針對石油鉆機變頻器故障診斷方法研究

張國輝,梁長征,管錫明

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 402160； 2.中國石油集團渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津 300450；3.中國石油集團長城鉆探鉆井一公司，遼寧 盤錦 124010）

變頻器在石油鉆機不同作業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠在有效滿足起重和要求的同時，改良機械平均節(jié)能概率，在實現(xiàn)作業(yè)過程自動化的同時，延長機械設(shè)備使用壽命，避免機械設(shè)備故障對作業(yè)效率、水平產(chǎn)生的影響，確保石油鉆機能夠安全、穩(wěn)定地運行。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、過壓與過流等電磁環(huán)境條件下出現(xiàn)開路故障，可能造成石油鉆機異常停機等不可估算的巨大經(jīng)濟損失。故障診斷利用ES、ANN、Fuzzy 數(shù)學(xué)和FTA 故障樹分析法等不同檢查和測試方法，檢測石油鉆機變頻器的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)石油鉆機不同作業(yè)系統(tǒng)的異常運行狀態(tài)，分析變頻器開路故障出現(xiàn)原因，對變頻器未來運行狀態(tài)進行預(yù)判。

1 石油鉆機變頻器應(yīng)用過程中的電壓波動解決

為提升變頻器應(yīng)用過程中的安全性和穩(wěn)定性，需要建立石油鉆機變頻器與智能監(jiān)控系統(tǒng)間的通信連接，通過遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控，搭建智能監(jiān)控數(shù)據(jù)中臺與石油鉆機變頻器間的工業(yè)級無線DTU 數(shù)傳終端連接橋梁。通過DTU應(yīng)用實時監(jiān)控變頻器運行狀態(tài)，及時反饋變頻器運行信號與開路故障，考慮到接收和傳輸過程中，關(guān)鍵信息需要承受的噪聲和干擾，需要在采集信號后，應(yīng)用成熟的電源端控制、負(fù)載端控制電壓波動解決方法處理信號，可以將此過程作為SSA-ICA 盲源分離處理基礎(chǔ)，在已知信號源關(guān)鍵性能指標(biāo)與信號信道傳輸影響參數(shù)的前提下，提取噪聲信號、離散時間序列等觀測信號，將上述信號錄入觀測處理系統(tǒng)后，實現(xiàn)對盲源信號的盲源分離去噪處理，并以此為電壓波動解決基礎(chǔ)。

按照一般經(jīng)驗來講，由于石油鉆機變頻器直流母線電壓為電源電壓的倍數(shù)值。因此，在變頻器運行過程中，直流母線電壓的允許范圍需要達到一定過壓、欠壓檢測范圍，才能實現(xiàn)對變頻器運行狀態(tài)的邏輯檢測。通常電氣傳動變頻器在石油鉆機的現(xiàn)場應(yīng)用，需要滿足足夠的電壓的穩(wěn)定度，電壓需要在額定電壓正負(fù)10%間的范圍內(nèi)波動，符合10%的欠壓容量，一旦出現(xiàn)直流母線電壓低于設(shè)定閾值的情況，便于采取相應(yīng)保護措施，避免石油鉆機發(fā)生故障性損壞。為了解決石油鉆機變頻器應(yīng)用過程中的電壓波動問題，應(yīng)當(dāng)在處理完畢信號后，通過引進基于鏡像電流源檢測法的快速過流和短路保護方案，在直流母線電壓產(chǎn)生波動性動態(tài)變化階段，對電源的異常電壓輸出及時故障診斷，并且，將診斷數(shù)據(jù)作為石油鉆機變頻器反饋信號電壓波動解決的第一手依據(jù)。在消除變頻器反饋信號電壓波動過程中，可以參照基爾霍夫電流定律，對石油鉆機變頻器的電壓進行計算。

2 石油鉆機變頻器作業(yè)異常信號特征提取

石油鉆機變頻器經(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)生運行故障，繼而影響作業(yè)如常進行。在上述研究基礎(chǔ)上，為了深度了解石油鉆機變頻器作業(yè)異常形式，需要利用智能型自動化嵌入式電壓傳感器終端和磁傳感器等，針對變頻器模塊燒損、過電流、電壓故障特征進行掃描，根據(jù)故障識別數(shù)據(jù)進行故障歸類，在掃描變頻器模塊過程中，提取變頻器作業(yè)過程中的異常信號特征。大多數(shù)情況下，石油鉆機變頻器發(fā)生作業(yè)異常時的模塊故障，通過不同的故障表現(xiàn)，并不局限于主電源端子、短路、開路問題，可能存在端子與主端子間的短路觸發(fā)情況。例如，在石油鉆機變頻器作業(yè)時，單一模塊通常由1 個逆變H 橋和4 個IGBT 功率管驅(qū)動，每個功率管并聯(lián)1 個吸收電容，對應(yīng)來看，石油鉆機變頻器故障的異常信號特征至少存在15 種表現(xiàn)形式，一旦石油鉆機變頻器發(fā)生IGBT 逆變模塊燒損時，應(yīng)當(dāng)重點針對功率管驅(qū)動進行檢查，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變頻器運行中的故障狀態(tài)錄入數(shù)據(jù)輸入終端，利用成熟的線性盲源分離算法Fast ICA，快速完成批處理、分析混合后的信號，在應(yīng)用過程中，為模擬IGBT高功率密度石油鉆機變頻器故障，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)行上述操作過程中，需要確保故障集中包含至少10 個帶有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集，在讀取數(shù)據(jù)集過程中，每類數(shù)據(jù)集故障樣本的數(shù)量、length、hp、故障程度，應(yīng)當(dāng)滿足遷移診斷的靈活選取需求，每個數(shù)據(jù)集涉及到100000×1列矢量數(shù)據(jù)，針對矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過Fast ICA 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展開運算。由于獨立分量估計包含一定程度的信息，需要基于獨立分量進行估算，在特征向量提取過程中，需要針對變頻器的混合信號進行Fast ICA分離處理，選取包含關(guān)鍵故障信息的獨立分量進行估算，得出不同信號的獨立分量總量，提取故障信號特征參數(shù)，繪制ICA 故障特征信號波形圖，確定故障類型和特征。

3 石油鉆機變頻器故障診斷方法

3.1 變頻器開路故障診斷

相對短路故障，變頻器開路故障不易被發(fā)覺，但危害性較為巨大，假如不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，容易發(fā)生過流故障，引起變頻器轉(zhuǎn)矩縮小、過熱和絕緣損耗等機械事故。石油鉆機變頻器處于正常運行狀態(tài)中，電流波形呈現(xiàn)出正弦、余弦曲線，曲線位置不同，周期范圍內(nèi)，電壓和電流的的周期平均值必然為0。如果石油鉆機變頻器產(chǎn)生開路故障，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)驗來講，可以將有可能存在的故障逐一列出，通過總結(jié)和歸納出故障發(fā)生規(guī)律，建立故障數(shù)據(jù)庫，在發(fā)生故障階段，需要詳細(xì)觀察故障情況，通過查詢數(shù)據(jù)庫判斷變頻器故障發(fā)生類別，在故障模態(tài)與正常的變頻器運行狀態(tài)存在高相似度的前提下，往往難以精準(zhǔn)匹配數(shù)據(jù)，這是專家系統(tǒng)法相對其他故障診斷方法的劣勢。ANN、Fuzzy 數(shù)學(xué)、ANFIS 和FTA 故障樹分析法等不同檢查和測試智能算法，大量應(yīng)用于變頻器開路故障診斷中，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過程中，可以積極應(yīng)用上述智能算法，獲得故障特征關(guān)鍵信息，通過在系數(shù)中的體現(xiàn)，識別故障狀態(tài)，繼而在仿真驗證過程中，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路故障，在上述兩部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，電流檢測法最為常用，通過派生引進Park矢量法進行檢測，在診斷過程中，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)載大小對電流完成歸一化，運用基于歸一化平均電流Park 矢量法，完成正常及容錯運行條件下的開路故障診斷，實時對ya、yb、yc的轉(zhuǎn)換處理，避免在動態(tài)處理過程中發(fā)生誤診斷，運算過程如以下公式所示：

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

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。

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

在計算過程中，需要明確石油鉆機變頻器運行狀態(tài)的正常，變頻器能夠在無損條件下運行，平均電流和平均電流矢量值均為0。假如在故障診斷過程中，發(fā)現(xiàn)晶體管存在短路或漏電的情況，發(fā)生驅(qū)動開路故障，則石油鉆機變頻器a 相中的負(fù)極斷開，等于直流電路被切斷，線路中并未通過電流，而b/c 兩相電流將產(chǎn)生直流成分。一旦驅(qū)動電源管短路失效，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，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，進行故障功率的失效程度，定位IGBT 功率管的失效位置。通過判別Park 矢量的相角和模值對發(fā)生開路故障的功率管進行定位，能夠?qū)崿F(xiàn)基于Park 矢量法的石油鉆機變頻器開路故障診斷，在診斷過程中，并不需要對開路障礙進行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，極大程度上減少運算量，在完成故障診斷方法設(shè)計的同時，大幅度提升對故障的診斷準(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DSPACE 實時仿真平臺，采用國產(chǎn)奧圣75 千瓦石油鉆機變頻器（ASB530H-0.75G-MH）。為了充分驗證文章提出故障診斷方法的有效性，可以通過DSPACE實時仿真平臺，對變頻器進行控制板功能平行代替。通過仿真變頻器正常運行狀態(tài)下的開路故障，建構(gòu)DSPACE 和變頻器功率單元電氣接口，為了保證診斷結(jié)果的客觀性，需要通過DSPACE 實時仿真平臺搭建實驗，使用集成的空間矢量脈寬調(diào)制單元、AD 和DA 轉(zhuǎn)換單元，實現(xiàn)該方法診斷結(jié)果與MATLAB/Simulink 控制系統(tǒng)無縫銜接。

在故障診斷過程中，采集ASB530H-0.75G-MH 型號奧圣75 千瓦石油鉆機變頻器的運行信號，及時解決變頻器應(yīng)用過程中的電壓波動問題，消除電壓波動后，精準(zhǔn)提取變頻器故障信號特征，以COIMBRA 大學(xué)的電流檢測法中的平均電流歸一化PARK 矢量法，完成對變頻器開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

石油鉆機是重要的生產(chǎn)機械設(shè)備，隨著石油油田鉆井井深的持續(xù)變化，鉆機鉆桿的長度逐漸增加，隨之而來的是，石油鉆機面臨逐漸升高的電氣傳動系統(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)，通過一次側(cè)主回路完成對電能的轉(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處理。為了實現(xiàn)對石油鉆機變頻器的故障做出及時、準(zhǔn)確的分析和檢測，避免因為開路故障導(dǎo)致的驟然停機，需要在石油鉆機不同作業(yè)系統(tǒng)不停機的前提下，做好變頻器的性能運維，以此延長石油鉆機變頻器的運行時長。