制動單元在50db鉆機變頻系統(tǒng)上的應用 一、簡介
西門子交流變頻調速技術在工業(yè)界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的石油鉆機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有和直流調速系統(tǒng)相媲美的高性能調速指標，它可以采用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機進行調速，并且變頻調速系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)的交流調速系統(tǒng)要高，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監(jiān)測功能完善，運行可靠性較傳統(tǒng)的交流調速系統(tǒng)有較大的提高。所以，西門子交流變頻調速技術的應用是今后石油鉆機交流調速技術發(fā)展的主流。
（1）50db鉆機項目是遼河石油勘探局重點項目，用戶是勘探局內的一家鉆井公司，我公司為其生產(chǎn)整套鉆機，包括底座、井架、泥漿罐、電控系統(tǒng)等設備，電控系統(tǒng)由我公司電控分廠完成，我公司以生產(chǎn)鉆機為主，現(xiàn)場服務為輔的大型工程企業(yè)，年產(chǎn)值達5.5億，生產(chǎn)能力十分強大，電控分廠年產(chǎn)電控達7部左右，發(fā)展是不可估量的。
（2）50db項目中主要的電控系統(tǒng)采用的西門子6se71系列變頻調速柜，整機的控制系統(tǒng)采用的西門子s7-300plc，通訊采用profibus進行通訊，發(fā)電系統(tǒng)采用的是6ra70直流調速系統(tǒng)，整機制造符合現(xiàn)場要求，工藝控制嚴格，設計完全符合emc導則。
二、控制系統(tǒng)構成
�。�1）整個項目選型，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和使用工曠、實際經(jīng)驗，選擇合適的產(chǎn)品，本著經(jīng)濟，實用、故障率低的原則選型。
（2）系統(tǒng)的硬件配置圖，網(wǎng)絡結構圖。
（3）應用中的監(jiān)視畫面。
三、控制系統(tǒng)完成的功能
整個系統(tǒng)控制用觸摸屏和兩方向控制手柄一個，進行對井場的設備進行控制，其中懸停功能是整個系統(tǒng)重要組成部分，也是發(fā)揮西門子變頻器與制動單元功能的重要部分，自動送鉆部分采用了變頻器中的pid調節(jié)器，進行速度控制，這些都是系統(tǒng)中的重點與難點。
（1）絞車變頻器和制動單元的選擇
我們考慮到工況的特殊性，鉆機提升設備要經(jīng)常提升和下放上百噸的重物，且速度在1m/s以上，這時對變頻器的選擇上提出了很高要求，在能滿足工曠又能節(jié)省成本的前提下選出合適的型號。
我們實際上使用的是兩臺720kw變頻電機，根據(jù)電機電流選擇變頻器，加上電機的1.5倍的過載能力，得到變頻器的電流值，選擇變頻器為1000kw變頻器。 變頻器選擇后，制動單元又成為系統(tǒng)選擇的難點，因為西門子變頻器要求制動單元的功率pdb不能大于0.6倍的變頻器功率，而且要滿足實際的制動工況，又能滿足節(jié)省成本成為設計的難點。根據(jù)制動單元的選用回頭效驗變頻器是否合適。
我們根據(jù)鉆井的工況做如下計算，繪制出曲線：（曲線只描述了，最大負荷的情況）
●第一階段分析：（上提減速過程由最大速度1秒減至零速）
△w（總）=△w（動能）-△w（勢能）
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]; 其中ω（0）=0rad/s；
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj； △w（勢能）=m＊g＊h； m＊g=1200t；最大鉤載225t，實際鉤載假設120t； h=v（平均）＊t（時間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；
△w（勢能）=m＊g＊h=1200t＊2.1m =2200kj；
△w（總）=w（動能）-w（勢能）=-1814.760+2200=385.24kj。
p=△w/△t=385.24kj/3s=128.4kw
● 第二階段分析：（帶載下放過程最大速度勻速下放）（pdb）
△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（t）2-ω（t-1）2]；
假設大鉤的速度最大1.4米m/s勻速下放；對應絞車電動機軸的角速度分別為：ω（t），ω（t-1）； 因為是勻速運動，則△w（動能）=0kj
△w（勢能）=m＊g＊h；
m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實際鉤載假設120t；
h=v（平均）＊t（時間）=1.4m＊s=1.4m;
△w（勢能）=m＊g＊h=1200t＊1.4m =-1680kj；
△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）=-1680kj
p=△w/△t=-1680kj/3s=560kw
● 第三階段分析：（帶載下放減速由最大速度減到0速）（p3）
△w（總）=△w（動能）+△w（勢能）
w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]; 其中ω（0）=0rad/s；
△w（動能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj； △w（勢能）=m＊g＊△h；
m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實際鉤載假設120t；
h=v（平均）＊t（時間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；
△w（勢能）=m＊g＊h=1200＊2.1=2200kj；
△w（總）=w（動能）+w（勢能）=-1814.76kj -2200kj =-4014.76kj。
如定加速減速曲線時間為3s時。 p=△w/△t=4014.76kj/3s= 1338kw
如定加速減速曲線為1s時。 p=△w/△t=4014.76kj/1s= 4015kw
通過上面論述結論p=4015kw是最大，我們?yōu)榱税踩鹨姲裵db= 3200kw則在1s下p3=4800kw 完全滿足工況，其它余量用于處理事故時用。這里選用常州博邦電氣生產(chǎn)的BBU系列制動單元，該產(chǎn)品采用德國技術生產(chǎn)制造的低成本能耗式制動單元，配合適當?shù)?STRONG>制動電阻后可以將調速電機在減速過程中所產(chǎn)生的再生電能加以吸收消耗在制動電阻上，同時獲得良好的制動效果。
（2）變頻的加速斜坡曲線和減速諧波曲線
根據(jù)上面論述變頻器的加速諧波和減速諧波曲線，能夠實現(xiàn)變頻器有效的控制加速時間和全速減至零速的時間，我們一般不考慮加速的時間，只考慮減速時間，因為減速時間體現(xiàn)了重物下放時的減速距離，也就是剎車距離，剎車距離被規(guī)定為1米以內，這時要算減速時間，如減速時間設置過長不能滿足工況。通過上面的計算在大于1s時可行的，如小于1s可能就會對變頻器的電容有很大沖擊，甚至會把igbt、電容及制動單元一同燒掉。所以減速諧波曲線的設置是一個非常重要的參數(shù)。
四、項目運行
50db項目投入時間是2006年8月份，10月中旬出廠，現(xiàn)正在試運行，運行狀況良好，并充分發(fā)揮了西門子變頻器的優(yōu)點，給用戶提供了方便，西門子自動化產(chǎn)品在遼河鉆井一公司的50db鉆機上成功應用，得到了遼河石油勘探局的表彰，并且得到了一致的好評。
五、結束語
在 50db項目中西門子自動化產(chǎn)品給大家?guī)砹撕艽蠓奖�，并且把能想象的東西變成現(xiàn)實，其中包括安裝、調試、運行、監(jiān)控等方面發(fā)揮了巨大的作用，同時也感謝西門子沈陽辦事處的同事給我們提供了巨大的技術支持。最后我們得到一個結論，西門子產(chǎn)品“入手比較難，應用比較簡單”。 |
