电源补偿修井机的研制与应用

张 鹏 吴艳茹 陈喜娟

（大庆石油管理局松原机械总厂，吉林 松原 138000）

·改造与创新·

电源补偿修井机的研制与应用

张 鹏 吴艳茹 陈喜娟

（大庆石油管理局松原机械总厂，吉林 松原 138000）

针对电动修井机主要存在的井场变压器容量过小的问题，研发了带UPS电源补偿技术的JY5280TXJ900DZ型电动修井机。现场应用表明，该电动修井机提高了作业稳定性，扩大了在井场的使用范围。

电动修井机；液压绞车；UPS；电源补偿系统；开关磁阻调速电动机；电气控制系统

电动修井机与机械修井机相比具有安全高效、节能环保等优点，已逐步取代了传统机械驱动修井机在国际大型石油钻修井设备中的主动地位。现制约电动修井机发展的主要原因在于使用过程中受到井场变压器的容量限制，会导致电驱修井机功率小、作业效率较低；电网停电时，无法进行正常工作，存在安全隐患。

2012年大庆油田公司将电动修井机的研制列为公司的“课题制”项目，我厂承担了该项目，确定如下设计原则：一是整车结构尽量简化，以提高其移运性及降低运营成本；二是采用UPS电池补偿系统，以解决井场电量不足的问题；三是整车采用人机界面和PLC集中控制，司钻人员不仅可以在操作室操纵，也可在井口附近操纵，增强了司钻人员操作的灵活性。并于2014年开发生产了一种UPS蓄电池组作为电源补偿的新型电动修井机JY5280TXJ900DZ。

一、技术分析

1.结构。JY5280TXJ900DZ型电动修井机的结构如图1所示，该车采用自走底盘，由井场电源和车上UPS蓄电池补偿系统同时提供电能，液压绞车带动大钩上下运动。

图1 J Y5280TXJ 900DZ型电动修井机的结构

2.工作原理。井场电源和蓄电池补偿系统同时为开关磁阻电机提供电能，开关磁阻电机通过联轴器与闭式柱塞变量泵连接，液压泵输出液压能，驱动液压绞车转动，液压绞车通过钢丝绳带动游车大钩上下运动，从而实现修井及钻井作业；异步电动机与普通液压泵连接，驱动井架主液缸、踏脚液缸及液压大钳等部件工作；电气控制系统主要包括开关磁阻电机的调速控制和PLC集中控制。

3.电驱修井机主要参数。额定钩载600kN；最大钩载900kN；大钩提升速度0～1.0m/s；井架高度21m；电气系统电压380V；液压绞车滚筒直径520mm。

4.结构特点。

（1）底盘车是我厂自制底盘，配备康明斯ISLe375 30发动机及凯星BY502液力变速器，越野性能好，承载能力强，能够满足作业井场之间的移运。

（2）主绞车采用液压绞车，闭式回路液压传动，由电控手柄控制转速，可以实现无级正反转调速和远程控制，操作方便，安全可靠。

（3）电液集中控制系统中配有蓄能器组，能够保持系统压力恒定，还可作为应急动力源。

（4）采用UPS电池作为电源补偿装置，能更好的解决井场电量不足的问题，使作业可靠进行。

（5）驱动液压泵电机采用开关磁阻电机，启动电流小，转矩大，控制电路简单，节能效果更好。

二、关键技术

1.主传动设计。

（1）传动方案选择。目前修井机的绞车驱动方式主要是机械驱动，即动力源通过液力变矩器、角传动箱和链轮传递到绞车，绞车带动大钩上下运动。此种传动存在以下缺点：传动系体积尺寸大，总重量重；安装布置复杂，经常需要精密加工的平面和精密的部件定位；难以实现大范围的无极变速；在有负载的情况下，难以取得平稳的反转。

JY5280TXJ900DZ电动修井机采用液压驱动绞车。动力源带动液压泵，液压泵把液压能传递给液压绞车，驱动液压绞车转动。液压驱动的绞车具有以下优点：双向实现从零到最大速度的无极变速控制，易于换向；输出速度范围大，负载的低速控制好，可以带动负载良好启动；系统允许长时间支持负载，双向可以限制不同力矩。因此，结合作业绞车的驱动系统的设计要求、实际工况和经济性等方面考虑，确定液压驱动方式作为作业绞车的驱动方式。

（2）液压绞车调速方式。整车采用闭式泵系统驱动液压主绞车转动。闭式泵系统的主要特点是：系统中的油液自成循环，不需要通过油箱的交换；执行元件的回油直接进入泵的入口，吸油条件好。闭式系统的主要优点有结构紧凑，油箱体积小，因而自重轻。闭式系统原理如图2所示。

图2 闭式系统

系统采用双向变量泵，直接用液压泵的变量机构调节速度和方向，避免了换向阀的控制方式造成的节流损失和换向冲击。系统采用开关磁阻电机带动双向变量泵，开关磁阻电机始终以恒定转数带动变量泵转动，利用PLC的模拟量输出模块控制双向变量泵的变量调节机构，以控制液压绞车的速度和方向。开关磁阻电机采用PID速度反馈的方式控制转速稳定。

（3）液压绞车和泵的型号选择。经计算液压主绞车的额定扭矩为26N.m；额定转速为120r/mim，则液压马达型号选为YLM100～8000；额定转矩28744N.m；转速0.5～125r/min；额定压力25MPa；排量8298ml/r。根据机械设计手册计算，液压泵型号选为400BCY14-1B。

2.电气控制系统。电气控制系统主要包括上位机系统、开关磁阻电机调速控制系统、PLC集中控制系统和液压控制系统等，它是电动修井机的重要组成部分，完成系统的供电、配电、控制及电气保护功能。其中PLC集中控制是整个电气控制系统的核心，整个电气控制系统采用防暴形式，防暴等级为ExdⅡBT4。

（1）开关磁阻电机调速控制。开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机(SRM)、转子位置检测器、功率电路和控制电路4大部分组成。PLC把操作指令和电机运转参数输送到控制器中，经过分析输出调节信号改变功率电路输出的电压、电流，使电动机达到所需的工作状况。功率电路是由三相整流电路和和逆变电路组成，向电动机三相绕组供电。该调速系统属于转速、电流双闭环系统，通过脉冲宽度调制电动机绕组上的电压、电流，实现调速的各种控制。由于开关磁阻电机速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速精度，可以很方便地构成无静差调速控制。位置传感器采用高性能红外线光电子元件，能非常准确检测出电动机转子的转速、转向和瞬时位置，把这些数据连续的提供给控制器，实现对开关磁阻电机的精确控制。

（2）PLC集中控制。PLC集中控制包括所有电机工作状态的检测、调速与启停控制，液压主绞车的调速和启动控制，游车超限、过载、断电及其他紧急情况下的安全保护连锁系统的检测与控制，与上位机通信，系统参数实时显示、故障显示及报警功能等。还包括电机的配电、液压系统电磁阀配电、控制电源配电等。

（3）液压控制系统。液压控制系统包括起架液缸、踏脚液缸、液压大钳和液压绞车启停与调速控制。

①操作者通过各种电控手柄开关向PLC发送指令，PLC根据手柄开关的指令，控制相应液缸或大钳的电磁阀，使液缸起升或降落。②液压绞车由柱塞泵、液压马达及卷扬减速器组成闭式液压系统。柱塞泵为电气控制。PLC模拟量输入模块接收手柄电位器的给定电压信号，然后经PLC控制器计算并发出指令，使模拟量输出模块输出一个双方向的电流控制信号，控制柱塞泵的电液比例换向阀输出压力，从而控制柱塞泵和马达的排量及转速，实现绞车的正反转及制动。采用闭环控制，具有速度跟踪功能，输出精度高。手柄电位器采用机械连锁保持中间零位，通过改变手柄的开启度，可以调整绞车的转速。

3.UPS蓄电池补偿总体设计。

（1）电动修井机蓄电池补偿原理。电动修井机电源补偿的设计理念即为交流整流系统与UPS电源供电系统相结合。以蓄电池组作为蓄能器，将交流整流系统中的直流段作为蓄电池组的充电电源，当外接电源电压低于蓄电池组电压时通过整流器直流段放电，经逆变后为开关磁阻电机提供电源，达到补偿井场电源容量，为大于井场电源容量的电动机提供充足电能的目的。

本套电源补偿系统采用浮充充电法。在正常的运行状态下，与直流母线相连的充电装置除对常规负载供电外，还向蓄电池组提供浮充电电流。

（2）蓄电池种类选择。铅酸蓄电池制造成本低，容量大，价格低廉，实际应用过程中也是铅酸电池应用的比较广泛。经类比后选择铅酸电池作为JY5280TXJ900DZ电动修井机电源补偿系统的蓄能部分。

（3）蓄电池个数选择。三相交流电压经过整流，得到直流环节的电压为400V。不间断电源在正常运行时，系统处于浮充电状态，电池只数 N=Ue/Uf 。式中：N——蓄电池组串联只数；Ue——开关磁阻电机功率单元的直流环节电压；Uf——单体电池的浮充电电压。

常用蓄电池单只电压为12V，浮充电压为Uf=13.5V，则N=400/13.5=29.6，取N=30只。本修井机由于作业功率大，蓄电池个数选为60只，连接形式为每2个蓄电池组成一个并联电路，然后串联。

（4）蓄电池容量选择。为了满足修井机应急处理时可依靠电池储备工作1h的要求：蓄电池容量应在：t应急/t总×W总=W应急，作业的容量，带入数值

（下转P59页）

TE935

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1671-0711（2016）06-0060-03