直流电动钻机变流器运行状态分析

冯睿

（大庆钻探机械修理厂，黑龙江 大庆 163413）

1 直流电动钻机直流电机对电网功率因数影响的两个方面:谐波和可控硅确发角坠

事实上电动钻机的电站功率80%供可硅系统驱动的直流电动机，而在正常钻井生产时驱动泥浆泵的直流电机所消耗的功率占全部直流电机消耗功率的90%；（除起下钻作业外，泥浆泵是整台钻机的主要功率消耗设备）也就是说电站功率的85%是供给谐波负载（泥浆泵），这么大的谐波负载需要电站提供很大的无功功率，造成无功电流占发电机总电流的30%～35%，致使电站的电网系统功率因数低到0.55～0.65，它严重的限制了电站有功功率的发挥，导致电站存在“动力不足”的问题，因此需要投入大量的发电机组才能满足常规钻井作业的功率需要。

在可控硅整流电路中，当其直流输出电压愈低，也就是触发角坠愈大时，则线路功率因数愈低，这对于大容量直流负载而言，问题变得更为突出，而电动钻机的绞车和转盘由于钻井工艺的要求，有时工作在低速或中速状态，虽消耗一定的无功功率，但他们在钻井生产时不是主要的用电设备，而经常处于低速和中速运转的泥浆泵是钻井生产时主要的用电设备和引起电网电压下降与无功损耗的增大主要因素，怎样提高供电系统的电网质量和功率因数就显得十分重要。就此分析的泥浆泵工况，能解决好泥浆泵的无功损耗问题，是提高整个电网功率因数的关键。

2 钻井生产时直流电机的工况

根据钻井工艺的要求，绞车、转盘和泥浆泵经常需要变速，由于直流电动机采用恒转矩调速，可控硅装置整流输出的直流电压不断变化，可控硅装置的功率因数也随之变化。直流电动机在低转速下运行，造成可控硅装置的功率因数低，这就要求并网的交流发电机组输出大量的无功功率，交流发电机组的运行功率因数取决于可控硅装置的功率因数，两者功率因数基本相当。

电动钻机的可控硅变流组件，一般采用三相桥式全控整流不可逆系统，它允许的最小控制角坠min=15°-20°取坠min=20°，坠min=60°（实际生产时控制角最小值）可控硅装置的功率因数近似COSΦ≈COS（坠+γ/2），这里的 γ 是可控硅换向重叠角，取 γ=15°-25°：

可控硅装置的最高功率因数：

（COS坠）max=COS（20°+15°/2）∽COS（20°+25°/2）=0.887∽0.893

可控硅装置的最低功率因数：

（COS坠）mix=COS（60°+15°/2）∽COS（60°+25°/2）=0.38∽0.30

可控硅装置运行的功率因数在0.37∽0.87范围内变化,可控硅装置的平均功率因数:

（COS坠）cp=（0.3+0.887）/2=0.59

由于可控硅装置的平均功率较低,给选用主柴油发电机组提出一个问题,即不但要考虑主交流发电机组应供给足够的有功功率,而且必须考虑到要同时供给足够的无功功率。

3 电动钻机泥浆泵的介绍

在电动钻机中泥浆泵通常选用与绞车同规格型号的电动机驱动，容量足够大,由于调整范围大，在低排量时功率显著减少,泥浆泵通常使用卧式三缸往复活塞泵,该泵具有恒转矩特性,可以通过更换缸套来调整泵的压头和排量,也可以通过调整转速改变泵的排量,在钻进过程中,泥浆泵的排量和压力要根据钻进的井深和井下情况进行调整,例如:在表层钻进时,要求泥浆泵有较大的排量,此时泵的转速较高,即泵的冲数也较高,而深层钻进时需要高的泵压和较小的排量,这些条件都对泥浆泵的驱动电机提出较高的调速要求。

4 电动钻机功率因数的计算

电动钻机可控硅整流电路的功率因数：

COSΦ≈COS（坠+γ 变/2）

Φ功率因数角

坠可控硅触发角

γ变变压器漏抗引起的重叠角（因我们现场使用的可控硅整流装置没通过变压器供电，而是由发电机直接供电）因此不考虑重叠角γ变时：COSΦ≈COS坠

但功率因数COSΦ不仅同电流与电压的相位差有关也受到电流波形畸变的影响，也就是功率因数与波形畸变系数λ，位移系数COSΦi有关，即：

COSΦ=λCOSΦi

Φi是电流基波分量与对应电压的夹角。

由上式不难看出，要提高可控硅整流电路的功率因数COSΦ必须增大波形畸变系数λ或减少角位移Φi（也即减少坠值）为了增大波形畸变系数λ就要设法减少高次谐波，增加整流相数可以提高电流中高次谐波的最低次数和降低高次谐波的幅值，进而减少波形畸变，增大畸变系数λ。（这是采用常规功率补偿装置以减少无功功率的方法，这里不作详细介绍）为了减少角位移Φi（坠）就要减少可控硅触发角坠，但可控硅整流电路正是依靠改变可控硅触发角坠来调节可控硅整流装置的直流电压输出，大多数人认为不能采用减少触发角坠的办法来提高功率因数，那是因为他们只从电气方面考虑，而没有从机械方面综合考虑，必须指出，可控硅电动钻机中如果电动机采用恒功率调磁调速，直流电动机在它的额定电压下调磁调速，可控硅装置的功率因数较高（在0.85左右），如果对泥浆泵的传动比作适当改进，在其能满足钻井生产的情况下，对泥浆泵的缸套作相应的更换，使泥浆泵驱动直流电机的工作转速提高到接近其额定转速，从而能达到改变可控硅触发角坠的目的。

[1]实用电工电子技术手册.机械工业出版社.

[2]机械设计实用手册.化学工业出版社.