CN107017819A - 一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法，具体为：实时采样变频器输出电流值，若大于设定保护值，则将变频器的工作频率和输出电压设定到最低值，从而使变频器输出电压迅速降低，电机定子电流也迅速降低，避免定子电流上升到停机保护值而停机，实现故障穿越；之后，通过自动柔性恢复，电机的输出电压和频率上升，井壁取芯器液压大泵的压力也得到恢复，钻头可以继续钻进，实现故障穿越。本发明还提供了实现上述方法的***。本发明在卡钻定子电流剧增时快速将电流降低到安全范围，并且避免发生保护性停机，并且能够柔性自动恢复为井壁取心器卡钻时钻头的及时退钻和后续的钻进提供持续动力。

Description

一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法及***

技术领域

本发明属于电力电子设备领域，涉及一种用于为钻进式井壁取芯器供电的高压变频器的控制方法及***，具体涉及一种钻进式井壁取芯高压变频器在取芯过程中钻头卡钻(电机的机械负载剧增)时避免变频器因输出电流过大而发生停机保护，并且实现变频器自动柔性恢复使电机迅速恢复对取芯器的动力供应，从而穿越卡钻故障的控制方法及***。

背景技术

在钻进式井壁取心领域，钻进式井壁取芯器及其驱动电机在数千米深的井下岩层位置进行取芯作业时，高压变频器则位于井口，变频器通过长电缆给电机供电。变频器输入AC380V市电，通过交直交高频功率变换，输出频率电压可调的交流电，输出交流电压最高可达AC1800V。由于电缆长度长，位于井下的井壁取芯器驱动电机的转速等参数难以实施检测，并且长电缆的电阻会导致的电压损失，长电缆导致的分布参数也会对传感器检测产生的模拟信号的传输造成较大的干扰，故井下电机一般不进行转速闭环控制，而是直接运行在恒压频比模式，但是对于如何克服长线缆产生的压降造成的不利影响，使电机的定子端电压频率比合理，从而使电机工作在最佳工作状态，目前尚没有方便快捷的解决方案。目前取芯操作人员只能根据经验手动设置变频器的输出电压，使经过长缆损失后电机的电压频率比维持在一个合理的范围内，使电机输出尽可能大的转矩，且不会导致励磁电感饱和，造成发热。

取芯器的钻头在井壁岩石中钻进的过程中，经常会发生岩石突然***钻头被卡死的情况，这种情况下电机由于负载突增转速急剧下降甚至堵转，变频器负载电流也会急剧增大，最大可以达到额定电流的3倍以上，这种情况下一般变频器使用输出过流停机的方式来实现对变频器及电机的保护，即一旦检测到输出电流达到一定的阈值时即刻停止工作，等待运行维护人员排除过流原因后再次启动变频器才能重新投入工作。这种处理方式虽然可以防止设备损坏，但是却不能应用于井壁取芯器变频器。因为井壁取芯器的钻头在卡死之后，变频器一旦停机，驱动电机无法工作，整个取芯器就失去动力，钻头在无法钻进的情况下必须立刻退出岩石，否则一旦井壁取芯器在井下泥浆循环的冲击下发生下滑，嵌在岩石中的钻头就会被彻底卡注，此时即使电机重新启动，也无法将钻头退出岩石，更难以继续钻进；并且如果退钻困难费时，又会反过来导致取芯器在同一个岩层位置停留的时间过长，取芯器被井内泥浆粘卡，取芯器无法移动甚至无法拉出深井，造成严重的生产事故，所以卡钻时变频器停机保护将会造成严重的后果。

为了避免发生上述事故，井壁取芯器操作人员在遇到钻头卡钻的情况，往往要紧盯取芯控制***面板的显示数据，数据异常时迅速做出反应，立即按下退钻指令按钮，避免大电流损坏取芯仪器，同时也为了避免变频器停机造成电机失去供电，精力必须高度集中，操作稍慢就会导致大电流取芯器损坏或者变频器停机取芯器无法退钻和继续钻进。在一次长达几十个小时的取芯过程中，遇到的卡钻次数非常多，这就对取芯操作人员形成巨大的负担。因此，迫切需要一种能够自动限流且能够柔性恢复供电的变频器。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法及***，在卡钻定子电流剧增时快速将电流降低到安全范围，并且避免发生保护性停机，并且能够柔性自动恢复为井壁取心器卡钻时钻头的及时退钻和后续的钻进提供持续动力，适应频繁连续卡钻的工况，整个过程完全自动化，避免了井壁取芯器因为钻头卡钻而造成仪器损坏，并且大大降低了井壁取芯器操作人员的劳动强度。

一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法，包括以下步骤：

(1)高压变频器正常运行；

(2)实时采集变频器输出电流值；

(3)若变频器输出电流值大于等于卡钻保护值，则表明出现卡钻，进入步骤(4)，否则转入步骤(1)；

(4)降低高压变频器的输出电压和工作频率至最低值；

(5)实时采集变频器输出电流值，若变频器输出电流值小于限流值，则进入步骤(6)，否则返回步骤(5)；

(6)将高压变频器设定到软启动工作状态，即工作频率逐步增大，输出电压值逐步增大，输出电流值逐步增大；

(7)若输出电流恢复到卡钻前状态，进入步骤(1)，否则，返回步骤(5)。

一种高压变频器的暂态故障穿越控制***，包括：

采集模块，用于实时采集变频器输出电流值；

卡钻判定模块，用于判定若变频器输出电流值大于等于卡钻保护值，则表明出现卡钻，调用设置模块，否则表明变频器正常运行；

设置模块，用于降低高压变频器的输出电压和工作频率至最低值；

软启动触发模块，用于实时采集变频器输出电流值，若变频器输出电流值小于限流值，则调用软启动模块；

软启动模块，用于将高压变频器设定到软启动工作状态，即工作频率逐步增大，输出电压值逐步增大，输出电流值逐步增大；

恢复判定模块，用于在软启动工作状态中判定若输出电流恢复到卡钻前状态，表明变频器正常运行，否则，启用软启动触发模块。

本发明的有益技术效果体现在：

在取芯器发生钻头卡钻时，本方案不采用传统的变频器在检测到过流时停机保护限制输出电流的方法，而是立刻将工作频率和输出电压指令设定到一个较低的值，及时降低输出电流，避免过流停机。由于电机定子绕组及长线缆的阻抗的存在，所以即使电机堵转，变频器输出较低的电压时，变频器输出电流可以快速降低到安全值以内，起到限制输出电流的效果，并且避免了变频器停机导致井壁取芯器失去退钻动力的危险。如果输出电压频率一直保持在这个状态，电机提供的动力又无法满足井壁取芯器在钻头解除卡钻后及时驱动钻头再次向前钻进的需求，所以变频器频率输出电压设定到最小值后，需要使变频器进入到软启动状态，使变频器的输出电压频率稳步上升，力图使其输出电压和频率从最小值逐渐回升到故障之前的状态即，假设卡钻工况已解除，或者岩层坚硬的部分已被钻穿，那么变频器的电压和频率可以迅速恢复到卡钻前的状态，电机恢复正常工作，钻头重新开始旋转，操作人员又可以控制取芯器钻头继续钻进；如果卡钻尚未解除，那么在变频器输出电压和频率上升的过程中，变频器输出电流比正常值大许多，那么变频器可以在电流达到一定的值(该电流值小于井壁取芯器卡钻时变频器的输出电流)后停止增加输出电压和频率，避免再次出现电流过大而被迫将输出电压频率再次降低的情况，实现自动柔性恢复。

本方案在钻进式井壁取芯高压变频器的控制软件中实时采样监测变频器输出电流的瞬时值，并和设定的保护值(这个保护值小于停机保护电流值)进行比较，若绝对值大于设定保护值，则把变频器的工作频率设定到最低值(一般在10～15Hz之间)，输出电压指令也相应地调整，从而使变频器输出电压迅速降低，电机定子电流也迅速降低，避免定子电流上升到停机保护值而停机，实现故障穿越；由于此时钻头已经卡住无法转动，无需维持电机定子电流在额定值附近，故直接把工作频率和输出电压指令降低到初始值虽然会造成电机输出转矩过小，井壁取芯器液压大泵中压力不足，钻头无法转动，但电机仍在工作，井壁取芯器液压小泵中油仍在流动，钻头的进退仍然有动力来源。之后，通过自动柔性恢复，电机的输出电压和频率上升，井壁取芯器液压大泵的压力也得到恢复，钻头可以继续钻进，实现故障穿越。

附图说明

图1是本发明一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明高压变频器的暂态故障穿越控制方法，如图1中流程图所示，包括正常的运行控制和发生卡钻时的运行控制。

正常的运行控制是指不发生卡钻时变频器正常的控制操作，包括外部信号采样、除卡钻之外的故障判断与处理、控制运算更新比较器值、与人机界面通信等。

执行完正常的控制操作之后，变频器CPU根据采样的变频器输出电流值来判断是否发生卡钻，为防止采样干扰带来误判断，判断过程需加入防抖动程序，如果输出电流值大于设定卡钻阀值，***认为取心器发生卡钻，为了能够及时迅速地发现变频器输出过流，这里的采样和判断都是基于变频器输出电流的瞬时值。变频器CPU判断发生过流之后，就会将变频器的工作频率设定到最低值，一般在10～15Hz范围内,同时根据压频比恒定的原则设定输出电压幅值，并且将变频器设定到软启动工作状态，即频率从最小值逐步向50Hz回升，输出电压也逐渐增大，输出电流也相应回升。在输出电流再次达到卡钻阀值之前，如果钻头后退卡钻解除，输出电流保持在正常范围，那么变频器会恢复到输出50Hz额定电压的正常工作状态；如果钻头卡钻没能解除，那么输出电流值会再次上升到限流阀值，那么控制***判断出卡钻未接触，将工作频率及输出电压稳定不在上升，变频器保持在软启动状态，卡钻解除，电流下降到限流阀值滞后，继续上升频率可电压到正常工作点，实现自动柔性恢复，从而穿越卡钻故障。这种故障穿越控制算法，既能在井壁取芯器发生卡钻时及时限制变频器输出电流避免保护停机而失去动力，又可以使电机在最快时间内为钻头解卡后继续钻进柔和地恢复动力，节省操作等待时间，全程自动化，降低了操作人员的劳动强度和压力。

在卡钻发生时，变频器频率和输出电压到最低值时，需要对变频器内部相应的控制参数进行复位，避免残留值影响输出电压波形，造成***震荡

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高压变频器的暂态故障穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)高压变频器正常运行；

(2)实时采集变频器输出电流值；

(3)若变频器输出电流值大于等于卡钻保护值，则表明出现卡钻，进入步骤(4)，否则转入步骤(1)；

(4)降低高压变频器的输出电压和工作频率至最低值；

(5)实时采集变频器输出电流值，若变频器输出电流值小于限流值，则进入步骤(6)，否则返回步骤(5)；

(6)将高压变频器设定到软启动工作状态，即工作频率逐步增大，输出电压值逐步增大，输出电流值逐步增大；

(7)若输出电流恢复到卡钻前状态，进入步骤(1)，否则，返回步骤(5)。

2.一种高压变频器的暂态故障穿越控制***，其特征在于，包括：

采集模块，用于实时采集变频器输出电流值；

卡钻判定模块，用于判定若变频器输出电流值大于等于卡钻保护值，则表明出现卡钻，调用设置模块，否则表明变频器正常运行；

设置模块，用于降低高压变频器的输出电压和工作频率至最低值；

软启动触发模块，用于实时采集变频器输出电流值，若变频器输出电流值小于限流值，则调用软启动模块；

软启动模块，用于将高压变频器设定到软启动工作状态，即工作频率逐步增大，输出电压值逐步增大，输出电流值逐步增大；

恢复判定模块，用于在软启动工作状态中判定若输出电流恢复到卡钻前状态，表明变频器正常运行，否则，启用软启动触发模块。