S120共直流母线变频器在石油钻机电驱动控制系统中的应用
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇S120共直流母线变频器在石油钻机电驱动控制系统中的应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：本文在简要介绍当前石油钻机驱动方式的应用现状、变频器以及s120共直流母线变频器的特点的基础上，重点描述了S120共直流母线变频器在钻机电驱动中的应用实例，最后简要总结了S120共直流母线变频器对钻机技术进步的贡献和意义。
【分类号】：TG333.7
石油钻机是油田勘探、开发生产的最主要的设备之一，随着钻进井深的增加以及地质条件的变化，要相应调节钻进的压力和转速，以提高钻进速度和防止卡钻的发生。因此对钻机电气传动系统的性能有很高的要求。本文将拟对S120共直流母线变频器在石油钻机电驱动控制系统中的应用给予一定阐述，以供大家参考。
1、石油钻机驱动方式的应用现状
经过多年来的不断改进和逐渐完善，目前国内外石油钻机驱动型式已经发展成熟。统观世界各国生产和使用的石油钻机，其驱动型式主要有机械驱动、液压驱动、电驱动和混合驱动等四种模式。目前，国内电驱动钻机的控制采用的是直流调速传动（SCR）和交流变频传动（VFD）系统。而在1993年以前，国内电驱动钻机电控系统由国外进口，全部采用模拟控制方式。比如：美国 GE公司钻机，IPS公司钻机等。1993年国内成功研制了电驱动钻机，仍然采用模拟控制方式。1994年进口电驱动钻机电控系统开始采用全数字控制系统。截止2001年，国内打井的电驱动钻机电控系统大部分是直流调速传动系统，模拟控制仍占主要部分。随着现代控制理论和计算机控制技术的新成果在变频调速上的应用，以及大功率全控型电力电子器件的快速发展并进入实用化，最近十年来，交流变频传动在电动钻机上的应用开始得到重视，并发展迅速。
2、共直流母线变频器介绍
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。其中的直流母线就是承载整流后的直流的母线，逆变器再将此直流逆变为交流，而共直流母线系统，即用一台或多台进线整流装置，经过整流后连接到公共直流母线上，公共直流母线上可以接多台逆变器，形成共直流母线的变频驱动系统。
3、S120共直流母线变频器的性能特点
西门子新型SINAMICS S120系列变频器体积小、重量轻、噪音低、设计美观、双机同步精度高、同功率模块具有互换性、多传动整体性能好、性价比高等优点。既可作“共直流母线”多机控制，又可实现“一对一”单机控制。
西门子SINAMICS S120系列变频器，是一款空间优化的目前在西门子变频器中最高档次的产品。采用模块化结构，美观、体积小，便于安装和扩展。当变频器上电时，直流侧电容将通过预充电回路充电。当直流侧电压达到80%额定直流电压时， 整流回路将开始提供直流电。
西门子S120变频器，双电机同步数据在CU320内部进行高速、数字化、无错误的进行交换，抗干扰能力强，同步精度高，双电机同步运行比光纤方式更加可靠，运行更加平稳，确保绞车两台驱动电机出力一致，绞车双电机驱动时，负载不均衡度
控制模块采用高性能的CU320控制器，一块CU320控制器最多可驱动6套逆变单元。在一般情况下，为了对设备进行备份控制，选用了5套控制器。其中4套分别对整流单元、绞车/转盘/泥浆泵逆变单元进行控制，1套CU320作为整个控制系统的备用控制器。当某一路控制器出现问题时，可以通过简单的拔、插控制线，恢复控制系统功能，减少故障停机时间。
西门子S120 VFD技术特性
SINAMICS S120使用新一代控制单元CU320。控制单元独立于功率模块，可以安装在功率单元内部或通过支撑件安装在其它地方。控制单元通过采用新的连接“Drive-CLiQ”（“Drive-CLiQ”是“智能驱动组件链路”的缩写），连接到功率模块里的功率驱动部件及风扇均为模块化，维护方便。这个连接是基于全球100 Mbit/s以太网技术，连接耦合驱动组件。除了标准以太网信号外，可使用具有两个触点分配 24VDC 电压的 RJ45连接器和插座扩展连接。控制单元具有“电子铭牌数据库”。运行时，控制单元可通过 DRIVE-CLiQ识别所连接的组件。不必手动输入额定铭牌数据。触发软件和控制软件被存储于CF卡中，它易于存储、替换、升级和采购备件。其操作面板安装在柜门上，作为人机接口和调试具有以下特点：图显LCD、背光、纯文本显示，过程变量条形图显示，运行状态LED显示，具有帮助功能。
S120 VFD主要技术特点
1）多功能性：伺服控制，矢量控制，V/f比控制，具有强大的驱动功能，适合于单轴驱动或多轴驱动。
2）整流单元输入端加装有进线电抗器，可较好地防止变频器整流单元产生的谐波对电网侧的干扰，同时也能防止空间电磁干扰。
3）配置简单：驱动组件通过电子铭牌自动识别。
4）模块化结构：整流单元与逆变单元均为可抽出式模块化结构，当变频器故障时，可实现模块式快速更换，维修时间短、方便。详见下图。
5）使用预安装的电缆进线连接，快速方便。
6）现代化：所有的组件通过串行通讯接口Drive-CLiQ进行通讯。DRIVE-CLiQ，一种全新的传动接口，允许SINAMICS S120传动之间甚至包括电机和编码器之间进行快速可靠地通讯。
7）灵活性高并且适合于模块化设计，可升级性强。
8）良好的设计与集成性：可以胜任所有应用的驱动系统。
9）逆变单元配有预充电回路开关，逆变单元维修时，可断开此开关。
10）该系列变频器体积小、噪音低、负荷分配性能高、同功率下损耗小，输出电流大。
11）一个控制单元可以控制多至 4个矢量模式的传动。既安全可靠又节省费用。这允许数据直接在传动与传动之间进行交换，因此可以省去上位机的介入。
4、S120共直流母线变频器在钻机电驱动中的应用
4.1目前S120共直流母线变频器已经在国内陆地油田钻机和海上模块钻机、钻井船的电驱动控制上得到了广泛应用。特别是在中海油渤海的锦州25-1、金县1-1、绥中36-1、秦皇岛32-6、垦利油田，以及南海的陆丰13-2、番禺4-2B、番禺5-1B、恩平油田群、涠洲11-1、涠洲6-9/6-10等油田成功应用几十套，运行安全稳定。
4.2以海上模块钻机为例电驱动控制系统的设备配置和方案实施
模块钻机电驱动控制系统硬件，由发电机控制柜（或中压配电盘）、AC600V正常低压配电盘、S120共直流母线交流变频驱动控制柜、含制动电阻、顶驱变频控制柜、PLC综合控制柜、有源滤波器柜、AC480V正常（应急）低压配电盘、230V正常（应急）照明及小功率配电盘、UPS配电盘及电力变压器、司钻控制台、泥浆泵本地控制箱等组成。S120共直流母线交流变频驱动控制柜主要为绞车、泥浆泵、转盘、顶驱供电包括变频器进线柜、整流柜、泥浆泵逆变柜、绞车逆变柜、转盘逆变柜、制动单元、直流母排等。
电驱动控制系统软件由工业自动化人机界面操作组态软件WinCC、电驱动控制系统程序软件、电驱动控制系统操作软件等组成。
由发电机控制柜或中压变压器输出的AC600V电源经过AC600V母排，600V AC 母排上配有一台或多台（具体数量根据钻机实际负载配置情况计算确定）进线柜、变压器送电断路器、有源滤波器、母线上配置对地绝缘监测仪。通过进线柜后进入变频整流柜，一台或多台整流柜将交流电整流成直流电汇入直流母排。钻机绞车、泥浆泵、转盘、顶驱逆变器均接到公共直流母排上，分别驱动和控制绞车、泥浆泵、转盘、顶驱电机，进行钻修井作业。系统控制回路采用PLC冷备方式。即安装有两套硬件和控制程序完全相同的PLC控制系统。两套PLC互为备用，万一在运行的PLC出现问题时，可通过安装在司钻控制台上的指配开关迅速切换到备用PLC，继续进行钻、修井机电控系统的控制操作。这种控制方式，可以大大减少整个控制系统的接线，降低控制系统出现故障的机率，PLC软/硬件的冷备，提高了钻机电驱动控制系统工作的可靠性、稳定性、安全性。
5、S120共直流母线变频器对钻机技术进步的贡献和意义
随着相关案例的成功应用，S120系列的变频器在石油钻机方面的应用正在全面推广普及。实践证明，该变频器能最大程度地满足钻机的现场使用工况要求多个机构协同动作的需求。同时其硬件上模块化的结构设计，用户可以灵活选择应用，安装、维护简单易行；强大的软件功能，使其能够适用于各种复杂应用的场合。笔者认为，S120必定会在石油钻机电驱动控制系统中发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]朱奎林.西门子新一代驱动器_SINAMICSS120 [J].电气时代，2011，11：72-73.
[2]马强.交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013，2：142.