电动钻机转盘是由专用交流变频电动机进行拖动的。作为重要动力传递输出设备, 转盘电气控制及拖动部分是非常重要的。钻机转盘通常采用的是交流变频驱动, 即AC—SCR—AC控制。AC变频驱动是指将交流变频调速技术应用到钻机的电驱动控制系统上, 这种AC变频驱动具有调速精确、调速方便且范围广等特点。见图1。
1 转盘的电控系统
钻机转盘由VFD房西门子变频器控制一台300kW的交流变频电机经减速箱通过链条减速传动进行驱动。转盘的运行控制、转矩控制、速度控制由司钻控制台发出使能信号、正反转信号、紧急停车信号、转矩限制信号经过P L C传送到变频柜中CUVC控制板上。转盘具有转矩限制功能, 转盘扭矩可通过手轮控制在0%~100%范围内任意调节, 司钻可根据钻井工艺要求设定电动机最大输出转矩。转盘速度控制方式采用有速度传感器的矢量控制方式, 可实现大范围的调速控制。速度反馈由安装在转盘上的速度传感器将检测到的速度信号经变频器上的数字测速机接口板D T I传送到C U V C板上。C U V C板即主电路核心控制单元, 采用微处理器及数字信号处理器进行全数字控制, 可实现PWM波形调制处理、信号处理、运算处理和控制方式等功能。控制调节器如死区等参数可以通过变频器进行设置。转盘转速、扭矩可根据井下实际工况适时调整满足钻井工艺参数的需要。
PLC采集电动机的运行参数信号, 通过调速手轮可精确控制, 并同时具有状态联锁、惯刹与转盘传动联锁、参数联锁, 无论哪一项出现问题, 电机变频器都会保护动作, 转盘停转、惯刹动作。转盘还配有制动单元和制动电阻, 在需要制动的工况下, 自动投入工作并产生能耗制动。
转盘驱动控制的主电路图见图2。
2 转盘电控故障分析
2.1 故障案例
案例一:某钻井队2009年发生一次转盘停止故障。当时工况一开钻进, 钻深51米时起钻接单根。接完单根后发现转盘电机启动不起来。变频器显示故障代码为P008闭锁 (即启动时电机自动闭锁) 。多次启动尝试偶尔能正常启动, 启动后能正常运行, 但是启动相当困难。发电机运行状况良好, 监控屏上没有显示转盘电机风机等其他故障。
案例二:某钻井队2009年在一开表层钻进到160米接完单根, 在开动转盘开关准备进行钻进时, 发现转盘变频电机没有反应。检查发现司控房里液压猫头24V电源、阀岛24V电源和工业监控14V电源烧损, 转盘变频电机不能正常启动, VFD房转盘电机变频柜报故障代码为F011 (故障代码意义为变频柜电流传感器或变频电机短路) 。检测转盘变频电机绝缘、V F D房变频柜电流传感器及变频柜里的所有集成电路均完好, 但转盘电机变频柜依然报故障代码F011。后检查转盘变频电机动力电缆线, 发现1根电缆烧损、1根电缆被击穿, 造成接地引发电传系统故障。
2.2 可能的故障原因
2.2.1 风机故障
从电路联锁控制图上可以看出, 可能是风机故障, 或者风压检测开关故障。因为转盘电机采用的是强制风冷, 为了避免转盘电机因散热不良烧损, 当电机内无风压或风压过低不能触发风压开关时, 与转盘电机联锁的继电器不能得电信号闭合, 电机不能启动 (见图3) 。
如果显示为转盘风机失风, 除了风压开关的问题, 有可能是风机本身的故障或风机控制线路故障 (见图4) 。
如继电器RL01的故障, 热保护跳开或接触器KM2的故障, 都会造成风机停转, 而最终影响转盘电机的运行。这时候需要将风机开关打到手动上测试、检测等就可以查出问题。
2.2.2 继电器故障
风机与转盘电机联锁是通过继电器RL03的常开触点建立的, 一旦RL03故障, 造成不能动作, 此时转盘电机就启动不起来, 因为变频器CUVC板中X101-03 (正转) 或X101-04 (反转) 端子不能接受到启动信号。
2.2.3 启动按钮触点故障
同继电器故障一样, 启动触点一直断开, 不能将+2 4 V使能信号传给C U V C板也会造成电机无法启动。
2.2.4 零位联锁信号不能转换
由于转盘转矩和速度的给定都是采用的手轮模拟量输入方式, 易造成设置速度的零位漂移, 往往造成手轮速度在零位, 而电机速度不在零位, 为了避免这种情况在变频器内部对电机控制设置了一个参数, 成为死区, 即在这个范围内转盘速度为零。假如这个控制信号出现故障, 系统一直认为在死区, 会造成电机不能运转。
2.2.5 手轮变阻器故障
转盘电机的控制都是通过司钻对手轮的调节触发一个信号, 这个信号传递给变频柜中的CUVC板的。假如手轮坏掉, 不能给出合适的信号, 也可能造成变频器不能给出相应的使能信号, 或者给出错误的信号, 造成联锁电路触发一个信号将电机停掉。如转矩给定, 假如转矩本身给定很小, 但是传送过去的电压信号跟实际的不一样, 就造成扭矩实际过大等等。
2.2.6 变频急停误信号
急停这条线路上的控制信号故障是最容易造成电机停止的。为了保证转盘电机在紧急情况下能及时停止, 避免烧坏或发生井下事故, 在司控房操作台上安装了一个变频急停按钮。这个信号是一个+24V的信号, 通过一个常开点传送给CUVC板。假如这个按钮出现问题触点误合上, 就造成了急停, 使电机不能运行。另外一种就是在这条线路上, 因控制线间的绝缘问题造成其它线路窜一个电压到这条线路上, 也会造成电机急停。
2.2.7 与惯刹的联锁
为了保证转盘在正常停止或失电停车时因为惯性旋转继续旋转造成的麻烦, 在控制系统中采用了惯刹, 即通过对继电器和电磁阀控制气囊来刹车。惯刹的投入可以手动和自动 (见图5) 。
假如转盘启动信号继电器故障, 造成一直抱死或者误传一个信号给PLC, 造成PLC认为惯刹在运行, 从而导致电机不能启动。
另外, UPS, 220AC/24DC稳压电源或者司控房内24DC/10DC稳压板的故障都会造成电压信号错误或不稳定, 都会对转盘电机控制线路造成致命性的影响, 导致转盘电机不能正常运转。
2.2.8 变频柜CUVC板
ZJ30DB钻机转盘的矢量控制中, 有一个重要的硬件就是CUVC控制板和C B P通信板, 它的性能直接影响着电机的运行。在Z J 3 0 D B电机控制系统的V F D房中, C U V C板通过控制端子排X101、X102、X103与外面数字信号和模拟信号进行交换。在X101上的1端和2端为+/-24V电源正负端, 3~6端为双向数字输入输出端, 当作为数字输出端时, 数字输出形式是晶体管输出, 无电位隔离的继电器触点。X102上的15~18端为非电位隔离的两路模拟量输入端, 19~22端为两路模拟量输出端。X103同数字测速机机接口板DTI上的端子相连。
外围线路上的信号都要传送到C U V C板上, 通过CUVC板内部的电路对这些信号进行处理, 所以加入CUVC板上某部分出现故障, 那么信号就不能正常传送, 同样造成矢量控制不能实现, 电机不能正常运行。
2.3 现场检测分析
首先检测外部各线路, 风压信号正常, 继电器RL03线圈及各触点工作良好, 并且不存在虚电压, 排除了风机和风压开关问题;其次将连接VFD房和司控房的控制线都小心拆下, 用万用表检测, 线路联通完好, 并且内部线路没有发现短接现象;接上线后, 检查CUVC板端子, 发现从外部传过来的电压信号都正常, 在变频急停端口上检测无错误信号, 手轮模拟信号给定也在正常范围内;检查司控房各信号按钮、手轮变阻器也正常, 转盘惯刹动作都正常。这些就排除了外部问题。初步判断为变频柜内部故障。检测CUVC板上变频急停输入端口, 将该端口的控制指令P558值从17改为1做屏蔽实验时, 转盘运行正常;改为17时, 转盘电机启动困难, 时断时续。该故障原因最终确定为由于外部极小扰动导致端口内晶体管或其他元件中的电容储能了, 不能及时排除, 在转盘电机启动时就给一个急停信号, 变频器自动闭锁, 电机就不能正常启动。
3 结语
(1) 从现场故障中可以看出外部电控线路的维护非常重要, 尽管案例一是CUVC板端子问题, 但说明外部线路还是存在瑕疵 (有扰动信号) , 控制线路中某些绝缘问题导致电压窜到变频急停这条控制线上了;案例二是由于将电缆埋于地下后一根电缆破损后将另一根电缆击穿。这就要求电气技术人员格外重视线路的安装连接操作及日常巡回检查, 充分考虑各种因素对变频电机的绝缘结构、振动、噪声、冷却方式等方面的影响。而且要经常加强对地绝缘的检查, 避免冲击电压的影响。
(2) 加强对电气线路、制动电阻、电机风机、断路器、继电器及其他安全保护开关等各元器件的检查, 并进行定期除尘。
(3) 司钻操作要保持平稳, 因为制动单元在接通制动电阻时也有一个反应时间, 避免反扭矩过大造成堵转以及急刹车带来的冲击电流将造成对变频器、电动机、甚至整个电气系统的损坏, 对设备安全造成极大的威胁。
摘要：电动钻机通常采用变频器对转盘电机进行矢量控制和V/F控制, 以达到精确的调速。转盘电机的电控系统对转盘的运行起着核心关键作用, 由逻辑互锁控制电路, 根据转盘实际工作情况的检测信号, 实现实时惯刹停机的功能, 对电机起到保护作用。一旦在安装、操作、维护等过程的某个细小环节出现问题, 都将引起转盘电控故障导致停转。本文主要对钻机转盘电机的现场发生的两起电控系统故障原因进行分析探讨。
关键词：转盘变频电机,电控故障