噪聲電流不會在ZE上出現壓降，但在電源阻抗Zn上還會出現壓降，影響其他電氣設備。為此在變頻器輸入端加入無線電干擾抑制濾波器，可大幅減少流回電源的噪聲電流，如圖5。

圖5 噪聲電流的濾波示意

變頻器作為噪聲接受器時，如圖6所示。

圖6 變頻器作為噪聲器示意

變頻器作為噪聲接受器時，高頻噪聲電流Is可通過電勢和耦合電容進入變頻器且在阻抗Zi上產生一個壓降，導致擾動噪聲。最有效的辦法是嚴格隔離噪聲源和信號電纜且信號電纜的屏蔽在兩端接地。如圖7。

圖7 使用屏蔽信號抗干擾示意

變頻器電機采用屏蔽電纜，其屏蔽層的電導至少為每相導線芯的1／10，達到抑制電磁波的輻射和傳導的目的。控制電纜應使用屏蔽電纜，其屏蔽層應直接在變頻器內部接地，另一側通過高頻小電容（如3.3nF／3 000V）接地。當屏蔽層兩端的差模電壓不高和連接到同一地線上時，也可以將屏蔽層的兩端直接接地。信號線和它的返回線絞合在一起，減小感性耦合引起的干擾，絞合越靠近端子越好。模擬信號的傳輸線應使用雙屏蔽的雙絞線，不同的模擬信號線應獨立走線，獨立屏蔽。不同的模擬信號不能置于同一個公共返回線。低壓數字信號線應使用雙屏蔽的雙絞線。

電機電纜應獨立于其他電纜走線，其最小距離為500mm，應避免電機電纜與其他電纜長距離平行走線，以減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按90°的角度交叉，且用合適的夾子將電機電纜和控制電纜的屏蔽層固定到安裝板上。

2.6 電磁干擾對現場總線通訊的影響

在諧波干擾下，現場總線通訊存在偶發性異常狀態，導致變頻電機突然降速。岳101－20－H3井實測表明，PLC通道5為變頻器的啟停信號，運行過程中該通道偶爾會出現毛剌，導致變頻器誤判為啟動信號停止，變頻器停止1s后重啟，造成掉速的現象。經檢測，現場總線屏蔽不良，電磁干擾對網絡通訊造成影響。采用總線屏蔽和軟件啟動信號濾波技術整改后，掉速故障消除。

3 變頻器諧波抑制技術

3.1 變頻器諧波

變頻器供電電源按傅立葉級數可以分解為基波有功電流，基波無功電流，諧波和間諧波電流。變頻器功率較大，用電容器直接進行無功功率補償雖然可以大副度降低基波無功電流，但是必然出現諧波放大現象。為避免諧波放大，諧波治理與無功功率補償必須同時進行，采用就地諧波治理與無功功率補償可以獲得最大的效益。

根據變頻器分類，變頻器供電系統的就地諧波治理與無功功率補償裝置包括含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置、6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置和固定投入各次濾波器的裝置。

變頻器功率因數大于0.97，由于二極管整流橋僅在網壓峰頂開通，對電容器充電，電流波形是導通角較窄的尖鋒。供電電流包含6 K±1次諧波（K＝1、2、3…），諧波含量隨進線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。通常，加電抗器后5次、7次、11次和13次諧波仍然占40%、35%、25%和20%。交－直－交電壓型變頻器不需要補償基波無功功率而需要濾除諧波無功功率，故可安裝固定投入各次濾波器的裝置。為了防止輕載過補償對電網電壓的提升，該濾波器應該具有基波容性抗器，應在設計時考慮諧波發熱和過壓問題。

3.2 高次諧波與濾波

變頻器會產生高次諧波，對輸出影響較大。當變頻器容量接近電源變壓器容量時，高次諧波的影響較大，就必須采用防干擾措施。根據諧波分析，在變頻器電路中不含3次及3的整數倍諧波分量。在三相對稱系統中，3的整數倍諧波可自行消除，可以不考慮，亦無偶次諧波。

高次諧波使電源電壓畸變、電壓質量下降、產生變頻電機電磁噪聲等危害，嚴重時變頻器甚至無法正常工作，可降低變頻器的載波頻率來消除干擾的影響。頻率降低干擾會下降，但噪聲可能要大些，電流波形平滑性要差些。可根據現場調試而定，必須時采用專用的變頻電機。采用進線交流電抗器，出線采用DC電抗器或正弦濾波器；不共用地線，分開供電電源（變頻器，受干擾設備分開供電）。

總之，采用以上對策后，基本可消除高次諧波的干擾或減弱高次諧波的影響。以上諸多措施，只是選其中幾項即可，按現場具體條件、情況而定。按實際運行經驗，高次諧波允許范圍為電機的10%～20%。

4 變頻電動機電磁噪聲

變頻電機的噪聲來源于電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲，其中電磁噪聲占很大比例。如果斷電后高頻噪聲消失，則可判斷為電磁噪聲。經岳101－20－X3井現場實測，當變頻電機轉速達到1 180r／min時變頻電機噪聲明顯高于風機噪聲。經突然斷電證實，變頻電機噪聲為電磁噪聲。

經分析，變頻電機定子鐵芯呈薄壁圓環形，剛性較差，在磁場作用下沿徑向發生變形和周期性振動而產生電磁噪聲。電機氣隙磁場的高次諧波分量的徑向力也作用于定子鐵芯上，使定子產生徑向變形和周期振動。對于高次諧波，定子鐵芯的徑向變形振動是引起電磁噪聲的主要原因。定子鐵芯不同階次的變形，有不同的固有頻率，當徑向力波的頻率與鐵芯的某個固有頻率接近可相等時，因共振而產生較大電磁噪聲。

根據電機定、轉子的槽配合，對電機的各次諧波產生的徑向力波頻率進行計算，可得出一定定子諧波次數下力波的次數和力波頻率值。應用有限元件對定子鐵芯的振動進行模態分析，可計算出頻率，如圖8。

圖8 變頻電動機定子鐵芯模態分析

分析計算結果表明：對于電機槽配合而產生了相應的2次和4次徑向力波，當電機運行在一定的電源頻率時，定子鐵芯的某階振動頻率與力波頻率接近，這個徑向力波引發定子鐵芯的共振而產生高頻電磁噪聲。通過噪聲分析可知，最大噪聲對應的頻率位于固有頻率與力波頻之間。

電磁噪聲降低的措施包括適當的槽配合、合理的氣隙磁密及合適的繞組節距。通過對轉子的多種槽配合進行徑向力波分析計算，可找出消除1、2、3、4、5次徑向力波、避免定子鐵芯發生共振從而大幅度降低電磁噪聲的槽配合參數。由于徑向力與氣隙磁密的平方成正比，振動的幅值與徑向力成正比，聲功率近似與振動幅值的平方成正比，所以降低氣隙磁通密度，可有效降低徑向力幅值及噪聲，采取增加繞組匝數的方法可一定程度降低氣隙磁密度。通過調整繞組節距減小磁動勢波形中的諧波含量，具體方法是調整短距比。

綜上所述，變頻電機定轉子槽配合的合理選擇對降低電磁噪聲具有決定性的意義，為設計出低噪聲的變頻電機，必須對槽配合和定子鐵芯的共振特性進行綜合分析。

5 結論

1） 采取無功型補償控制器，可克服功率因數型控制在較高的功率因數下無法投入的缺陷。

2） 采用電容加串聯電抗器并將其調諧的諧振頻率低于變頻傳動系統工程產生的最低次諧波的頻率，可有效避免并聯和串聯諧振電流的產生，經工業性試驗，達到設計目的。

3） 變頻器和變頻電機是諧波發射和接收源，國產變頻器由于未采取有效的電磁兼容和高次諧波抑制措施，導致掉速、跳閘、編碼器不能正常工作以及速度無法上升等故障，電磁兼容和高次諧波抑制整改是一個系統工程，國產變頻器與ABB和西門子變頻器在電容兼容和高次諧波抑制方面差距較大。應用本文所述技術進行整改后，TGS變頻器縮短了與進口變頻器在這方面的差距，滿足了現場鉆井工藝要求。

4） 變頻電機電磁噪聲是由于本身固有振動頻率未避開變頻器諧波，當諧波電流達到一定值時導致變頻電機電磁噪聲高于風機噪聲。通過對電機的定轉子的槽配合和繞組匝數重新設計，同時對變頻器高次諧波進行抑制，才能有效避免電磁噪聲的產生。

［1］ 譚剛強，王 豫，沈凡兒，等.鉆機油改電技術與鉆井工藝適應性研究［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：29－33.

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［6］ 張 永.變頻器諧波產生原因與抑制方法［J］.電氣技術，2010（2）：62－64.

Resaerch of Reactive Power Compensation and Variable Frequency Drive of Oil Rig

TAN Gang－qiang1，WANG Yu1，WANG Wu－yi2，LIU Xing－wu3，ZHANG Jian4
（1.Equipment Department，CCDC Drilling Engineering，Chengdu610031，China；2.Equipment Department，CCDC Chuanxi Drilling Company，Chengdu610081，China；3.Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；4.Equipment Department，CCDC Chuandong Drilling Company，Chongqing631237，China）

The diesel driven to electrically drive device of oil rig consists of SVC and VFD system.The SVC has the syntony preventive step by DQC3000Bcontroller.It takes the series－wound technology of capacitor and reactor，and special design was adopted，so no syntony happens.The VFD system can meet the driving requirement because it takes constant power load.And it advances the EMC criterion come down to wiring and grounding and harmonic suppression in transducer box.And the harmonic suppression was analyzed，aiming at the VFD and the transducer box.And the producing reason and correction technology was studied about the electromagnetism noise of the frequency conversion motor.

rig；diesel－driven－to－electrically－drive；reactive－power－compensation；variable－frequency；research

1001－3482（2012）01－0014－06

TE922

A

2011－09－28

中石油川慶鉆探工程公司2010年鉆探科研項目（2010科通字第105號）

譚剛強（1961－），男，湖南湘潭人，教授級高級工程師，主要從事石油裝備管理工作。