制動(dòng)單元在50db鉆機(jī)變頻系統(tǒng)上的應(yīng)用 一、簡(jiǎn)介
西門子交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的石油鉆機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能調(diào)速指標(biāo)，它可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并且變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)要高，其外圍控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，西門子交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用是今后石油鉆機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。
（1）50db鉆機(jī)項(xiàng)目是遼河石油勘探局重點(diǎn)項(xiàng)目，用戶是勘探局內(nèi)的一家鉆井公司，我公司為其生產(chǎn)整套鉆機(jī)，包括底座、井架、泥漿罐、電控系統(tǒng)等設(shè)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(jī)為主，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)為輔的大型工程企業(yè)，年產(chǎn)值達(dá)5.5億，生產(chǎn)能力十分強(qiáng)大，電控分廠年產(chǎn)電控達(dá)7部左右，發(fā)展是不可估量的。
（2）50db項(xiàng)目中主要的電控系統(tǒng)采用的西門子6se71系列變頻調(diào)速柜，整機(jī)的控制系統(tǒng)采用的西門子s7-300plc，通訊采用profibus進(jìn)行通訊，發(fā)電系統(tǒng)采用的是6ra70直流調(diào)速系統(tǒng)，整機(jī)制造符合現(xiàn)場(chǎng)要求，工藝控制嚴(yán)格，設(shè)計(jì)完全符合emc導(dǎo)則。
二、控制系統(tǒng)構(gòu)成
（1）整個(gè)項(xiàng)目選型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和使用工曠、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的產(chǎn)品，本著經(jīng)濟(jì)，實(shí)用、故障率低的原則選型。
（2）系統(tǒng)的硬件配置圖，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
（3）應(yīng)用中的監(jiān)視畫面。
三、控制系統(tǒng)完成的功能
整個(gè)系統(tǒng)控制用觸摸屏和兩方向控制手柄一個(gè)，進(jìn)行對(duì)井場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制，其中懸停功能是整個(gè)系統(tǒng)重要組成部分，也是發(fā)揮西門子變頻器與制動(dòng)單元功能的重要部分，自動(dòng)送鉆部分采用了變頻器中的pid調(diào)節(jié)器，進(jìn)行速度控制，這些都是系統(tǒng)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
（1）絞車變頻器和制動(dòng)單元的選擇
我們考慮到工況的特殊性，鉆機(jī)提升設(shè)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(shí)對(duì)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(hào)。
我們實(shí)際上使用的是兩臺(tái)720kw變頻電機(jī)，根據(jù)電機(jī)電流選擇變頻器，加上電機(jī)的1.5倍的過(guò)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(dòng)單元又成為系統(tǒng)選擇的難點(diǎn)，因?yàn)槲鏖T子變頻器要求制動(dòng)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(shí)際的制動(dòng)工況，又能滿足節(jié)省成本成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。根據(jù)制動(dòng)單元的選用回頭效驗(yàn)變頻器是否合適。
我們根據(jù)鉆井的工況做如下計(jì)算，繪制出曲線：（曲線只描述了，最大負(fù)荷的情況）
●第一階段分析：（上提減速過(guò)程由最大速度1秒減至零速）
△w（總）=△w（動(dòng)能）-△w（勢(shì)能）
△w（動(dòng)能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]; 其中ω（0）=0rad/s；
△w（動(dòng)能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj； △w（勢(shì)能）=m＊g＊h； m＊g=1200t；最大鉤載225t，實(shí)際鉤載假設(shè)120t； h=v（平均）＊t（時(shí)間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；
△w（勢(shì)能）=m＊g＊h=1200t＊2.1m =2200kj；
△w（總）=w（動(dòng)能）-w（勢(shì)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(guò)程最大速度勻速下放）（pdb）
△w（總）=△w（動(dòng)能）+△w（勢(shì)能）
△w（動(dòng)能）=1/2＊j＊ [ω（t）2-ω（t-1）2]；
假設(shè)大鉤的速度最大1.4米m/s勻速下放；對(duì)應(yīng)絞車電動(dòng)機(jī)軸的角速度分別為：ω（t），ω（t-1）； 因?yàn)槭莿蛩龠\(yùn)動(dòng)，則△w（動(dòng)能）=0kj
△w（勢(shì)能）=m＊g＊h；
m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實(shí)際鉤載假設(shè)120t；
h=v（平均）＊t（時(shí)間）=1.4m＊s=1.4m;
△w（勢(shì)能）=m＊g＊h=1200t＊1.4m =-1680kj；
△w（總）=△w（動(dòng)能）+△w（勢(shì)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(dòng)能）+△w（勢(shì)能）
w（動(dòng)能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]; 其中ω（0）=0rad/s；
△w（動(dòng)能）=1/2＊j＊ [ω（1）2-ω（0）2]= -0.5＊30＊1.5＊2842=-1814.76kj； △w（勢(shì)能）=m＊g＊△h；
m＊g=1200kn；最大鉤載225t，實(shí)際鉤載假設(shè)120t；
h=v（平均）＊t（時(shí)間）=（1.4m/s-0m/s）/2＊3s=2.1m；
△w（勢(shì)能）=m＊g＊h=1200＊2.1=2200kj；
△w（總）=w（動(dòng)能）+w（勢(shì)能）=-1814.76kj -2200kj =-4014.76kj。
如定加速減速曲線時(shí)間為3s時(shí)。 p=△w/△t=4014.76kj/3s= 1338kw
如定加速減速曲線為1s時(shí)。 p=△w/△t=4014.76kj/1s= 4015kw
通過(guò)上面論述結(jié)論p=4015kw是最大，我們?yōu)榱税踩鹨?jiàn)把pdb= 3200kw則在1s下p3=4800kw 完全滿足工況，其它余量用于處理事故時(shí)用。這里選用常州博邦電氣生產(chǎn)的BBU系列制動(dòng)單元，該產(chǎn)品采用德國(guó)技術(shù)生產(chǎn)制造的低成本能耗式制動(dòng)單元，配合適當(dāng)?shù)?STRONG>制動(dòng)電阻后可以將調(diào)速電機(jī)在減速過(guò)程中所產(chǎn)生的再生電能加以吸收消耗在制動(dòng)電阻上，同時(shí)獲得良好的制動(dòng)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?qū)崿F(xiàn)變頻器有效的控制加速時(shí)間和全速減至零速的時(shí)間，我們一般不考慮加速的時(shí)間，只考慮減速時(shí)間，因?yàn)闇p速時(shí)間體現(xiàn)了重物下放時(shí)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(nèi)，這時(shí)要算減速時(shí)間，如減速時(shí)間設(shè)置過(guò)長(zhǎng)不能滿足工況。通過(guò)上面的計(jì)算在大于1s時(shí)可行的，如小于1s可能就會(huì)對(duì)變頻器的電容有很大沖擊，甚至?xí)裪gbt、電容及制動(dòng)單元一同燒掉。所以減速諧波曲線的設(shè)置是一個(gè)非常重要的參數(shù)。
四、項(xiàng)目運(yùn)行
50db項(xiàng)目投入時(shí)間是2006年8月份，10月中旬出廠，現(xiàn)正在試運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好，并充分發(fā)揮了西門子變頻器的優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了方便，西門子自動(dòng)化產(chǎn)品在遼河鉆井一公司的50db鉆機(jī)上成功應(yīng)用，得到了遼河石油勘探局的表彰，并且得到了一致的好評(píng)。
五、結(jié)束語(yǔ)
在 50db項(xiàng)目中西門子自動(dòng)化產(chǎn)品給大家?guī)?lái)了很大方便，并且把能想象的東西變成現(xiàn)實(shí)，其中包括安裝、調(diào)試、運(yùn)行、監(jiān)控等方面發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)也感謝西門子沈陽(yáng)辦事處的同事給我們提供了巨大的技術(shù)支持。最后我們得到一個(gè)結(jié)論，西門子產(chǎn)品“入手比較難，應(yīng)用比較簡(jiǎn)單”。 |
