浅谈钻井顶驱装置转速与扭矩控制及其应用

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1、浅谈钻井顶驱装置转速与扭矩控制及其应用【摘要】顶部驱动钻井装置，是当今钻井装备屮技术含量较高、结构复杂的机电液一体化的设备［1］。日前电驱动顶驱广泛以交流变频驱动技术为依托，因具有无级调速、较强过载、便于控制等诸多优势。本文将以北石DQ70BSC型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的S120变频系统转速扭矩控制技术，以及在此技术基础上，如何实现顶驱单、双电机切换和主从控制等技术的应用。【关键词】顶驱矢量控制主从同步一、引言顶驱作为驱动井下钻具钻进的动力源，同时还要根据井下地层结构来控制钻进速度即进尺，以及扭矩，因此必须保证顶驱装置能够输出精确可控的转速和扭矩［2］。基于闭环

2、矢量控制的交流变频调速技术，因其具有易于维护、无级调速（调速范围宽）、较强过载及便于控制等诸多明显优势，在当今国内外石油钻机配备的装置中得到了广泛应用。二、常见解决方案基于以上基础技术优越性的考虑，目前已经得到广泛应用的、名义钻深在7000米及以上的顶驱，一般都采用交流变频技术，并配置两台三相异步电动机用作动力驱动。釆用这种配置主要有以下三点好处：双电机对称布置在顶驱主体上，较好的实现了顶驱本体重心居中；双电机可以均分负载，相对单电机顶驱，英单个电机承担的负载仅为实际负载的一半，有效得延长了轴承、齿轮等机械承载件的使用寿命；双电机可以互为备份，出现问题时可以直接切换到单电

3、机使用，保证作业正常进行。双电机顶驱的优势是明显的，但同时带来的技术难度也是显而易见的，即两个电机的转速同步和负载均分问题。顶驱受机械尺寸限制，不可能安装离合装置，因此两台电机通过变速齿轮刚性连接在一起。齿轮啮合需要必要的配合间隙，如果两个电机转速差过大，就会导致两个电机承担的负载不均衡，造成电机之间相互反向拖动，实际输出扭矩等于双电机输出扭矩之差。囚此双电机的输出扭矩要做到方向相同、大小相等，使得实际输出扭矩等于双电机输出扭矩之和，我们一般将这种技术称为电机同步。实现电机同步，目前常见的解决方案有以下2种：两台电机接线方式采用并联连接在同一台变频器上，变频器将两台电机作

4、为一台电机驱动，输出电流由电机绕组均分；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，并严格保持一致。综合比较2种解决方案，方案2具有明显的技术优势，因此各顶驱制造商都逐渐放弃第1种方案，转而采用第2种解决方案。三、应用下面以北石DQ70BSC型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的S120变频系统转速、扭矩控制技术，以及在此基础上，顶驱单、双电机切换和主从控制等技术的应用。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动两台电机，这种结构可靠性较高，可作为

5、两套独立的系统单独工作。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机运行时的一半。驱动采用西门子S120系列变频器产晶，通过交流变频调速系统，驱动两台交流变频电机，两台电机既可以联合驱动，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，实现交流变频驱动。因单电机运转时不涉及速度同步的问题，在此不再作详细分析。下面就双电机运转时的速度同步和扭矩分配展开讨论。（一）速度同步双电机运转时，一般将其中一台电机作为主动电机，工作在速度控制模式下，变频系统会同时控制该电机的转速和扭矩；而另一台电机作为从动电机，工作在扭短控制模式下，变频系统只控制该电机的扭矩。顶驱装

6、置配备双编码器，分别安装在两台电机的电机轴上，只有做速度控制的电机才需要编码器反馈的速度实际值，因此两台编码器始终只冇一台投入使用，并且可以方便的通过钥匙开关控制继电器切换。考虑到齿轮间的啮合间隙造成的速度反馈差，一般使用哪台电机上的编码器，哪台电机就作为主动电机。（-）扭矩限定和分配在双电机工作模式卜'，要求单个电机输出扭矩为总输出扭矩的一半（50%）,因此在PLC控制系统中的扭矩设定需耍做相应设置。在变频系统中，扭矩设定值为一个整形（INT）数据，占用一个字（两个字节）的长度，其中高字节的最高位为符号位，因此100%的额定扭矩设定，对应的二进制数值为011111111

7、1111111,换算成十进制即32767o双电机工作模式下，需要将单个电机扭矩限定值设置为额定值的一半，即32767/2二16383.5,取整后为16383。司钻台钻井扭矩限定手轮连接的是电位计，该段程序将模拟量输入模块测得的电位计数值线性化，同时将满量程设置为16383,从而达到实际扭矩限定值变为手轮限定值一半的日的。变频系统通过Profibus自由报文接收PLC系统传送过来的扭矩限定值，送到两个电机模块的扭矩限幅功能块中。（三）从动电机扭矩控制从动电机不受速度设定值的限制，只需要严格保持与主动电机输出扭矩相等即可。为达到这