针对石油钻机变频器故障诊断方法研究

张国辉,梁长征,管锡明

（1.中国石油集团西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司，新疆 鄯善 402160； 2.中国石油集团渤海钻探第三钻井工程分公司，天津 300450；3.中国石油集团长城钻探钻井一公司，辽宁 盘锦 124010）

变频器在石油钻机不同作业系统中的应用,能够在有效满足起重和要求的同时，改良机械平均节能概率，在实现作业过程自动化的同时，延长机械设备使用寿命，避免机械设备故障对作业效率、水平产生的影响，确保石油钻机能够安全、稳定地运行。变频器容易在结露、腐蚀、粉尘与高低温等复杂条件的自然与EMI、过压与过流等电磁环境条件下出现开路故障，可能造成石油钻机异常停机等不可估算的巨大经济损失。故障诊断利用ES、ANN、Fuzzy 数学和FTA 故障树分析法等不同检查和测试方法，检测石油钻机变频器的运行状态，及时发现石油钻机不同作业系统的异常运行状态，分析变频器开路故障出现原因，对变频器未来运行状态进行预判。

1 石油钻机变频器应用过程中的电压波动解决

为提升变频器应用过程中的安全性和稳定性，需要建立石油钻机变频器与智能监控系统间的通信连接，通过远程数据监控，搭建智能监控数据中台与石油钻机变频器间的工业级无线DTU 数传终端连接桥梁。通过DTU应用实时监控变频器运行状态，及时反馈变频器运行信号与开路故障，考虑到接收和传输过程中，关键信息需要承受的噪声和干扰，需要在采集信号后，应用成熟的电源端控制、负载端控制电压波动解决方法处理信号，可以将此过程作为SSA-ICA 盲源分离处理基础，在已知信号源关键性能指标与信号信道传输影响参数的前提下，提取噪声信号、离散时间序列等观测信号，将上述信号录入观测处理系统后，实现对盲源信号的盲源分离去噪处理，并以此为电压波动解决基础。

按照一般经验来讲，由于石油钻机变频器直流母线电压为电源电压的倍数值。因此，在变频器运行过程中，直流母线电压的允许范围需要达到一定过压、欠压检测范围，才能实现对变频器运行状态的逻辑检测。通常电气传动变频器在石油钻机的现场应用，需要满足足够的电压的稳定度，电压需要在额定电压正负10%间的范围内波动，符合10%的欠压容量，一旦出现直流母线电压低于设定阈值的情况，便于采取相应保护措施，避免石油钻机发生故障性损坏。为了解决石油钻机变频器应用过程中的电压波动问题，应当在处理完毕信号后，通过引进基于镜像电流源检测法的快速过流和短路保护方案，在直流母线电压产生波动性动态变化阶段，对电源的异常电压输出及时故障诊断，并且，将诊断数据作为石油钻机变频器反馈信号电压波动解决的第一手依据。在消除变频器反馈信号电压波动过程中，可以参照基尔霍夫电流定律，对石油钻机变频器的电压进行计算。

2 石油钻机变频器作业异常信号特征提取

石油钻机变频器经常受到高生产负荷和恶劣生产环境的干扰，而产生运行故障，继而影响作业如常进行。在上述研究基础上，为了深度了解石油钻机变频器作业异常形式，需要利用智能型自动化嵌入式电压传感器终端和磁传感器等，针对变频器模块烧损、过电流、电压故障特征进行扫描，根据故障识别数据进行故障归类，在扫描变频器模块过程中，提取变频器作业过程中的异常信号特征。大多数情况下，石油钻机变频器发生作业异常时的模块故障，通过不同的故障表现，并不局限于主电源端子、短路、开路问题，可能存在端子与主端子间的短路触发情况。例如，在石油钻机变频器作业时，单一模块通常由1 个逆变H 桥和4 个IGBT 功率管驱动，每个功率管并联1 个吸收电容，对应来看，石油钻机变频器故障的异常信号特征至少存在15 种表现形式，一旦石油钻机变频器发生IGBT 逆变模块烧损时，应当重点针对功率管驱动进行检查，避免器件再次损坏，可以利用MATLAB R2020a 软件中的SCOPE 波形提取工具，将仿真波形提取到FIGURE，通过左右坐标处理，完成图像双坐标轴基本处理。

将IGBT 高功率密度石油钻机变频器运行中的故障状态录入数据输入终端，利用成熟的线性盲源分离算法Fast ICA，快速完成批处理、分析混合后的信号，在应用过程中，为模拟IGBT高功率密度石油钻机变频器故障，采用SIMULINK 中的MATLAB Function 函数生成SPWM 波形模块启闭程序，在此基础上，调整PRG、功能码后，等待并按动ENTER 键，直至修改为50Hz 的输出频率为止，确定后再次调整PRG，读取TOFILE4 生成的二进制文件，返回后查看不同IGBT 逆变模块的输出电压数据。在执行上述操作过程中，需要确保故障集中包含至少10 个带有标签的数据集，在读取数据集过程中，每类数据集故障样本的数量、length、hp、故障程度，应当满足迁移诊断的灵活选取需求，每个数据集涉及到100000×1列矢量数据，针对矢量数据结构，通过Fast ICA 遗传神经网络算法展开运算。由于独立分量估计包含一定程度的信息，需要基于独立分量进行估算，在特征向量提取过程中，需要针对变频器的混合信号进行Fast ICA分离处理，选取包含关键故障信息的独立分量进行估算，得出不同信号的独立分量总量，提取故障信号特征参数，绘制ICA 故障特征信号波形图，确定故障类型和特征。

3 石油钻机变频器故障诊断方法

3.1 变频器开路故障诊断

相对短路故障，变频器开路故障不易被发觉，但危害性较为巨大，假如不能及时发现和处理，容易发生过流故障，引起变频器转矩缩小、过热和绝缘损耗等机械事故。石油钻机变频器处于正常运行状态中，电流波形呈现出正弦、余弦曲线，曲线位置不同，周期范围内，电压和电流的的周期平均值必然为0。如果石油钻机变频器产生开路故障，那么，电压和电流的周期平均值必然非0。

基于故障诊断经验来讲，可以将有可能存在的故障逐一列出，通过总结和归纳出故障发生规律，建立故障数据库，在发生故障阶段，需要详细观察故障情况，通过查询数据库判断变频器故障发生类别，在故障模态与正常的变频器运行状态存在高相似度的前提下，往往难以精准匹配数据，这是专家系统法相对其他故障诊断方法的劣势。ANN、Fuzzy 数学、ANFIS 和FTA 故障树分析法等不同检查和测试智能算法，大量应用于变频器开路故障诊断中，取得的诊断效果较为显著，其中，在三相定子电流的故障诊断与分类过程中，可以积极应用上述智能算法，获得故障特征关键信息，通过在系数中的体现，识别故障状态，继而在仿真验证过程中，将故障的判别失误概率控制在<5%范围内。

为了有效诊断变频器开路故障，在上述两部分内容的基础上，电流检测法最为常用，通过派生引进Park矢量法进行检测，在诊断过程中，主要以归一化Park矢量法，设定三相定子电流在同一基波间隔内的平均值ya、yb、yc，根据负载大小对电流完成归一化，运用基于归一化平均电流Park 矢量法，完成正常及容错运行条件下的开路故障诊断，实时对ya、yb、yc的转换处理，避免在动态处理过程中发生误诊断，运算过程如以下公式所示：

如式中所示，转化后的石油钻机变频器开路电流分量已经出现，原始为ya，转化后为yβ。在计算周期范围内电压和电流的平均值过程中，运算过程如以下公式所示：

式中，N 为模值、相角，n 为电流均值，i 为周期范围内作业矢量。

完成上述针对变频器开路电流分量均值µ的计算后，根据计算所得结果，完成变频器开路故障的判断，求出三相定子电流直流分量的平均值，运算过程如以下所示：

在计算过程中，需要明确石油钻机变频器运行状态的正常，变频器能够在无损条件下运行，平均电流和平均电流矢量值均为0。假如在故障诊断过程中，发现晶体管存在短路或漏电的情况，发生驱动开路故障，则石油钻机变频器a 相中的负极断开，等于直流电路被切断，线路中并未通过电流，而b/c 两相电流将产生直流成分。一旦驱动电源管短路失效，变频器三相电流的相位差将造成三相间电流相互抵消，Park 矢量不再为0。当Park矢量模值大于一定阈值时，可以根据相角所属具体区域，判断IGBT 功率管是够存在明显的故障，继而，在此技术上，进行故障功率的失效程度，定位IGBT 功率管的失效位置。通过判别Park 矢量的相角和模值对发生开路故障的功率管进行定位，能够实现基于Park 矢量法的石油钻机变频器开路故障诊断，在诊断过程中，并不需要对开路障碍进行数据学习，极大程度上减少运算量，在完成故障诊断方法设计的同时，大幅度提升对故障的诊断准确概率，有力解决负突然增加或突然减少条件下，造成的误诊断。

3.2 诊断结果与分析

建立基于MATLAB/Simulink 的控制系统的德国DSPACE 实时仿真平台，采用国产奥圣75 千瓦石油钻机变频器（ASB530H-0.75G-MH）。为了充分验证文章提出故障诊断方法的有效性，可以通过DSPACE实时仿真平台，对变频器进行控制板功能平行代替。通过仿真变频器正常运行状态下的开路故障，建构DSPACE 和变频器功率单元电气接口，为了保证诊断结果的客观性，需要通过DSPACE 实时仿真平台搭建实验，使用集成的空间矢量脉宽调制单元、AD 和DA 转换单元，实现该方法诊断结果与MATLAB/Simulink 控制系统无缝衔接。

在故障诊断过程中，采集ASB530H-0.75G-MH 型号奥圣75 千瓦石油钻机变频器的运行信号，及时解决变频器应用过程中的电压波动问题，消除电压波动后，精准提取变频器故障信号特征，以COIMBRA 大学的电流检测法中的平均电流归一化PARK 矢量法，完成对变频器开路故障的诊断与分析。结果为“1”代表存在故障，结果为“0”代表不存在故障。

4 结语

石油钻机是重要的生产机械设备，随着石油油田钻井井深的持续变化，钻机钻杆的长度逐渐增加，随之而来的是，石油钻机面临逐渐升高的电气传动系统性能要求。大多数情况下，变频器（VFD）集成变频技术与微电子技术，通过一次侧主回路完成对电能的转换，输出调压、调频电源，不仅产生调压、稳频作用，同时充分利用二次侧控制电路完成基本管理控制指令的高级处理。为了实现对石油钻机变频器的故障做出及时、准确的分析和检测，避免因为开路故障导致的骤然停机，需要在石油钻机不同作业系统不停机的前提下，做好变频器的性能运维，以此延长石油钻机变频器的运行时长。