变频器在泥浆泵上的应用一、引言
泥浆泵是油田钻机最主要的设备之一，它的正常运转和工作效率直接关系到油井的经济建设和成井率。由于其钻井工艺的特殊性，对泥浆泵的电控设备要求特别苛刻，特别在变频器选用上非常谨慎，长期以来一直是国外产品的天下。由于国外变频器存在价格昂贵，调试周期长，维修周期长的特点，油田上因变频器故障得不到及时维修 , 造成质量事故的现象时有发生。在这种形式下，我公司自主研发了可替代进口机的专用变频器。该变频器体积小，重量轻，便于安装、调试、维护方便,效率高，性能稳定。变频驱动泥浆泵较传统机械驱动有以下优点：节能，操作简单，无级调速，控制精度高，工作效率高。变频技术在油田钻机泥浆泵上的开发应用，不仅提高了钻机的水平，改善了钻机的操作性能，更重要的是加强了钻机的作业能力，提高了钻井效率和质量。
二、泥浆泵循环工艺
在钻井过程中，共分为起落井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。主要设备分为绞车，转盘和泥浆泵等。而泥浆泵则相当于整个钻井设备的心脏，它所输出的泥浆的作用类似于人体内的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入，流过钻头后，再从钻杆和井壁的缝隙自下而上流出，在这一过程中，泥浆协助钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑，而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力，以避免井喷，象血液在人体内循环一样，运送营养，带走废物。泥浆泵的压力和冲数分别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。
三、技术改造方案
泥浆泵是钻机的主要组成部分，一旦泥浆循环系统不能运行，不但影响生产，造成巨大的经济损失（如卡钻），还有可能威胁到现场生产人员的人身安全（如井喷），所以对泥浆驱动系统要求具有极高的可靠性。 我公司是国内最早研制变频器的公司之一，具有大功率变频器多年成功运行的生产经验，且性价比高。根据 “经济、高效、可靠”的原则，胜利渤海钻井公司选择了我公司生产的风光牌 JD - BP33 - 1200Z（ 1200KW/600V ）变频器，该变频器采用单元并联结
构，三电平技术，PLC 控制，具备完善的保护功能，自动化程度高。 3.1、泥浆泵供电系统组成框图
该系统组成框图如图 2 示。 3.1.1、柴油发电机组参数
型号 3－1FC6 566-4LA92 额定容量 1900KVA 额定电压 600V 额定电流 1830A 额定频率 50Hz 功率因数 0.7
3.1.2、变频调速异步电动机参数
型号 YJ13×4 额定功率 1200KW 额定电压 600V 额定电流 1354A 额定转速 1000 r/min 额定频率 50.5Hz 功率因数 0.9 冷却方式 强迫风冷 3.1.3、泥浆泵参数
型号 F-1600 额定功率 1193KW 齿轮速比 4.206：1 冲数 120 r/min
缸套直径 mm 180 170 160 150 140 压力 MPa 23.1 25.9 29.2 33.2 35.0 3.3、JD-BP33-1200 变频器主要性能指标
额定功率 1200KW 额定输入电压 600VAC 3 相 允许电压波动 ±20% 额定输入频率 50Hz 允许频率波动 ±5% 额定输出电压 600VAC 3 相 额定输出频率 50Hz 额定输出电流 1354A
过载能力 1.5 倍电流 1 分钟
过流保护 1.8 倍电流立即保护 工作方式 连续 3.4、JD-BP33-1200 变频器主要技术性能
3.4.1、单元并联技术：1200KW/600V 变频器由八个完全相同的变频单元组成，八个单元并联输出，如图 3 所示。
图 3 八单元并联接线图
由于均流电抗的作用，强制八个变频单元的电流相等。这种方法与功率器件直接并联得到大容量输出相比，有如下优点：
a.功率器件直接并联运行，要求并联的器件参数一致性好，同时对于装配工艺要求相当高，而采用单元并联，由均流电抗完成均流作用，可以不要求器件选配，同时对装配工艺的要求简单的多。只要均流电抗选择合适，可以很容易将均流误差限制在 5%之内，这是器件直接并联难以达到的结果。
b.器件直接并联的容量与器件容量之和相比并不相等，即器件并联时必须降额使用，并联数目越多，降额越大，当并联数量达到一定数值之后，增加并联器件数量，对增加容量作用甚小，即是说，器件直接并联，其最大容量数值是有限制的。 c.单元并联，则无上述限制。这台 1200KW/600V 变频器采用八个变频单元并联输出，各单元电流的差值在 5%以下，均流系数为 0.96。由此，采用同样的器件，用单元并联的方法可以得到比器件直接并联更大的输出。 3.4.2、三电平技术
在 PWM 电压型 380V 级变频器中，一般采用两电平电路。若用两电平电路实现 600V的输出，势必要用昂贵的高压管或采用低压管串联结构，由于器件串联动态均压问题不易解决，应尽量避免。在 1200KW/600V 变频器中，逆变电路部分采用三电平电路或称中点箝位（NeturalPointClamped—Npc）方式, 它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目的之一。三相输入电压经全波整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，两组电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。
图 4 三电平逆变电路
其输出波形为具有五个电平的三相 SPWM 波，即宽度按正弦规律分布的矩形脉冲波。这种波直接送给电动机，由于电机是感性负载，所以能获得近似的正弦波形。因此对电机和电缆无特殊要求，可直接用于普通异步电动机。 3.4.3、PLC 控制方式
1200KW/600V 变频器内置 PLC，易于改变控制逻辑关系，可灵活选择现场控制和远程控制，即可以从司钻房操作，也可以从 MCC 房变频器侧操作。同时，PLC 预留一路通讯接口，可与上位机（商用 PC 机）进行通讯，可对变频器进行全部操作，包括参数设定、功能设定、运行操作、故障报警等等。 3.4.4、具备完善的保护功能
在泥浆泵堵转时，电流会在瞬间升高很大，产生对功率模块的直接冲击，长此工作之后，会造成模块应力的的下降，为提高模块的使用寿命，采用了传感器取样和 IGBT 结压降保护相结合的双重保护，从而减少了特殊情况下对模块的极限冲击，即使输出相间直接短路, 模块也能在 10us 内及时封锁输出 , 保护了变频器 , 提高了整机的安全性和可靠性。此外，变频器还具有过流、过压、欠压、过载、缺相、温升、失速等多种保护。
3.5.JD-BP33-1200 变频器的特殊性能
3.5.1、变频器能够从“零”开始调速，且下限频率无输出，方便司钻工操作，从而避免反复启停电机的情况，即当变频器频率低于 2 Hz 时，电机无扭矩，处于自由状态。同时当电位器旋不到最低位置时，不论是开机位置还是停机位置，这时变频器均无输出。只有变频器检测到最低信号时，变频器才能开机。变频器的启动还受电机上的冷却风机及其它外部信号控制，冷却风机及其他信号备妥后指示灯亮方可允许开机，变频器故障信号也串入该回路，故障指示灯亮时变频器不能开机。当主电机长期停机时，变频器输出 220V 电压，以供电（200W/220V）加温驱潮湿。
3.5.2、提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，散热负担加重，所以选择时必须权衡利弊，为了获得较好的控制特性，载波频率与变频器的最高运行频率的比值建议不要低于 36。在这台 1200KW/600V 变频器中，载波频率选择为 2kHz。载波频率与电机噪音，漏电流，干扰的关系如表 1 所示：