ＭＭ４４０ 变频器在高速离心机中的应用
| 1.翟梦群 2.李月琴 2.侯忠奎 （ １． 西北农林科技大学， 陕西 杨凌 ７１２１００； ２． 天水电气传动研究所， 甘肃 天水 ７４１０１８） 摘要： 介绍了利用 Ｓ７ ３００ 和变频器 ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ４４０ 所组成的 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ ＤＰ 通讯网络， 实现了对高速离心机主、辅电动机转速的调整， 满足了现场工况的要求； 同时探讨了在离心机工作中， 由于主机减速和辅机正常工作时处于再生制动状态， 放弃了采用制动电阻进行能量消耗的模式， 转而采用了公共直流母线方式，有效地消耗了再生能量。 关键词： 离心机； ＭＭ４４０ 变频器； 再生制动； 公共直流母线 中图分类号： ＴＮ７７３ 文献标识码： Ａ １ 前言 我国每年新增几千口油气井， 每口井完井后产生的废钻井液大约有 ７０～８０ｍ３， 含水质量高达６０％， 这种废钻井液是一种包含多种有害物质的混合物， 且常堆积在井场附近， 造成水和环境的污染， 同时浪费宝贵的土地资源。随着现代石油钻井技术的进步和环保意识的提高， 同时按照油田ＨＳＥ 的要求， 油气勘探开发业主希望使用更清洁的泥浆钻井以保护油气层， 从而获得更高的油气产量， 减少环境污染。涡轮螺杆钻井工艺的应用对泥浆的清洁性提出了更高要求， 废弃泥浆的处理将越来越受到重视， 而处理废弃泥浆主要就是尽可能地分离其中的固相和液相， 这些都对石油钻井固控系统提出了更高的要求， 而钻井液的固液分离除了振动筛、除砂器、除泥器外， 更彻底的分离设备就是离心机设备。中速离心机可分离低粘度泥浆中直径最小至 ５～７ μｍ 的固相颗粒， 对于更细小的颗粒和高粘度泥浆或油基泥浆中的颗粒就显得力不从心了， 并且中速离心机由于机械结构的缘故一般不能进行转差率调整， 所以说中速离心机难以适应对固控系统的新要求， 配置高速离心机是满足新一代钻井的必然选择。我们采用ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ ４４０ 变频器， 利用ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线技术，控制和调节 ＬＷ３５５－１２５０Ｎ系列高速离心机主机和辅机电机的转速，可随时合理地调节调整转鼓转速和螺旋推进器与转鼓的转速差，进行固液更好的分离，满足现代钻井的工艺和技术要求。 ２ 系统配置及调速要求 此系统主要由离心机的机械总成和 １ 台 ３０ ｋＷ的主机电机、１ 台 ７．５ ｋＷ 的辅机电机、１ 台 ５．５ ｋＷ的供液泵电机、 个控制柜 （ 柜内装有主电机变频 １器、辅助电机变频器等） 、1个控制箱组成。 ２．１ 离心机的机械结构 卧式螺旋离心机通常由两部分组成： 一部分是转鼓， 另一部分是螺旋输变器。螺旋在转鼓里面，且两者同轴， 转鼓与螺旋之间有 ２ ｍｍ 的间隙。当泥浆由供料端进入转鼓中， 泥浆液随同转鼓旋转，这时固体颗粒在离心力的作用下沉降到转鼓壁上， 在螺旋输送器的作用下， 将沉降到转鼓壁上的固体颗粒排出， 这样就实现了固—液相的分离。螺旋输送器、转鼓的转速差与转鼓转速之比称为转差率， 转差率很小， 并且在实际应用中根据泥浆情况， 应能调节转差率， 以便达到更好的分离效果。调节转鼓与螺旋输送器的转差率， 从目前来看中速离心机采用行星差速器， 将转鼓与螺旋输送器轴连接起来， 转差率没有办法调整， 故固液分离效果不理想。本系统中用到的 ＬＷ３５５－ １２５０Ｎ 高速离心机， 主电机驱动滚筒旋转， 辅助电动机驱动螺旋输送器， 通过 ＭＭ４４０ 变频器无级调节两个电机的转速改变转差率， 更好地实现了固液分离。 ２．２ 系统组成及框图 离心机电控系统主要由主离心机变频器、辅助电 机 变 频 器 、ＳＩＥＭＥＮＳ ３１５ －２ＤＰ 及 Ｉ／Ｏ 模 块 、ＳＩＥＭＥＮＳ ＴＰ１７０Ｂ 触摸屏、上位机＋ｗｉｃｃ 组成， 如图１ 所示。离心机电控系统作为 ＣＰＵ ３１５－２ＤＰ 的 １ 个Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ 的从站， 通过控制两台 ＭＭ４４０ 变频器来调节离心机主电机和辅助电机的转速， 实现对离心机转鼓的调整， 如离心机的启动、停止、加速、减速等功能。ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ 适应于高速通信的场合，采用 ＲＳ－４８５ 双绞线电缆或光纤传输， 波特率从 ９．６Ｋｂ－１２ ＭＢ， 采用点对点（ 用户数据与传输） 或广播（ 控制指令） 方式， 支持循环的主从数据传输。  ２．３ 离心机的调速要求 转鼓是高速离心机工作的核心， 是直径 ３５５ ｍｍ、长度１２５０ ｍｍ 的圆筒状不锈钢结构， 转鼓的旋转靠离心机主电机带动齿轮皮带进行传动， 具有转动惯量大、摩擦力小、转速高的特点， 同时螺旋在转鼓内且同轴， 由辅助电动机驱动。这样对离心机的调速就有如下要求： （ １） 离心机在不工作状态下， 应保持安全状态， 转速为 ０ｒ ／ｍｉｎ。 （ ２） 根据离心机的工艺要求， 启动时先启动辅机， 再启动主机； 停止时先停主机， 再停辅机。这样在启动、停止离心机时， 会出现共振现象， 为了有效的减小共振， 降低机械损耗， 启动辅机时， 初始预设定的频率一般为 ３０ Ｈｚ， 而主机设定的初始频率一般为 ４０ Ｈｚ； 停离心机时， 同样先降低主、辅机电机的转速， 再进行停机操作。 （ ３） 由于螺旋在转鼓内且同轴， 在离心机正常工作中驱动螺旋的辅机电动机处于发电状态， 主机处于电动状态， 并且主机减速时也处于发电状态，且能量较大， 时间较长， 处于发电的能量需要通过合理通道进行消耗。 （ ４） 离心机转鼓、螺旋的转速需要经常调整， 升速、减速频繁。 ３ 离心机控制回路与变频器的选型 ３．１ 离心机的控制回路 ＭＭ４４０ 系列变频器是通用型的矢量控制变频器， 具有 Ｖ／ｆ 特性曲线的频率控制方式和磁场定向矢量控制方式。在本系统中，离心机主、辅机电动机采用Ｖ／ｆ特性曲线的频率控制方式，输入有进线电抗器，输出均无电抗器。根据离心机的工艺要求，利用 ＭＭ４４０ 变频器调节主、辅电动机的转速，很容易满足离心机转速的要求，可是当离心机处于再生制动状态时，产生的能量如何消耗是关键问题。 按照离心机的工作要求启动顺序为： 辅机－ 主机－ 泵机； 停止顺序为泵机－ 主机－ 辅机并且主电机驱动１个重达１吨左右的转子高速旋转（ ３２５０ ｒｐｍ） ，转子的惯性非常大， 加速时间要求较长（ １２０ ｓ） ， 减速时主机发电会有高压产生， 同时辅机正常工作时扭矩方向与旋转方向相反， 辅机处于再生制动状态， 只有辅机启动或处理故障时处于电动状态。主、辅机处于再生制动状态时， 产生的能量如果没有有效的方式释放， 就会产生高压， 轻则系统报过压故障， 严重时会烧毁电机或变频器。我们按离心机的工艺要求， 有两种方案可供选择： 第一种方案， 配置制动电阻。在电动机处于再生制动状态时， 拖动系统的动能要反馈到直流回路， 使直流电压 ＵＤ 不断上升， 甚至达到危险的地步， 所以必须将再生到直流回路的能量消耗掉， 使ＵＤ保持在允许的范围内。按现在的通常办法， 制动电阻是首选器件。可是在离心机系统中我们不能够准确的计算出需要消耗的能量， 只能利用最大的制动能量 ７．５ ｋＷ 衡量， 这样订做的制动电阻体积很大， 并且发热严重， 在移动的电控设备中， 尤其在封闭的电控房内， 没有最佳的安装方式和制冷措施，同时如果放在电控房内又会加快其他电器元件、电缆等的老化速度， 减少使用寿命； 如果放在户外就会在换井位时给搬家带来不便甚至出现错线、屏蔽层断裂等情况， 对设备安全远行造成隐患。 第二种方案， 把主、辅机的直流母线连通， 形成所谓的公共直流母线系统， 这样把正常工作时辅机再生制动产生的的能量由主机消耗； 主机减速时再生制动产生的能量由辅机消耗， 避免了正常工作和主机减速时产生过压故障， 同时利用变频器内部的 ＯＦＦ３ （ 使电动机快速的减速停车命令） 功能进行正常的减速、停车， 不需要配加制动电阻、施工也简单方便， 提高了设备的性价比。因此我们选择更加合理的第二种方案， 电气控制框图如图 ２ 所示。 ３．２ 调速特点与要求 根据高速离心机的调速特点与要求， 本系统选用了 Ｍｉｃｒｏｍａｔｅｒ ４４０ 系列变频器， 变频器主回路结构为目前的主流形式： 不控整流 ／可控整流， 电容滤波， ＰＷＭ逆变， 其结构如图 ３ 所示。 其中整流桥为可控整流， 可以对直流侧电压Ｖｄ 进行调节， 这时能耗制动被禁止。当设置参数使能耗制动投入时， 直流电压的调节作用自动被禁止， 否则直流电压不易稳定， 会引起 Ｖｄ 的长时间振荡； 这时当遇到重负载工况时， Ｖｄ 会有所下降， 而控制算法中对调制深度予以校正。当 Ｖｄ 下降时增大调制系数以保持输出电压的幅值不变。 本系统中变频器的参数如下： ４５ ｋＷ 变频器主要参数如下： 输入 ３ＡＣ ６６０～ ６９０ Ｖ，１１８８ Ａ， ５０／６０ Ｈｚ 输出 ３ＡＣ ０～６９０ Ｖ， １０８０ Ａ， ０～２００ Ｈｚ 最大输出电流 １４６９ Ａ， １３６％ １ 分钟 ７．５ ｋＷ 变频器主要参数如下： 输入 ３ＡＣ ３８０～４８０ Ｖ， １０１ Ａ， ５０／６０ Ｈｚ 输出 ３ＡＣ ０～４８０ Ｖ， ９２ Ａ， ０～２００ Ｈｚ 最大输出电流 １２６ Ａ， １３６％ ｆｏｒ １ 分钟 ３．３ 参数设置 本系统中 ＭＭ４４０ 变频器的主要调节参数如表 １ 所示。 ４ 结束语 利用 ＰＬＣ 通过 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ ＤＰ 通讯网络控制 Ｍｉｃｒｏｍａｓｔｅｒ ４４０ 变频器实现了高速离心机对转鼓、螺旋的复杂无级调速要求， 既简化了布线， 减少了故障点， 又增加了运行状态参数的监视， 提供了完善的保护措施， 取得了非常好的应用效果， 同时利用公共直流母线提高了 设备的性价比。 参考文献： １］ 西门子电气传动有限公司． ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ 通用变频器使用大全， １９９９． ２］ 陈伯时， 陈敏逊． 交流调速系统［ Ｍ］ ． 北京： 机械工业出版 社， １９９８． ３］ 马小亮． 大功率交－ 交变频调速及矢量控制技术（ 第二版）［ Ｍ］ ． 北京： 机械工业出版社， １９９６． ４］ 冯垛生， 曾岳南． 无速度传感器矢量控制原理与实践［ Ｍ］ ．北京： 机械工业出版社， １９９７． ５］ 陈国呈． ＰＷＭ变频调速及软开关电力变换技术［ Ｍ］ ． 北京： 机械工业出版社， ２００１． ６］ 邱公伟． 可编程控制器网络通信及应用［ Ｍ］ ． 北京： 清华大学出版社， ２０００． 作者简介： 翟梦群（ １９７５－） ， 女， 助理工程师， 西北农林科技大学机电工程学院教师， 主要从事数控技术方面的研究。 李月琴（ １９７０－） ， 女， 助理工程师， 在天水电气传动研究所大型驱动工程部从事石油钻机辅助设计工作。 侯忠奎（ １９７５－） ， 男， 工程师， 毕业于西安理工大学自动控制专业， 一直从事石油电控钻机的开发、研究及应用。 |
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