● 摘要
随着陆上复杂油气井、超深油气田及海洋深水油气田的开发、科学钻探以及科学钻井工艺技术的发展,迫切需要性能先进、自动化水平高的新型深井钻井装备。交流变频电驱动钻机是理想的深井钻井装备,以其先进的技术、简化的结构、优异的输出特性以及良好的适应性和可靠性、安全性,深受用户欢迎,己成为深井钻机的发展方向,其应用越来越广泛。
本文研究的钻机变频控制系统是在吸收国外先进技术和成功经验的基础上,为了适应国内外钻井市场的需要而创新研制的具有自主知识产权的矢量控制全数字变频钻机。该钻机采用了绞车能耗制动等先进技术,钻机的智能化、自动化、网络化、信息化程度高。它的研制成功将大幅度提高我国钻井装备的技术水平,将对我国石油勘探开发和参与国际市场竞争带来深远的影响。
本文通过系统的分析研究,完成了以下研究内容:
1．本文从整体出发、以系统的眼光将网侧变频器，电机侧逆变器，电网以及电机内部运行机制有机地结合起来，从电力电子装置与电机系统集成的角度建立了钻机变频器系统的统一数学模型，并在此模型基础上详细分析了系统的功率特性。针对交流励磁发电系统对变频器的要求，设计了能量PWM变频器，满足了钻机系统励磁的需要，通过对电机的三相静止坐标系数学模型和两相旋转坐标系数学模型的研究，提出了基于定子磁场定向的矢量控制策略。
2．重点阐述了控制系统的整体设计及变频器的整体设计研究、工作原理及应用、软硬件结构设计、过压保护功能等。实现了大功率AC-DC-AC交流变频传动系统的成功研制开发及绞车的能耗制动控制这两项关键技术。
3．通过现场实时采集钻机实际钻井过程中相关参数，从工程实验角度分析了这种钻机的实际起升特性、绞车扭矩与转速特性等，通过与前面理论分析结果表明试验研究结果与理论研究结果还是比较吻合的，从而进一步丰富、完善理论研究结果。
目前该钻机已经在油田现场投入使用，设备电气系统运行稳定，客户反映反应效果良好。