交流變頻電動機及其控制系統在石油鉆井中的應用

孟憲剛

中原工程有限公司鉆井二公司，中國·河南 濮陽 457001

1 引言

在當前社會經濟快速進步與發展的過程中，對能源需求總量在不斷增加，所以石油開采作業工作量也在隨之增加。但是，隨著當前石油開采環境變得越來越復雜，開采工作難度也在不斷提升。對于石油開采作業來講，使用交流變頻電機能夠讓作業效率變得更加高效，因此為了能夠使石油開采作業的工作效率得到進一步提升，針對交流變頻電動機以及控制系統在石油鉆井工作中的應用進行探討與論述是非常有必要的。

2 交流變頻電動機的特點

對于交流變頻電動機來講，因為其本身屬于一種特殊的變頻電動機，所以在應用過程中相較一般的變頻電動機來講，會具有一些特殊優點。

第一，對于交流變頻電動機來講，設計過程中使用的絕緣材料是能夠對變頻器諧波突破進行抵抗的特殊材料，大大提升了交流變頻電動機的使用性能。

第二，對于交流變頻電動機來講，結構的設計與電磁設計相較普通的變頻電動機要更加特殊。因為在石油鉆井工作中所應用的交流變頻電動機和直流鉆機以及機械鉆機相比，可以在實際工作過程中更好地適應當前石油鉆井對工藝所提出的更高要求，而且能夠在工作時通過使用交流變頻電動機使鉆機的機械結構得到進一步簡化，降低在鉆機機械保養工作中的工作量以及保養工作頻率，使得設備使用的安全性和可靠性都得到了提高。

除此之外，對于交流變頻電動機來講，因為所使用的材料更加先進，所以質量是非常輕的，而且體積也比較小，在使用的過程中不容易出現故障問題，在石油鉆井工作中應用交流變頻電動機，能夠大幅度提升石油鉆井工作效率。

3 交流變頻電動機控制系統

對于交流變頻電動機來講，在工作過程中控制系統作用的發揮是依托發電系統以及控制網絡和交流傳遞系統所組成的，為了能夠使交流變頻電動機的實際應用效果得到真正發揮，需要對控制系統進行深入分析，這樣才能夠更好把控工作中所出現的問題。因此，在論文論述內容中，將對整個控制系統進行拆分講解，從上述三個子系統對整個控制系統進行論述，對各子系統的功能以及工作模式進行探討，從而使交流變頻電動機在石油鉆井作業中的應用效率得到提升，保障石油鉆井作業的工作安全性。

3.1 發電系統

在交流變頻電動機當中，電氣控制主要可以分為兩種系統，但是這兩種系統在實際應用過程中所發揮的作用都是相同的。在實際應用的過程中發電系統的電氣控制，主要是對發電機運行過程中所產生的勵磁電流以及發電機的轉速進行合理調控。通過兩者進行合理應用，能夠保證發電機實現50Hz的穩頻以及600V的穩壓，確保在整個系統運行過程中電流的穩定性，使發電機作為整個石油鉆井作業中井場正常運行所需的穩定電源。同時，對于發電機的控制電柜來講，還擁有并網控制電路，能夠針對多臺電機進行并網核查操作。對于交流變頻發電機來講，在使用的過程中根據工程項目的實際現狀，選擇兩臺或者是兩臺以上的交流變頻電動機，那么在實際運行過程中負荷需要均勻分配，從而保證負荷轉移的平穩性，這樣才能夠使電動機在運行過程中所產生的沖擊得到合理分配，不會增加鉆機的負荷。

此外，對于整個發電機的控制裝置來講，除了擁有上述功能之外，還能夠發揮限制功率以及短路保護和過頻保護等相關功能，可以使整個發電過程更加平穩安全[1]。

3.2 控制網絡

在當前的石油鉆井作業過程中，每一個石油鉆井應用交流變頻電動機都擁有相應的司鉆控制室。在司鉆控制室控制工作當中，常用的控制系統分別是數字控制以及模擬控制這兩種。從整個控制系統的實際運行功能來看，在控制工作發揮作用的過程中，能夠對石油鉆井作業中的絞車實現無級調速并對加速度閉環進行控制，同時還可以對系統位置以及自動送轉等各項功能進行優化配置。另外，在控制工作中還能夠通過顯示屏以及觸摸屏對整個控制系統當中的各項設備開展遠程動態監控，從而保證交流變頻電鉆機使用過程中的穩定性和安全性。

除此之外，PLC控制系統是交流變頻電動機使用過程中的主要控制系統之一，對于該系統來講，可以通過數據采集單元針對整個編程控制器進行科學處理，然后依托顯示屏以及觸摸屏等人機界面，使石油鉆井作業過程中的鉆機壓力、懸重、井深以及泥漿液等相關信息得以顯示，然后以此為基礎判斷鉆機工作狀態，并及時采取相應的措施對專題作業狀態進行調整[2]。

3.3 交流傳動系統

3.3.1 交流傳動系統

該系統當中的驅動控制系統是由多個變頻柜所組成的，在實際操作的過程中，該變頻柜可以將50Hz恒壓以及600V電壓變成0～750V的，能夠進行連續調控的交流電壓，從而使鉆井作業過程中的鉆井泵以及轉盤得到驅動，然后通過1拖1或者是1拖2的方式來實現整個驅動控制系統的運轉。對于該系統的轉盤和轎車來講，應用的過程中是需要保證擁有反轉功能的，所以在對扭矩調整的過程中，調節的范圍是不進行具體限制的，能夠實現0～100%任意區間內的轉動。在石油鉆井作業過程中，越來越多的先進變頻器已經被應用在石油鉆機當中，而且所取得的實際應用效果顯著，所以在石油鉆井作業過程中，需要對先進的變頻器加強應用和推廣，從而更好地為當前的油田鉆井工作服務[3]。

3.3.2 自動送鉆變頻柜

對于該變頻柜來講，可以將50Hz恒壓以及400V電壓，變成0～400V的交流電壓，在此過程中可以針對交流電壓進行連續不斷地調整，從而保證在送轉的過程中可以通過1拖1的驅動方式，使整個送鉆電動機操作得以順利實現。因為在石油鉆井送鉆的過程中，若想實現自動送鉆那么就需要采用恒壓的方式，這樣才能夠保證自動送鉆得以實現。在送轉的過程中需要保持恒定的速度完成該作業，同時送鉆系統還需要實現正反轉功能，從而使送鉆過程中所需的鉆具以及井架進行收放。

3.3.3 控制單元

控制單元是在變頻房以外的制動電阻運行過程中所發揮作用的單元。具體的功能如下：如果在實際工作過程中需要針對鉆井作業中的絞車進行制動，那么此時交流變頻電動機會進入到發電狀態，從而使電動機能夠形成和旋轉方向相反的制動力矩，使機械能變為電能，然后再通過逆變器使電流能夠傳輸到直流母線當中。

在整個控制工作中，若是最高閥值要比直流母線上的電壓數值小，那么自動控制單元就可以實現與制動電阻的自動連接，從而保證電容器和直流母線當中存在的多余電能能夠以熱能的形式進行消耗。這一消耗過程主要是為了保證直流母線上的電壓能夠在實際使用過程中保持恒定不變的狀態，所以這種制動控制方法又被稱為能耗制動。相較傳統的制動方法來講，這種能耗制動方法要更加快速，因為在整個制動的過程中都是依托于自動控制系統所實現的，所以能夠快速響應相關指令，在工作過程中既降低了因時間所出現的誤差，同時還可以降低在工作過程中的勞動量。

4 結語

綜上所述，在當前中國石油開采技術水平快速提升的過程中，石油鉆井作業所處的工作環境也變得越來越復雜，所以鉆井工藝要求變得越來越高。在實際工作過程中，通過鉆井的方式施工，很難滿足鉆井工作要求，這就需要增強對交流變頻電動機的使用，這也符合當前中國鉆井作業的大環境。

從近些年來的實際發展情況來看，石油鑒定作業中，交流變頻電動機的應用已經變得越來越普遍，而且在應用過程中所展現出的實際效果也變得越來越突出，所以交流變頻電動機的應用是擁有廣闊前景的，對于石油鉆井作業來講，需要對交流變頻電動機的應用進行深入研究及探討，從而更好地發揮交流變頻電動機在石油鉆井作業中的應用效果，推動中國石油鉆井工作水平提升。