張國(guó)輝,梁長(zhǎng)征,管錫明

（1.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 402160； 2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津 300450；3.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探鉆井一公司，遼寧 盤(pán)錦 124010）

變頻器在石油鉆機(jī)不同作業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠在有效滿(mǎn)足起重和要求的同時(shí)，改良機(jī)械平均節(jié)能概率，在實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的同時(shí)，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命，避免機(jī)械設(shè)備故障對(duì)作業(yè)效率、水平產(chǎn)生的影響，確保石油鉆機(jī)能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。變頻器容易在結(jié)露、腐蝕、粉塵與高低溫等復(fù)雜條件的自然與EMI、過(guò)壓與過(guò)流等電磁環(huán)境條件下出現(xiàn)開(kāi)路故障，可能造成石油鉆機(jī)異常停機(jī)等不可估算的巨大經(jīng)濟(jì)損失。故障診斷利用ES、ANN、Fuzzy 數(shù)學(xué)和FTA 故障樹(shù)分析法等不同檢查和測(cè)試方法，檢測(cè)石油鉆機(jī)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)石油鉆機(jī)不同作業(yè)系統(tǒng)的異常運(yùn)行狀態(tài)，分析變頻器開(kāi)路故障出現(xiàn)原因，對(duì)變頻器未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判。

1 石油鉆機(jī)變頻器應(yīng)用過(guò)程中的電壓波動(dòng)解決

為提升變頻器應(yīng)用過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，需要建立石油鉆機(jī)變頻器與智能監(jiān)控系統(tǒng)間的通信連接，通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，搭建智能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中臺(tái)與石油鉆機(jī)變頻器間的工業(yè)級(jí)無(wú)線(xiàn)DTU 數(shù)傳終端連接橋梁。通過(guò)DTU應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)反饋?zhàn)冾l器運(yùn)行信號(hào)與開(kāi)路故障，考慮到接收和傳輸過(guò)程中，關(guān)鍵信息需要承受的噪聲和干擾，需要在采集信號(hào)后，應(yīng)用成熟的電源端控制、負(fù)載端控制電壓波動(dòng)解決方法處理信號(hào)，可以將此過(guò)程作為SSA-ICA 盲源分離處理基礎(chǔ)，在已知信號(hào)源關(guān)鍵性能指標(biāo)與信號(hào)信道傳輸影響參數(shù)的前提下，提取噪聲信號(hào)、離散時(shí)間序列等觀(guān)測(cè)信號(hào)，將上述信號(hào)錄入觀(guān)測(cè)處理系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)盲源信號(hào)的盲源分離去噪處理，并以此為電壓波動(dòng)解決基礎(chǔ)。

按照一般經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，由于石油鉆機(jī)變頻器直流母線(xiàn)電壓為電源電壓的倍數(shù)值。因此，在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，直流母線(xiàn)電壓的允許范圍需要達(dá)到一定過(guò)壓、欠壓檢測(cè)范圍，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器運(yùn)行狀態(tài)的邏輯檢測(cè)。通常電氣傳動(dòng)變頻器在石油鉆機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，需要滿(mǎn)足足夠的電壓的穩(wěn)定度，電壓需要在額定電壓正負(fù)10%間的范圍內(nèi)波動(dòng)，符合10%的欠壓容量，一旦出現(xiàn)直流母線(xiàn)電壓低于設(shè)定閾值的情況，便于采取相應(yīng)保護(hù)措施，避免石油鉆機(jī)發(fā)生故障性損壞。為了解決石油鉆機(jī)變頻器應(yīng)用過(guò)程中的電壓波動(dòng)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)在處理完畢信號(hào)后，通過(guò)引進(jìn)基于鏡像電流源檢測(cè)法的快速過(guò)流和短路保護(hù)方案，在直流母線(xiàn)電壓產(chǎn)生波動(dòng)性動(dòng)態(tài)變化階段，對(duì)電源的異常電壓輸出及時(shí)故障診斷，并且，將診斷數(shù)據(jù)作為石油鉆機(jī)變頻器反饋信號(hào)電壓波動(dòng)解決的第一手依據(jù)。在消除變頻器反饋信號(hào)電壓波動(dòng)過(guò)程中，可以參照基爾霍夫電流定律，對(duì)石油鉆機(jī)變頻器的電壓進(jìn)行計(jì)算。

2 石油鉆機(jī)變頻器作業(yè)異常信號(hào)特征提取

石油鉆機(jī)變頻器經(jīng)常受到高生產(chǎn)負(fù)荷和惡劣生產(chǎn)環(huán)境的干擾，而產(chǎn)生運(yùn)行故障，繼而影響作業(yè)如常進(jìn)行。在上述研究基礎(chǔ)上，為了深度了解石油鉆機(jī)變頻器作業(yè)異常形式，需要利用智能型自動(dòng)化嵌入式電壓傳感器終端和磁傳感器等，針對(duì)變頻器模塊燒損、過(guò)電流、電壓故障特征進(jìn)行掃描，根據(jù)故障識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行故障歸類(lèi)，在掃描變頻器模塊過(guò)程中，提取變頻器作業(yè)過(guò)程中的異常信號(hào)特征。大多數(shù)情況下，石油鉆機(jī)變頻器發(fā)生作業(yè)異常時(shí)的模塊故障，通過(guò)不同的故障表現(xiàn)，并不局限于主電源端子、短路、開(kāi)路問(wèn)題，可能存在端子與主端子間的短路觸發(fā)情況。例如，在石油鉆機(jī)變頻器作業(yè)時(shí)，單一模塊通常由1 個(gè)逆變H 橋和4 個(gè)IGBT 功率管驅(qū)動(dòng)，每個(gè)功率管并聯(lián)1 個(gè)吸收電容，對(duì)應(yīng)來(lái)看，石油鉆機(jī)變頻器故障的異常信號(hào)特征至少存在15 種表現(xiàn)形式，一旦石油鉆機(jī)變頻器發(fā)生IGBT 逆變模塊燒損時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)針對(duì)功率管驅(qū)動(dòng)進(jìn)行檢查，避免器件再次損壞，可以利用MATLAB R2020a 軟件中的SCOPE 波形提取工具，將仿真波形提取到FIGURE，通過(guò)左右坐標(biāo)處理，完成圖像雙坐標(biāo)軸基本處理。

將IGBT 高功率密度石油鉆機(jī)變頻器運(yùn)行中的故障狀態(tài)錄入數(shù)據(jù)輸入終端，利用成熟的線(xiàn)性盲源分離算法Fast ICA，快速完成批處理、分析混合后的信號(hào)，在應(yīng)用過(guò)程中，為模擬IGBT高功率密度石油鉆機(jī)變頻器故障，采用SIMULINK 中的MATLAB Function 函數(shù)生成SPWM 波形模塊啟閉程序，在此基礎(chǔ)上，調(diào)整PRG、功能碼后，等待并按動(dòng)ENTER 鍵，直至修改為50Hz 的輸出頻率為止，確定后再次調(diào)整PRG，讀取TOFILE4 生成的二進(jìn)制文件，返回后查看不同IGBT 逆變模塊的輸出電壓數(shù)據(jù)。在執(zhí)行上述操作過(guò)程中，需要確保故障集中包含至少10 個(gè)帶有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集，在讀取數(shù)據(jù)集過(guò)程中，每類(lèi)數(shù)據(jù)集故障樣本的數(shù)量、length、hp、故障程度，應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足遷移診斷的靈活選取需求，每個(gè)數(shù)據(jù)集涉及到100000×1列矢量數(shù)據(jù)，針對(duì)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)Fast ICA 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展開(kāi)運(yùn)算。由于獨(dú)立分量估計(jì)包含一定程度的信息，需要基于獨(dú)立分量進(jìn)行估算，在特征向量提取過(guò)程中，需要針對(duì)變頻器的混合信號(hào)進(jìn)行Fast ICA分離處理，選取包含關(guān)鍵故障信息的獨(dú)立分量進(jìn)行估算，得出不同信號(hào)的獨(dú)立分量總量，提取故障信號(hào)特征參數(shù)，繪制ICA 故障特征信號(hào)波形圖，確定故障類(lèi)型和特征。

3 石油鉆機(jī)變頻器故障診斷方法

3.1 變頻器開(kāi)路故障診斷

相對(duì)短路故障，變頻器開(kāi)路故障不易被發(fā)覺(jué)，但危害性較為巨大，假如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，容易發(fā)生過(guò)流故障，引起變頻器轉(zhuǎn)矩縮小、過(guò)熱和絕緣損耗等機(jī)械事故。石油鉆機(jī)變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)中，電流波形呈現(xiàn)出正弦、余弦曲線(xiàn)，曲線(xiàn)位置不同，周期范圍內(nèi)，電壓和電流的的周期平均值必然為0。如果石油鉆機(jī)變頻器產(chǎn)生開(kāi)路故障，那么，電壓和電流的周期平均值必然非0。

基于故障診斷經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，可以將有可能存在的故障逐一列出，通過(guò)總結(jié)和歸納出故障發(fā)生規(guī)律，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)，在發(fā)生故障階段，需要詳細(xì)觀(guān)察故障情況，通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)判斷變頻器故障發(fā)生類(lèi)別，在故障模態(tài)與正常的變頻器運(yùn)行狀態(tài)存在高相似度的前提下，往往難以精準(zhǔn)匹配數(shù)據(jù)，這是專(zhuān)家系統(tǒng)法相對(duì)其他故障診斷方法的劣勢(shì)。ANN、Fuzzy 數(shù)學(xué)、ANFIS 和FTA 故障樹(shù)分析法等不同檢查和測(cè)試智能算法，大量應(yīng)用于變頻器開(kāi)路故障診斷中，取得的診斷效果較為顯著，其中，在三相定子電流的故障診斷與分類(lèi)過(guò)程中，可以積極應(yīng)用上述智能算法，獲得故障特征關(guān)鍵信息，通過(guò)在系數(shù)中的體現(xiàn)，識(shí)別故障狀態(tài)，繼而在仿真驗(yàn)證過(guò)程中，將故障的判別失誤概率控制在<5%范圍內(nèi)。

為了有效診斷變頻器開(kāi)路故障，在上述兩部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，電流檢測(cè)法最為常用，通過(guò)派生引進(jìn)Park矢量法進(jìn)行檢測(cè)，在診斷過(guò)程中，主要以歸一化Park矢量法，設(shè)定三相定子電流在同一基波間隔內(nèi)的平均值ya、yb、yc，根據(jù)負(fù)載大小對(duì)電流完成歸一化，運(yùn)用基于歸一化平均電流Park 矢量法，完成正常及容錯(cuò)運(yùn)行條件下的開(kāi)路故障診斷，實(shí)時(shí)對(duì)ya、yb、yc的轉(zhuǎn)換處理，避免在動(dòng)態(tài)處理過(guò)程中發(fā)生誤診斷，運(yùn)算過(guò)程如以下公式所示：

如式中所示，轉(zhuǎn)化后的石油鉆機(jī)變頻器開(kāi)路電流分量已經(jīng)出現(xiàn)，原始為ya，轉(zhuǎn)化后為yβ。在計(jì)算周期范圍內(nèi)電壓和電流的平均值過(guò)程中，運(yùn)算過(guò)程如以下公式所示：

式中，N 為模值、相角，n 為電流均值，i 為周期范圍內(nèi)作業(yè)矢量。

完成上述針對(duì)變頻器開(kāi)路電流分量均值μ的計(jì)算后，根據(jù)計(jì)算所得結(jié)果，完成變頻器開(kāi)路故障的判斷，求出三相定子電流直流分量的平均值，運(yùn)算過(guò)程如以下所示：

在計(jì)算過(guò)程中，需要明確石油鉆機(jī)變頻器運(yùn)行狀態(tài)的正常，變頻器能夠在無(wú)損條件下運(yùn)行，平均電流和平均電流矢量值均為0。假如在故障診斷過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)晶體管存在短路或漏電的情況，發(fā)生驅(qū)動(dòng)開(kāi)路故障，則石油鉆機(jī)變頻器a 相中的負(fù)極斷開(kāi)，等于直流電路被切斷，線(xiàn)路中并未通過(guò)電流，而b/c 兩相電流將產(chǎn)生直流成分。一旦驅(qū)動(dòng)電源管短路失效，變頻器三相電流的相位差將造成三相間電流相互抵消，Park 矢量不再為0。當(dāng)Park矢量模值大于一定閾值時(shí)，可以根據(jù)相角所屬具體區(qū)域，判斷IGBT 功率管是夠存在明顯的故障，繼而，在此技術(shù)上，進(jìn)行故障功率的失效程度，定位IGBT 功率管的失效位置。通過(guò)判別Park 矢量的相角和模值對(duì)發(fā)生開(kāi)路故障的功率管進(jìn)行定位，能夠?qū)崿F(xiàn)基于Park 矢量法的石油鉆機(jī)變頻器開(kāi)路故障診斷，在診斷過(guò)程中，并不需要對(duì)開(kāi)路障礙進(jìn)行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，極大程度上減少運(yùn)算量，在完成故障診斷方法設(shè)計(jì)的同時(shí)，大幅度提升對(duì)故障的診斷準(zhǔn)確概率，有力解決負(fù)突然增加或突然減少條件下，造成的誤診斷。

3.2 診斷結(jié)果與分析

建立基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)的德國(guó)DSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，采用國(guó)產(chǎn)奧圣75 千瓦石油鉆機(jī)變頻器（ASB530H-0.75G-MH）。為了充分驗(yàn)證文章提出故障診斷方法的有效性，可以通過(guò)DSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，對(duì)變頻器進(jìn)行控制板功能平行代替。通過(guò)仿真變頻器正常運(yùn)行狀態(tài)下的開(kāi)路故障，建構(gòu)DSPACE 和變頻器功率單元電氣接口，為了保證診斷結(jié)果的客觀(guān)性，需要通過(guò)DSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)，使用集成的空間矢量脈寬調(diào)制單元、AD 和DA 轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)該方法診斷結(jié)果與MATLAB/Simulink 控制系統(tǒng)無(wú)縫銜接。

在故障診斷過(guò)程中，采集ASB530H-0.75G-MH 型號(hào)奧圣75 千瓦石油鉆機(jī)變頻器的運(yùn)行信號(hào)，及時(shí)解決變頻器應(yīng)用過(guò)程中的電壓波動(dòng)問(wèn)題，消除電壓波動(dòng)后，精準(zhǔn)提取變頻器故障信號(hào)特征，以COIMBRA 大學(xué)的電流檢測(cè)法中的平均電流歸一化PARK 矢量法，完成對(duì)變頻器開(kāi)路故障的診斷與分析。結(jié)果為“1”代表存在故障，結(jié)果為“0”代表不存在故障。

4 結(jié)語(yǔ)

石油鉆機(jī)是重要的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，隨著石油油田鉆井井深的持續(xù)變化，鉆機(jī)鉆桿的長(zhǎng)度逐漸增加，隨之而來(lái)的是，石油鉆機(jī)面臨逐漸升高的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)性能要求。大多數(shù)情況下，變頻器（VFD）集成變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)一次側(cè)主回路完成對(duì)電能的轉(zhuǎn)換，輸出調(diào)壓、調(diào)頻電源，不僅產(chǎn)生調(diào)壓、穩(wěn)頻作用，同時(shí)充分利用二次側(cè)控制電路完成基本管理控制指令的高級(jí)處理。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)石油鉆機(jī)變頻器的故障做出及時(shí)、準(zhǔn)確的分析和檢測(cè)，避免因?yàn)殚_(kāi)路故障導(dǎo)致的驟然停機(jī)，需要在石油鉆機(jī)不同作業(yè)系統(tǒng)不停機(jī)的前提下，做好變頻器的性能運(yùn)維，以此延長(zhǎng)石油鉆機(jī)變頻器的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。