變頻器在電動修井機上的應用

劉健，田恒，陳楠

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280）

應用交流變頻調速系統的電動修井機具備安全可靠、調速平滑方便、節省電能等特點，但受修井機運行時負載逐漸減小、只在少數時刻需要大轉矩等因素的影響，電動修井機交流變頻調速系統存在的功率浪費嚴重的問題日益受到業界重視。盡可能的解決這類問題，正是本文圍繞變頻器在電動修井機上應用開展具體研究的原因所在。

1 變頻器在電動修井機上的應用思路

1.1 變頻器類型的選擇

電動修井機上應用的變頻器可以細分為交-直-交變頻器和交-交變頻器，其中交-直-交變頻器在我國工業領域有著較為廣泛的應用，這是由于其具備逆變控制簡單的優勢。此外，變頻器還可以按照控制方式、用途進行劃分，按照前者劃分可以將變頻器分為SF控制變頻器、U/f控制變頻器、矢量控制變頻器，而后者則能夠劃分為專用變頻器、高頻變頻器、通用變頻器、高壓變頻器等。

1.2 交-直-交變頻器的選擇

本文的研究主要基于交-直-交變頻器在電動修井機上的應用來展開。主電路與控制電路屬于交-直-交變頻器的主要構成，這里的主電路還能夠細分為逆變電路、中間直流部分、整流電路。為滿足電動修井機的自動控制需要、解決傳統交流變頻調速系統存在的不足，本文研究選用了ABB公司ACS880-01-246A型號的110kW變頻器，該變頻器屬于高性能、多功能的通用變頻器，其具備的無速度傳感器矢量控制功能、電機參數自動檢測功能、自動節能運行功能屬于主要優勢，由此實現的高轉矩及高精度控制、各種運行條件的最佳控制，使得ACS880-01-246A型號變頻器能夠較好的滿足電動修井機自動控制的需要。

2 應用變頻器的電動修井機自動控制系統結構

2.1 控制電路

圖1為應用變頻器的電動修井機自動控制系統的主電路圖，圖中的 VVVF、M0、M1、M2、M3、M4分別為變頻器、三相交流多極感應電動機、驅動液壓鉗油泵、驅動剎車油泵、風機電機（M0散熱用）、空氣壓縮機，而QM1-QM7、KF0-KF4則分別為各支路斷路器與各自電動機支路的熱繼電保護器，QM0為主電路總斷路器，T1、P1、WKQ、S6分別為兩相交流變壓器、三相電能表、智能型溫控器（保護電動機）、電壓轉換開關。深入分析圖1不難發現，應用變頻器的電動修井機自動控制系統控制電路可細分為變頻器指令動作控制電路、通訊電路、模擬量采集和處理電路、保護電路，其中變頻器指令動作控制電路主要負責為主電動機供電，通訊電路則負責變頻器、PLC以及文本顯示屏的通訊，保護電路包括保護、故障復位、指示燈報警電路。

圖1 應用變頻器的電動修井機自動控制系統主電路圖

2.2 運行方式

本文研究的應用變頻器電動修井機的自動控制系統主要通過帶動絞車轉動，實現懸掛油管主鉤起升和下放動作的控制，變頻器驅動三相交流多極感應電動機M0屬于系統的主要工作部分，變頻器驅動采用了U/f控制方式，并具備自動與手動的兩種操作模式，為避免出現燒毀變壓器的問題，系統在投入前，需要做好功率限制值的設定。

3 變頻器在電動修井機自動控制系統中的具體應用

3.1 控制方案

考慮到首次提升需要較大力矩，以及運行過程中負載逐漸減小的電動修井機的負載特點，采用電動機運行恒功率段調速的方式進行電動修井機的控制，由此結合負載實際輸出大轉矩或提高轉速，即可有效減小電機體積、實現功率的充分利用。相較于傳統的交流變頻調速系統，本文研究的電動修井機自動控制系統，具備更為優秀的自動控制功能，在變頻器的支持下，系統能夠結合負載的大小，實時調整電動機的運行速度，由此即可實現電動機的容量和能力的最大化利用，這種基于自動恒功率運行的電動修井機自動控制系統，也因此具備能夠自動識別負載情況、充分利用三相交流感應電動機優勢、較好保護油井電源變壓器等優勢。

為實現電動修井機電動機恒功率的運行，電動機實測電流這一依據必須得到重視，結合電動機功率表達式不難發現，電流的變化能夠代表電動機的功率變化趨勢，而結合三相交流多極感應電動機的特點，具備一定無功補償作用的變頻器屬于其中的關鍵，因此選擇了變頻器輸入端電網電流作為電動修井機自動控制系統的自動控制加減速的依據。

3.2 控制原理

實現主電動機的啟動、停止、正轉、反轉、調速、保護、報警，需要得到PLC與變頻器的通訊控制支持，而U/f控制模式則能夠結合油田修井作業機的工作實際，而且電動機運行的整個頻率范圍劃分為高、中、低3段，通過不同的開關量選擇，因此電動機的控制流程可以簡單描述為：“電機運行→最大允許輸出功率→加/減速→最大運輸輸出功率→電機停止”。值得注意的是，本文研究的電動修井機自動控制系統具備自動模式與手動模式共兩種控制方式，其中自動模式采用PLC實現控制，這是由于PLC具備可以調用無數的繼電器線圈指令、可實現參數集成顯示、運算速度較快等優勢。而對于手動模式來說，選擇了使用通訊方式讀取電位器數值的讀取給定頻率方法，由此將原分壓制作為最大速度檔頻率的給定電壓值，即可滿足電動修井機自動控制系統的自動控制需要。

3.3 變頻器通訊協議的應用

為保證變頻器較好服務于電動修井機自動控制系統，變頻器通訊協議的應用必須得到關注。本文研究的電動修井機自動控制系統選用了ABB公司ACS880-01-246A型號的110kW變頻器，由于該變頻器內置了RS485、RS232C兩個接口，因此確定了表1所示的變頻器參數設置，表1的確定是由于RS485接口能夠實現一臺計算機的32臺變頻器控制，因此選用RS485通訊(表1)。

表1 變頻器參數設置

結合ABB公司ACS880-01-246A型號的110kW容量變頻器通訊數據編碼的特點，選擇了ASCII碼形式進行數據通訊，其中HD、IN、OP、DT、SUM、EN分別為開始代碼、變頻器編號、指令代碼、數據、檢驗和終止碼，如系統的終止碼為0DH，指令代碼與變頻器面板上調用修改的指令代碼一樣，而開始代碼則為2AH。值得注意的是，為提高電動修井機自動控制系統的穩定性和安全性，變頻器會對接收的通訊數據進行檢驗，只有確定數據正確無誤才會使用和執行。

3.4 實驗驗證

自動控制實驗主要圍繞PLC和變頻器通訊對三相異步電動機進行控制展開，而負載實驗則圍繞整個電動修井機自動控制系統，整體配合作業過程的展開，通過實驗可確定本文研究的電動修井機自動控制系統能夠根據負載的變化進行恒功率的自動控制，調速的平滑性優秀、基本沒有震蕩，且能夠快速性調速，屬于電動修井機自動控制系統所具備的優勢，由此可直觀了解本文研究所具備的較高的借鑒價值。

4 結語

綜上所述，變頻器能夠較好服務于電動修井機，在此基礎上，本文圍繞電動修井機自動控制系統，開展了控制電路、運行方式、控制方案、控制原理、變頻器通訊協議等內容的論述，提供了較高可行性的電動修井機變頻器的應用思路。為了更好地推動油田領域的發展，如何引入性能更為優秀的變頻器，也應得到業界人士的關注。