顶部驱动钻井转速扭矩控制技术研究及应用

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1、《电气自动化)2015年第37卷第3期变流技术ConverterTechniques速度调节电流调节身特性发生变化，或者齿轮啮合间隙增大，变频器也可以通过控制电机输出不同的转速和相同的扭矩，对两者之间的差异做出补偿，实现输出扭矩完全等于实际输出扭矩。其缺点是需要两套各自独立，但又有相互联系的变频系统，设计难度、软件硬件成本都成倍增加，对制造商提出了更高的要求。综合比较二种解决方案，第二种方案具有明显的技术优势，因此各顶驱制造商都逐渐放弃第一种方案，转而采用第二种解决图2矢量控制原理方案。2常见解决方案3应用基于以上基础技术的优越性考虑，

2、目前已经得到广泛应用北京石油机械厂与西门子工厂自动化工程有限公司合作研的，名义钻深在7000m及以上的顶驱，一般都采用交流变频技制开发基于西门子新一代S120驱动系统的顶驱装置，采用主从术，两台三相异步电机驱动的配置，这种配置主要有以下三点控制实现同步，已有超过200台$120系统的顶驱在世界各地成好处：功应用，成为目前世界唯一批量应用S120系统的顶驱装置制造双电机可以在顶驱主体上对称布置，较好的解决顶驱本体重商。下面以DQTOBSC型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的心居中；S120系统转速扭矩控制技术，以及在此基础上，顶驱单、双电

3、机双电机可以均分负载，单个电机承担的负载仅为实际负载的切换，主从控制等技术的应用。一半，有效延长轴承、齿轮等机械承载件的使用寿命；顶驱电控系统采用二对二的驱动方式，即两个逆变柜分别驱双电机可以互为备份，出现问题时可以单电机降低负载动两台电机，这种结构可靠性高，可作为两套独立的系统单独工使用。作。单电机工作时，系统所能承受的工作扭矩和最大扭矩为双电双电机顶驱优势明显，但同时也增加转速同步和负载均分的机运行时的一半。驱动采用西门子S120系列产品，通过交流变技术难度。各电机输出扭矩的方向和大小一致，实际输出扭矩等频调速系统，驱动两台交流变频

4、电机，两台电机既可以联合驱动，于各电机输出扭矩之和，一般将这种技术称为电机同步。实现电也可以分开独立工作。主传动采用两台三相六极异步感应电机，机同步，目前常见的解决方案有以下二种：交流变频驱动。顶驱驱动系统单线图如图3所示。2．1双电机并联连接两台电机接线采用并联连接在一台变频器上，变频器将两台电机作为一台电机驱动，输出电流由电机绕组均分。根据三相异步电机转速公式／7,=6o／(1一s)／p¨6J，在两台电机参数完全一致、齿轮间配合间隙近乎为零的理想情况下，因输入频率电机极对数P，转差率s都一样，两台电机的转速是完全一致的。同时，由于两

5、台电机分得的输入电流也一样，其产生的输出扭矩也是完全相等的，由此实现双电机同步，负载均匀分配。这种解决方案的优点是变频系统设计相对简单，不需考虑电气同步，完全依赖电机特性和较小的啮合间隙实现机械同步。缺点是随着使用时长的增加，齿轮磨损后啮合间隙增大，其同步性图3顶驱驱动系统单线图能下降，两台电机的输出扭矩有相当部分被互相抵消，且无法被因单电机运转时不涉及速度同步，在此不作详细分析，下面控制系统感知并修正，导致显示输出扭矩不等于实际值，进而影就双电机运转时的速度同步和扭矩分配展开讨论。响对井下情况的分析判断。3．1速度同步2．2双电机各自

6、独立连接双电机运转时，其中一台电机作为主动电机，工作在速度控两台电机分别连接两台变频器，一台变频器控制一台电机的制模式下，变频系统会同时控制该电机的转速和扭矩；而另一台转速和扭矩，作为主动。另一台变频器只控制另一台电机的扭电机作为从动电机，工作在扭矩控制模式下，变频系统只控制该矩，作为从动，并使从动电机的输出扭矩始终跟随主动电机，并严电机的扭矩。下面以A电机做主动，B电机做从动为例，介绍主格保持一致。从同步。在这种解决方案中，主动电机需要编码器提供速度反馈，并3．2扭矩限定和分配根据速度设定值与实际值之间的偏差来调整电机的转速和扭矩，在

7、变频系统中，扭矩设定值为一个整形(INT)数据，占用一从动电机不需要编码器提供的速度反馈，只根据与主动电机输出个字(两个字节)的长度，其中高字节的最高位为符号位，电机允扭矩之间的偏差来调整电机的转速和扭矩。许短时间内150％的过载，因此100％的额定扭矩设定，对应的二这种解决方案的优点是充分考虑了齿轮间必然存在的啮合进制数值为0011．1111．1111．1111，换算成十进制即16384，为防间隙，以及由此产生的两台电机之间的转速差。这样即使电机自止溢出，取16383。在双电机模式下，要求单个电机输出扭矩为ElectricaIAuto

8、mation19《电气自动化)2015年第37卷第3期变流技术ConverterTechnique总输出扭矩的一半，因此在PLC系统中，双电机模式下扭矩限定从动电机的扭矩设定值，如图6所示。值应将设定值除以