海上平台修井机是一种解决油井生产中存在的故障，可进行完井、修井和钻井的系统，其关键部件是驱动绞车/转盘的驱动机构，泥浆泵电机驱动机构，可靠的变频驱动系统能有效减少设备故障率，优化作业流程，提高生产效率。该文介绍了汇川技术交流矢量变频技术在渤海旅大10-1平台修井机上的应用，简述了该修井机系统，并对变频驱动系统进行了详细的介绍。

一、工程描述

1、项目背景

修井设备可按平台上每口井进行侧钻，并可完成井口装置的安装，也可完成油气井的小修、检泵、捞、修套、封堵等作业。修井机械主要由司钻台、卷扬机、转盘机、泥浆泵、游吊系统、传动系统、液力输送系统、气路系统、井架等组成。

原本配置在钻井平台上的柴油机直接驱动绞车和泥浆泵，存在噪音大、速度控制不灵活、转向复杂、操作困难、能量损失大等问题。，严重影响业主的生产效率和能效考核。为了解决上述问题，业主决定在C平台上为外部修井机的绞车和泥浆泵安装交流矢量变频器。

2、方案介绍

该平台修井机的绞车(带转盘的共用变频器)和泥浆泵驱动系统采用690伏电压等级的多机驱动变频产品，并配有两个1250A进线柜和两个1200千瓦基本整流柜，形成共同的DC总线结构。两台1000千瓦变频柜分别驱动绞车和泥浆泵，绞车电机为800千瓦/600伏，泥浆泵电机为600千瓦/600伏，通过变频器与Profibus总线连接，实现钻杆升降和泥浆泵循环运行的远程总线控制。

二、产品选型与配线

1、产品选型

依据该海洋平台修井机的电压等级、电机功率并结合实际工况。

2、电气原理

接线图中主要包含主回路、辅助电源回路、制动单元回路、编码器的接线方式。

三、方案优势

1、现场总线控制技术

通过现场总线Profibus-DP协议，变频器与 PLC监控软件进行通信，利用人机监控组态软件实现钻机和修机电控系统的参数设置，监测，数据显示，数据记录，故障自诊断，故障报警等功能。通过选择相应画面的数据库按钮，人机界面操作简单，可实现工艺流程全过程监控，实时显示信息，历史动态画面等。在LD10-1油田综合调修机正常工作时，司钻可通过控制台上的触摸屏，对与钻井工况有关的钻井参数及相关钻井设备的主要操作参数进行监测，并可对钻压、转速、转盘力矩等参数及某些功能进行设定。

通过LCD操作变频器，而CANLINK总线则与变频器实时通信，对多个运行参数进行实时监控，方便切换参数；同时，该变频器具有友好的、详细的中文界面，用户不需指令就可改变监测参数，控制变频器，分析故障。

2、绞车驱动电制动及与泥浆泵驱动共直流母线

采用电子检测和控制回路的制动组，可实时检测绞车变频器直流回路的电压，在下钻作业中，游动系统通过拖曳绞车来驱动电机反转，在矢量控制变频器的作用下，电机处于“发电”状态，当变频器直流回路的电压超过阈值时，制动组以斩波的方式控制外部制动电阻进入变频器直流回路，以能耗制动的方式消耗制动电阻的能量，这种能耗制动单元加外部制动电阻的制动方案称为电制动，保证了绞车在放大钩钩时的制动特性，弥补了液压盘式制动的不足，提高了运行的安全性和可靠性。而绞车驱动电机能耗制动具有与液压盘式制动连锁控制功能。

泥浆泵变频器和绞车变频器共用DC母线的多传动方案，可以在绞车“发电”工况下为普通母线泥浆泵变频器提供能量，降低系统损耗，降低原柴油发电机油耗，提高电能利用率。

3、转盘的无级调速及快速正、反转切换

转盘转速可以在0~额定转速范围内实现无级变速，转盘转速可以根据钻井工艺实际工况的需要而确定(井深、泥浆性质、钻头类型、钻头直径、地层岩性、钻进或地质要求等)，有效地提高钻井速度，提高钻井时效，降低钻井成本。

司钻控制台设有一个转盘转向指配开关，根据钻井工艺和钻井情况需要，可将转盘转向开关设为“正转”或“反转”(如转盘反转，可设反转口令和确认按钮，以免误动造成钻井事故)。在给定当前工作所需的扭矩限值的基础上，顺时针旋转转盘中的转轮，再将转盘顺时针旋转转盘中的手轮，就可以控制转盘按选定的旋转方向和给定的转动速度运转，转动速度越大，转盘的转速就越高，司钻可根据钻井条件，随时改变转盘的转速。

采用闭环矢量变频驱动方案就能完美的实现无级调速和快速正反转切换。这也是直接柴油机驱动方案不可避免的缺点。

4、转盘的扭矩限幅功能

转盘变频器的扭矩限制功能可以在转盘驱动电机zui大输出扭矩的0-100%之间任意调节设定。钻进时，通过PLC采集变频器(转盘和绞车共用变频器通过机械挂档切换)的电压、电流、频率及实际转矩并在触摸屏上进行显示。正常钻井作业时，转盘的输出扭矩应在设定的扭矩极限范围内动态工作。当井下出现异常情况，转盘扭矩超过扭矩极限设定值时，变频器应保持扭矩极限设定值超过设定时间，并向故障变频器报告停机，并与转盘惯性制动器联锁，实现转盘扭矩极限保护，避免钻具事故。钻井过程中，司钻可以根据钻井工艺和钻具的实际情况，通过司钻控制台上的转盘扭矩限值来设定手轮，并随时调整转盘扭矩限值的设定。在转台运行过程中，当扭矩超过极限时，变频器具有扭矩释放功能。

早期修井机方案采用的液力变矩器，本身有较大的传动损失，效率较低，配备必要的供油、冷却等辅助系统，结构复杂，每年都需要进行检修。采用变频器的扭矩限幅灵活、电子无级调速功能完全可以省去液力变矩器，从而提高能源利用率，降低系统故障率，减少维修成本。

5、闭环矢量控制优势

采用变频器，驱动绞车电机时的数据可使内部进行高速、数字化，无错误的进行数据交换，抗干扰能力强，同步精度高。动态响应绞车低频时可产生高起动转矩，提高起动和低速时的起动转矩，用单轴电机驱动绞车， PLC通过 DP总线采集变频器的工作数据和滚筒转数信号，判断滚筒的起钻状态，自动计算出滚筒的位置、速度，通过 PLC控制程序发出控制信号，使绞车驱动电机按给定的速度驱动绞车滚筒，实现对绞车起钻功率的合理利用，提高钻井时效。采用交流变频调速范围宽、速度为0-1.2 m/s的方式，既能满足钻井工艺要求，又能实现绞车速度闭环控制与绞车高度位置闭环控制的有机结合，大大提高钻井时效，增强设备运行的安全性和可靠性。

绞车驱动变频器由于采用了矢量控制方案，使的绞车驱动电机在零转速时也能输出额定扭矩(悬停状态)，这是直流电驱动钻机不能比拟的。

6、故障分级处理

系统出现警告类故障，四钻台远程复位即可继续使用;如出现严重故障，变频器会断开进线柜断路器并提示故障。例如，在高速情况下紧急抱闸刹车，变频器会检测到电流瞬间很大输出功率瞬间很大，发电机瞬间输出电压会降低当低于欠压点时变频器报欠压故障紧急停车。

故障级别分为：

级别一:故障自由停车;

级别二:故障减速停车;

级别三:故障降额继续运行;

级别四:继续运行，限制上限频率;

级别五:继续运行，不可以再启动;

级别六:继续运行，可以在启动;

级别七:屏蔽故障

7、维护便利

熔断式隔离开关，隔离和保护一体，支持本组逆变柜在线维护，柜外操作，安全可靠。高分断能力，快速熔断器，可快速安全保护，提高产品可靠性。迅速切除故障部件并投入冗余备件，大大提高了维护的便利性，缩短了故障停机时间。

变频器采用单管为单元的模块化设计，使之在高振动场合机械应力得以分散。功率模块自重小于25kg,单人即可维护兆瓦级别大功率逆变器。采用低漏感的busbar技术，使系统的驱动性能达到zui佳。

四、总结

该系统选择了工程型变频器产品。该海洋平台公司与变频器制造商合作，定制开发，满足客户现场高盐雾、高湿气等恶劣情况和特殊需求，至今运行稳定可靠，已无故障，修井多口，深受业主和井队好评。该系统项目的成功应用将加速海洋石油钻修井平台变频驱动系统的国产化，促进海洋平台产业的产业升级。