針對石油鉆機變頻器故障診斷方法研究

張國輝,梁長征,管錫明

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 402160； 2.中國石油集團渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津 300450；3.中國石油集團長城鉆探鉆井一公司，遼寧 盤錦 124010）

變頻器在石油鉆機不同作業系統中的應用,能夠在有效滿足起重和要求的同時，改良機械平均節能概率，在實現作業過程自動化的同時，延長機械設備使用壽命，避免機械設備故障對作業效率、水平產生的影響，確保石油鉆機能夠安全、穩定地運行。變頻器容易在結露、腐蝕、粉塵與高低溫等復雜條件的自然與EMI、過壓與過流等電磁環境條件下出現開路故障，可能造成石油鉆機異常停機等不可估算的巨大經濟損失。故障診斷利用ES、ANN、Fuzzy 數學和FTA 故障樹分析法等不同檢查和測試方法，檢測石油鉆機變頻器的運行狀態，及時發現石油鉆機不同作業系統的異常運行狀態，分析變頻器開路故障出現原因，對變頻器未來運行狀態進行預判。

1 石油鉆機變頻器應用過程中的電壓波動解決

為提升變頻器應用過程中的安全性和穩定性，需要建立石油鉆機變頻器與智能監控系統間的通信連接，通過遠程數據監控，搭建智能監控數據中臺與石油鉆機變頻器間的工業級無線DTU 數傳終端連接橋梁。通過DTU應用實時監控變頻器運行狀態，及時反饋變頻器運行信號與開路故障，考慮到接收和傳輸過程中，關鍵信息需要承受的噪聲和干擾，需要在采集信號后，應用成熟的電源端控制、負載端控制電壓波動解決方法處理信號，可以將此過程作為SSA-ICA 盲源分離處理基礎，在已知信號源關鍵性能指標與信號信道傳輸影響參數的前提下，提取噪聲信號、離散時間序列等觀測信號，將上述信號錄入觀測處理系統后，實現對盲源信號的盲源分離去噪處理，并以此為電壓波動解決基礎。

按照一般經驗來講，由于石油鉆機變頻器直流母線電壓為電源電壓的倍數值。因此，在變頻器運行過程中，直流母線電壓的允許范圍需要達到一定過壓、欠壓檢測范圍，才能實現對變頻器運行狀態的邏輯檢測。通常電氣傳動變頻器在石油鉆機的現場應用，需要滿足足夠的電壓的穩定度，電壓需要在額定電壓正負10%間的范圍內波動，符合10%的欠壓容量，一旦出現直流母線電壓低于設定閾值的情況，便于采取相應保護措施，避免石油鉆機發生故障性損壞。為了解決石油鉆機變頻器應用過程中的電壓波動問題，應當在處理完畢信號后，通過引進基于鏡像電流源檢測法的快速過流和短路保護方案，在直流母線電壓產生波動性動態變化階段，對電源的異常電壓輸出及時故障診斷，并且，將診斷數據作為石油鉆機變頻器反饋信號電壓波動解決的第一手依據。在消除變頻器反饋信號電壓波動過程中，可以參照基爾霍夫電流定律，對石油鉆機變頻器的電壓進行計算。

2 石油鉆機變頻器作業異常信號特征提取

石油鉆機變頻器經常受到高生產負荷和惡劣生產環境的干擾，而產生運行故障，繼而影響作業如常進行。在上述研究基礎上，為了深度了解石油鉆機變頻器作業異常形式，需要利用智能型自動化嵌入式電壓傳感器終端和磁傳感器等，針對變頻器模塊燒損、過電流、電壓故障特征進行掃描，根據故障識別數據進行故障歸類，在掃描變頻器模塊過程中，提取變頻器作業過程中的異常信號特征。大多數情況下，石油鉆機變頻器發生作業異常時的模塊故障，通過不同的故障表現，并不局限于主電源端子、短路、開路問題，可能存在端子與主端子間的短路觸發情況。例如，在石油鉆機變頻器作業時，單一模塊通常由1 個逆變H 橋和4 個IGBT 功率管驅動，每個功率管并聯1 個吸收電容，對應來看，石油鉆機變頻器故障的異常信號特征至少存在15 種表現形式，一旦石油鉆機變頻器發生IGBT 逆變模塊燒損時，應當重點針對功率管驅動進行檢查，避免器件再次損壞，可以利用MATLAB R2020a 軟件中的SCOPE 波形提取工具，將仿真波形提取到FIGURE，通過左右坐標處理，完成圖像雙坐標軸基本處理。

將IGBT 高功率密度石油鉆機變頻器運行中的故障狀態錄入數據輸入終端，利用成熟的線性盲源分離算法Fast ICA，快速完成批處理、分析混合后的信號，在應用過程中，為模擬IGBT高功率密度石油鉆機變頻器故障，采用SIMULINK 中的MATLAB Function 函數生成SPWM 波形模塊啟閉程序，在此基礎上，調整PRG、功能碼后，等待并按動ENTER 鍵，直至修改為50Hz 的輸出頻率為止，確定后再次調整PRG，讀取TOFILE4 生成的二進制文件，返回后查看不同IGBT 逆變模塊的輸出電壓數據。在執行上述操作過程中，需要確保故障集中包含至少10 個帶有標簽的數據集，在讀取數據集過程中，每類數據集故障樣本的數量、length、hp、故障程度，應當滿足遷移診斷的靈活選取需求，每個數據集涉及到100000×1列矢量數據，針對矢量數據結構，通過Fast ICA 遺傳神經網絡算法展開運算。由于獨立分量估計包含一定程度的信息，需要基于獨立分量進行估算，在特征向量提取過程中，需要針對變頻器的混合信號進行Fast ICA分離處理，選取包含關鍵故障信息的獨立分量進行估算，得出不同信號的獨立分量總量，提取故障信號特征參數，繪制ICA 故障特征信號波形圖，確定故障類型和特征。

3 石油鉆機變頻器故障診斷方法

3.1 變頻器開路故障診斷

相對短路故障，變頻器開路故障不易被發覺，但危害性較為巨大，假如不能及時發現和處理，容易發生過流故障，引起變頻器轉矩縮小、過熱和絕緣損耗等機械事故。石油鉆機變頻器處于正常運行狀態中，電流波形呈現出正弦、余弦曲線，曲線位置不同，周期范圍內，電壓和電流的的周期平均值必然為0。如果石油鉆機變頻器產生開路故障，那么，電壓和電流的周期平均值必然非0。

基于故障診斷經驗來講，可以將有可能存在的故障逐一列出，通過總結和歸納出故障發生規律，建立故障數據庫，在發生故障階段，需要詳細觀察故障情況，通過查詢數據庫判斷變頻器故障發生類別，在故障模態與正常的變頻器運行狀態存在高相似度的前提下，往往難以精準匹配數據，這是專家系統法相對其他故障診斷方法的劣勢。ANN、Fuzzy 數學、ANFIS 和FTA 故障樹分析法等不同檢查和測試智能算法，大量應用于變頻器開路故障診斷中，取得的診斷效果較為顯著，其中，在三相定子電流的故障診斷與分類過程中，可以積極應用上述智能算法，獲得故障特征關鍵信息，通過在系數中的體現，識別故障狀態，繼而在仿真驗證過程中，將故障的判別失誤概率控制在<5%范圍內。

為了有效診斷變頻器開路故障，在上述兩部分內容的基礎上，電流檢測法最為常用，通過派生引進Park矢量法進行檢測，在診斷過程中，主要以歸一化Park矢量法，設定三相定子電流在同一基波間隔內的平均值ya、yb、yc，根據負載大小對電流完成歸一化，運用基于歸一化平均電流Park 矢量法，完成正常及容錯運行條件下的開路故障診斷，實時對ya、yb、yc的轉換處理，避免在動態處理過程中發生誤診斷，運算過程如以下公式所示：

如式中所示，轉化后的石油鉆機變頻器開路電流分量已經出現，原始為ya，轉化后為yβ。在計算周期范圍內電壓和電流的平均值過程中，運算過程如以下公式所示：

式中，N 為模值、相角，n 為電流均值，i 為周期范圍內作業矢量。

完成上述針對變頻器開路電流分量均值μ的計算后，根據計算所得結果，完成變頻器開路故障的判斷，求出三相定子電流直流分量的平均值，運算過程如以下所示：

在計算過程中，需要明確石油鉆機變頻器運行狀態的正常，變頻器能夠在無損條件下運行，平均電流和平均電流矢量值均為0。假如在故障診斷過程中，發現晶體管存在短路或漏電的情況，發生驅動開路故障，則石油鉆機變頻器a 相中的負極斷開，等于直流電路被切斷，線路中并未通過電流，而b/c 兩相電流將產生直流成分。一旦驅動電源管短路失效，變頻器三相電流的相位差將造成三相間電流相互抵消，Park 矢量不再為0。當Park矢量模值大于一定閾值時，可以根據相角所屬具體區域，判斷IGBT 功率管是夠存在明顯的故障，繼而，在此技術上，進行故障功率的失效程度，定位IGBT 功率管的失效位置。通過判別Park 矢量的相角和模值對發生開路故障的功率管進行定位，能夠實現基于Park 矢量法的石油鉆機變頻器開路故障診斷，在診斷過程中，并不需要對開路障礙進行數據學習，極大程度上減少運算量，在完成故障診斷方法設計的同時，大幅度提升對故障的診斷準確概率，有力解決負突然增加或突然減少條件下，造成的誤診斷。

3.2 診斷結果與分析

建立基于MATLAB/Simulink 的控制系統的德國DSPACE 實時仿真平臺，采用國產奧圣75 千瓦石油鉆機變頻器（ASB530H-0.75G-MH）。為了充分驗證文章提出故障診斷方法的有效性，可以通過DSPACE實時仿真平臺，對變頻器進行控制板功能平行代替。通過仿真變頻器正常運行狀態下的開路故障，建構DSPACE 和變頻器功率單元電氣接口，為了保證診斷結果的客觀性，需要通過DSPACE 實時仿真平臺搭建實驗，使用集成的空間矢量脈寬調制單元、AD 和DA 轉換單元，實現該方法診斷結果與MATLAB/Simulink 控制系統無縫銜接。

在故障診斷過程中，采集ASB530H-0.75G-MH 型號奧圣75 千瓦石油鉆機變頻器的運行信號，及時解決變頻器應用過程中的電壓波動問題，消除電壓波動后，精準提取變頻器故障信號特征，以COIMBRA 大學的電流檢測法中的平均電流歸一化PARK 矢量法，完成對變頻器開路故障的診斷與分析。結果為“1”代表存在故障，結果為“0”代表不存在故障。

4 結語

石油鉆機是重要的生產機械設備，隨著石油油田鉆井井深的持續變化，鉆機鉆桿的長度逐漸增加，隨之而來的是，石油鉆機面臨逐漸升高的電氣傳動系統性能要求。大多數情況下，變頻器（VFD）集成變頻技術與微電子技術，通過一次側主回路完成對電能的轉換，輸出調壓、調頻電源，不僅產生調壓、穩頻作用，同時充分利用二次側控制電路完成基本管理控制指令的高級處理。為了實現對石油鉆機變頻器的故障做出及時、準確的分析和檢測，避免因為開路故障導致的驟然停機，需要在石油鉆機不同作業系統不停機的前提下，做好變頻器的性能運維，以此延長石油鉆機變頻器的運行時長。