馮睿

（大慶鉆探機(jī)械修理廠(chǎng)，黑龍江 大慶 163413）

1 直流電動(dòng)鉆機(jī)直流電機(jī)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)影響的兩個(gè)方面:諧波和可控硅確發(fā)角墜

事實(shí)上電動(dòng)鉆機(jī)的電站功率80%供可硅系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)，而在正常鉆井生產(chǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)泥漿泵的直流電機(jī)所消耗的功率占全部直流電機(jī)消耗功率的90%；（除起下鉆作業(yè)外，泥漿泵是整臺(tái)鉆機(jī)的主要功率消耗設(shè)備）也就是說(shuō)電站功率的85%是供給諧波負(fù)載（泥漿泵），這么大的諧波負(fù)載需要電站提供很大的無(wú)功功率，造成無(wú)功電流占發(fā)電機(jī)總電流的30%～35%，致使電站的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)低到0.55～0.65，它嚴(yán)重的限制了電站有功功率的發(fā)揮，導(dǎo)致電站存在“動(dòng)力不足”的問(wèn)題，因此需要投入大量的發(fā)電機(jī)組才能滿(mǎn)足常規(guī)鉆井作業(yè)的功率需要。

在可控硅整流電路中，當(dāng)其直流輸出電壓愈低，也就是觸發(fā)角墜愈大時(shí)，則線(xiàn)路功率因數(shù)愈低，這對(duì)于大容量直流負(fù)載而言，問(wèn)題變得更為突出，而電動(dòng)鉆機(jī)的絞車(chē)和轉(zhuǎn)盤(pán)由于鉆井工藝的要求，有時(shí)工作在低速或中速狀態(tài)，雖消耗一定的無(wú)功功率，但他們?cè)阢@井生產(chǎn)時(shí)不是主要的用電設(shè)備，而經(jīng)常處于低速和中速運(yùn)轉(zhuǎn)的泥漿泵是鉆井生產(chǎn)時(shí)主要的用電設(shè)備和引起電網(wǎng)電壓下降與無(wú)功損耗的增大主要因素，怎樣提高供電系統(tǒng)的電網(wǎng)質(zhì)量和功率因數(shù)就顯得十分重要。就此分析的泥漿泵工況，能解決好泥漿泵的無(wú)功損耗問(wèn)題，是提高整個(gè)電網(wǎng)功率因數(shù)的關(guān)鍵。

2 鉆井生產(chǎn)時(shí)直流電機(jī)的工況

根據(jù)鉆井工藝的要求，絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)和泥漿泵經(jīng)常需要變速，由于直流電動(dòng)機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，可控硅裝置整流輸出的直流電壓不斷變化，可控硅裝置的功率因數(shù)也隨之變化。直流電動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，造成可控硅裝置的功率因數(shù)低，這就要求并網(wǎng)的交流發(fā)電機(jī)組輸出大量的無(wú)功功率，交流發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率因數(shù)取決于可控硅裝置的功率因數(shù)，兩者功率因數(shù)基本相當(dāng)。

電動(dòng)鉆機(jī)的可控硅變流組件，一般采用三相橋式全控整流不可逆系統(tǒng)，它允許的最小控制角墜min=15°-20°取墜min=20°，墜min=60°（實(shí)際生產(chǎn)時(shí)控制角最小值）可控硅裝置的功率因數(shù)近似COSΦ≈COS（墜+γ/2），這里的 γ 是可控硅換向重疊角，取 γ=15°-25°：

可控硅裝置的最高功率因數(shù)：

（COS墜）max=COS（20°+15°/2）∽COS（20°+25°/2）=0.887∽0.893

可控硅裝置的最低功率因數(shù)：

（COS墜）mix=COS（60°+15°/2）∽COS（60°+25°/2）=0.38∽0.30

可控硅裝置運(yùn)行的功率因數(shù)在0.37∽0.87范圍內(nèi)變化,可控硅裝置的平均功率因數(shù):

（COS墜）cp=（0.3+0.887）/2=0.59

由于可控硅裝置的平均功率較低,給選用主柴油發(fā)電機(jī)組提出一個(gè)問(wèn)題,即不但要考慮主交流發(fā)電機(jī)組應(yīng)供給足夠的有功功率,而且必須考慮到要同時(shí)供給足夠的無(wú)功功率。

3 電動(dòng)鉆機(jī)泥漿泵的介紹

在電動(dòng)鉆機(jī)中泥漿泵通常選用與絞車(chē)同規(guī)格型號(hào)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，容量足夠大,由于調(diào)整范圍大，在低排量時(shí)功率顯著減少,泥漿泵通常使用臥式三缸往復(fù)活塞泵,該泵具有恒轉(zhuǎn)矩特性,可以通過(guò)更換缸套來(lái)調(diào)整泵的壓頭和排量,也可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速改變泵的排量,在鉆進(jìn)過(guò)程中,泥漿泵的排量和壓力要根據(jù)鉆進(jìn)的井深和井下情況進(jìn)行調(diào)整,例如:在表層鉆進(jìn)時(shí),要求泥漿泵有較大的排量,此時(shí)泵的轉(zhuǎn)速較高,即泵的沖數(shù)也較高,而深層鉆進(jìn)時(shí)需要高的泵壓和較小的排量,這些條件都對(duì)泥漿泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提出較高的調(diào)速要求。

4 電動(dòng)鉆機(jī)功率因數(shù)的計(jì)算

電動(dòng)鉆機(jī)可控硅整流電路的功率因數(shù)：

COSΦ≈COS（墜+γ 變/2）

Φ功率因數(shù)角

墜可控硅觸發(fā)角

γ變變壓器漏抗引起的重疊角（因我們現(xiàn)場(chǎng)使用的可控硅整流裝置沒(méi)通過(guò)變壓器供電，而是由發(fā)電機(jī)直接供電）因此不考慮重疊角γ變時(shí)：COSΦ≈COS墜

但功率因數(shù)COSΦ不僅同電流與電壓的相位差有關(guān)也受到電流波形畸變的影響，也就是功率因數(shù)與波形畸變系數(shù)λ，位移系數(shù)COSΦi有關(guān)，即：

COSΦ=λCOSΦi

Φi是電流基波分量與對(duì)應(yīng)電壓的夾角。

由上式不難看出，要提高可控硅整流電路的功率因數(shù)COSΦ必須增大波形畸變系數(shù)λ或減少角位移Φi（也即減少墜值）為了增大波形畸變系數(shù)λ就要設(shè)法減少高次諧波，增加整流相數(shù)可以提高電流中高次諧波的最低次數(shù)和降低高次諧波的幅值，進(jìn)而減少波形畸變，增大畸變系數(shù)λ。（這是采用常規(guī)功率補(bǔ)償裝置以減少無(wú)功功率的方法，這里不作詳細(xì)介紹）為了減少角位移Φi（墜）就要減少可控硅觸發(fā)角墜，但可控硅整流電路正是依靠改變可控硅觸發(fā)角墜來(lái)調(diào)節(jié)可控硅整流裝置的直流電壓輸出，大多數(shù)人認(rèn)為不能采用減少觸發(fā)角墜的辦法來(lái)提高功率因數(shù)，那是因?yàn)樗麄冎粡碾姎夥矫婵紤]，而沒(méi)有從機(jī)械方面綜合考慮，必須指出，可控硅電動(dòng)鉆機(jī)中如果電動(dòng)機(jī)采用恒功率調(diào)磁調(diào)速，直流電動(dòng)機(jī)在它的額定電壓下調(diào)磁調(diào)速，可控硅裝置的功率因數(shù)較高（在0.85左右），如果對(duì)泥漿泵的傳動(dòng)比作適當(dāng)改進(jìn)，在其能滿(mǎn)足鉆井生產(chǎn)的情況下，對(duì)泥漿泵的缸套作相應(yīng)的更換，使泥漿泵驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速提高到接近其額定轉(zhuǎn)速，從而能達(dá)到改變可控硅觸發(fā)角墜的目的。

[1]實(shí)用電工電子技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社.