DQ70型顶驱钻井装置动力驱动系统研究.pdf

2 0 1 1 年第 4 O 卷 第 9 期第 2 1 页 油矿 场机 械 OI L F I EL D EQUI PME NT 文 章 编 号 1 O 0 1 - 3 4 8 2 2 O 1 1 0 9 0 0 2 1 0 6 DQ 7 0型顶驱钻井装置动 力驱动系统研 究 韩兵奇 ， 李连峰 ， 高栋梁 ， 王发元 中国石油大学 华东 机电装备教学实习总厂 ， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘 要 阐述 了我 国顶驱钻 井装 置 的研 究状 况及 存在 的 问题 ， 分析 了顶驱 装置 的 实际 工况 。根 据钻机 对 顶驱装 置 的要 求 ， 探 讨 了 DQ7 0型 顶驱钻 井装 置 的动 力驱动 系统 方案 ， 设计 了顶 驱 电机 及其 减速 机构， 并在 实验室进行了试验。结果表明， 该 系统性能稳定， 运行平稳， 可靠性 高。 关键 词 顶 驱钻 井装 置 ； 电动机 ； 动 力水龙 头 ； 控 制 系统 中图分 类 号 TE 9 2 2 文献标 识码 A S t u d y i n g o n P o we r S y s t e m o f DQ7 0 T o p Dr i v e Dr i l l i n g S y s t e m H AN Bi n g q i 。 I I Li a n f e n g。 GAO Don g l i a n g。 W ANG Fa yu a n Me c h a n i c a l El e c t l i c a l E q u i pme n t Fa c t o r y， C h i n a Un i v e r s i t y 【 }Pe t r o l e u m ， Do n g yi n g 2 5 7 0 6 1 ， Ch i n a Abs t r a c t The p r ob l e ms a n d t h e de v e l o pme nt s i t u a t i on a bo ut t h e TDS i n o ur c ou nt r y a r e d e s c r i b e d， a n d t h e o p e r a t i o n a l mo d e i s a n a l y z e d ． Th e p o we r s y s t e m o f DQ7 0 t o p d r i v e d r i l l i n g s y s t e m wa s p r o be d i nt o， a nd t he m o t or a n d t h e r e duc i n g g e a r i n t h e l i g ht o f t he r e qu i r e me n t o f t h e d r i l l i ng r i g wa s de vi s e ．A t e s t wa s ma d e i n t h e l a b， a n d t h e e f f e c t pr o v e s t ha t t h e po we r s y s t e m h a d a s t a bl e p e r f o r ma nc e， a go o d r e l i a b i l i t y， a nd i t c o ul d r un s moo t hl y ． Ke y wo r d s t op d r i v e d r i l l i n g s y s t e m ； e l e c t r i c mo t o r； p o we r s wi v e l ； c o nt r ol s y s t e m 顶驱 钻井装 置是 2 O世 纪 8 O年代 以来 钻井 设备 发展 的 四大新技 术之 一 ， 代 表着 钻井 工艺技 术 、 机 电 液一体化石油专用设备 的最高水平 和 2 1 世 纪钻井 设备 的发 展方 向 ， 它 对 钻 井技 术 的进 步 有着 巨大 的 影 响 ， 已成 为深井 、 复 杂井钻 井 以及 出国钻井 作 业的 必配 设备之 一 。我 国从 2 O世纪 8 0年 代末 开始 顶驱 钻井装 置 的 研 究 工 作 ， 曾先 后 开 发 了 DQ 一 6 0 D 型 、 D Q 一 2 0 Y型 、 DQ7 0 B S型 、 D Q 3 0 L HT Y Z型 顶 驱 钻 井系统 ， 其部 分 指标 和性 能 均 达 到 了 国 际水 平 。 。 。 由于我 国顶 驱技术 研 究 起 步 较 晚 ， 现仍 处 于 研 制 阶 段 ， 目前 生产 的顶 驱装 置 尚不 能 满 足我 国海 洋 和 陆 地 石油钻 井 的需要 ， 与 国外相 比仍有 一定 差距 ， 顶驱 电机还依 靠进 口， 且 整体 尺 寸 大 、 质 量 重 、 低 速 时 电 机 功率 因数低 。因此 ， 仍 需 进 一步加 强 顶 驱 钻井 技 术 ， 特别是 顶驱 动力驱 动 系统 的研究 ， 提高 顶驱 电机 的功率利 用率 和传 动 系统 的可 靠 性 ， 开 发 新 型顶 驱 钻井装 置 。 1 顶驱钻井装置工况分析 在 钻 井 过程 中 ， 钻 柱 处在 内外 充满 钻 井 液 的狭 长 井 眼里 工 作 ， 承受 着 拉 、 压 、 弯 、 扭 及 液力 等 载荷 ， 钻 柱 的振动 是横 向 、 纵 向及 扭转振 动 的耦合 ， 这些 振 动形 式 之间具 有一 定 的相互 约束 和转 化 关 系 ， 钻 柱 运 动的 动态过 程 十分复 杂 。从 石 油钻井 现场 随钻 测 量 和钻井 工人 观测 的钻 柱 振 动情 况 来 看 ， 钻 柱 的横 向振 动 在井底 十分 强 烈 ， 但 是 从 井 底 向井 口传 递 的 过程 中衰 减严 重 ， 通 常在 井 口部 位测 量 和 观 测 不 到 横 向振动 发生 ， 因 此认 为 井 口部 位 的振 动 响应 为纵 向和扭 转耦 合振 动 ] 。因此 ， 在钻 进 过程 中 ， 顶 驱主 轴将 受到 纵 向和扭转 的耦 合振 动载 荷 。 在 起下 钻 的过 程 中， 井 眼 中的钻 头 、 钻 铤 、 钻 杆 等钻具 的全 部重 力 将作 用 在 顶 驱 主 轴上 ， 给 顶驱 主 收 稿 日期 2 0 1 卜O 3 2 8 作者简介 韩兵奇 1 9 7 8 一 ， 男 ， 河南清丰人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事石油机械方面的科 研与教学工作 。 石 油矿 场 机械 2 0 1 1 年 9月 轴及减速箱体以向下的拉力。由于钻井液的阻尼作 用 ， 载荷 基本保 持恒 定 。 在 上 卸扣 及 承受 反扭 矩 时 ， 顶驱 将 承受 较 大 的 旋 转力 矩 。 顶 驱钻井 装 置 的作 用 是将 电能转 化 为 机 械能 ， 从 钻杆 顶部 直接旋 转钻 柱 ， 驱动 钻具旋 转 ， 把 扭矩 经 钻杆传 递到钻 头 ， 破 碎岩 石 ， 实 现钻进 。在钻 进过 程 中， 随着井深及地层情况的变化 ， 要求转速可调。正 常作业 时 ， 转 速为 6 0 ～3 0 0 r ／ rai n ， 在 打 捞 和取 心 作 业 时 ， 转速 低 至约 3 0 r ／ rai n ， 其 调 速 范 围为 1 O 。在 正常工 作范 围 内 ， 当载荷 增大 时要求转 速下 降很小 ， 以保证钻机具有较高的效率。当载荷超过允许值 ， 例如卡 钻时 ， 转 速 应 迅速 下 降 ， 保 证 设备 不 受损 坏 ； 当载荷 减少 时 ， 又 能 自动 加速重 新进 行钻进 。 2驱动系统方案 顶 驱钻井 装置 是悬 挂于井架 内部 并沿 导轨上 下 运动， 实现起下钻 和钻进的一种钻井设备。其工作 空间小 ， 要求输 出扭力大 、 运行平稳、 操作方便迅速 。 因此 ， 必须选 择合 适 的动 力驱 动系统 和控制 方法 ， 以 适 应钻 井需要 。 2 ． 1电动机 的选择 目前， 顶驱钻井装置正 向着体积小、 质量轻 、 模 块化、 节能化、 高可靠性的方向发展。为适应顶驱钻 井 的要 求 ， 顶 驱 电机必须 具有 良好 的散 热性 、 小 电流 大扭矩 、 控制方便 、 体积小等优点。结合现代电机发 展 的特 点和顶 驱钻 机 的 钻井 工 况 ， 开 关磁 阻 电机 驱 动系统 S wi t c h e d R e l u c t a n c e D r i v e ， 简 称 S R D具 有其他任何形式电机不可替代的优势 。其 良好的调 速性能 、 宽广 的调速 范 围 、 以较 小 的启 动 电流获得 较 大的起动转矩 、 对称的四象限运行特性等一系列的 突 出优 点 ] ， 显 然 对 于满 足顶 驱 钻井 装 置 的技 术要 求 提供 了完全 的可行 性 。 2 ． 2减 速装置 为 了增大 顶驱 电机 的输 出扭 矩 ， 减 小 电机体积 ， 提高电机性能 ， 大型顶驱必须设置减速机构。考虑 到顶驱 电机 的功 率 利 用 率 和 顶 驱 钻 井 装 置 的可 靠 性 ， 及较 小 的体 积 和较低 的总体 高度 ， 其 减速 装置 必 须 具有 较高 的传动效 率 、 较好 的运行 可靠性 、 较小 的 体 积 、 较 轻 的质 量 。 三轴式星形内齿行星齿轮传动系统由 2块内齿 板 、 2 根 输入 轴 、 1根输 出轴 、 1根 支承 轴 和 6个偏 心 套组成 ， 其 中偏心套相对内齿板对称分布， 使得载荷 对称 分布 ， 运动 更 加平 稳 。与少 齿 差行 星 齿 轮减 速 器传动 比相 当， 且 构 件 少 ， 质 量 轻 ， 传 动效 率 更 高口 。因此， 顶驱减速装置采用三轴式星形 内齿行 星齿轮传动系统， 可实现大减速比、 小功率大转矩传 动。由于采用 2 块内齿板， 使偏心力矩得到平衡 ， 传 动平稳 ， 自身振动极 小 。 2 ． 3控制 系统 2 ． 3 ． 1 S RD原 理 开关磁 阻 电机 驱动 系统 S RD 主要 由开 关磁 阻 电机 S wi t c h e d Re l u c t a n c e Mo t o r ， 简 称 S R M 、 功 率变换器、 控制器和角 位移传感器 位置检测 4部 分 组 成 如 图 1 。S R M 是 通 过 电子 电路 轮 流 接通 和断开各相绕组使 电机旋转的磁阻式电机 ， 其上装 有 转子 位置 传感器 ， 可用 类 似 于 无刷 直 流 电机 的工 作 方 法进行 控制 。 图 1 S RD系统组成 2 ． 3 ． 2 S RD控 制 模 式 S RM 的可控 变 量有 施 加 于 相 绕组 两 端 的电 压 U 、 相电流 J 、 开通角 0 。 和关断角 “ 等。根据控 制 变量 的不 同 ， 常 用 的 控 制 模 式 有 电 流 斩 波控 制 C h o p p e d C u r r e n t C o n t r o l ， 简称 C C C 、 角度位置控 制 A n g u l a r P o s i t i o n C o n t r o l ， 简称 AP C 和电压斩 波控 制 。 1 9 8 5年 ， 德 国鲁 尔 大学 的 M． De p e n b r o c k教 授 首先 提出 了基于六 边形 乃至 圆形磁链 轨迹 的直接转 矩 控制理 论 Di r e c t T o r q u e C o n t r o l ， 简称 D TC ， 其 想 法是 不通 过定子 电流 的控 制而直接 控制定 子磁链 和转矩 。这 不 同于矢量 控制 ， D TC无 需 电流 的调 节 和定转子之间复杂的坐标变换 ， 克服 了矢量控制中 控制复杂、 受 电机参数影响大等缺点。它强调 的是 转矩的直接控制 ， 其实质是基于转矩和定子磁链给 定 值 与实际值 的误 差 和 定 子磁 链 的位 置 ， 通 过 选 取 合 适 的 电压 空 间矢 量 ， 在 滞环 控制器 的滞环 范 围内 ， 直接控制交换器的开关状态以减少电机转矩和磁链 的误 差 ， 其 原理如 图 2所示l_ 1 。 由系统框图可以看出 1 S R M 测出的实际转速 与给定的转速 ∞ 进行了比较 ， 其差值 经过速度调节器作用后得到的 第 4 O卷第 9期 韩 兵奇 ， 等 D Q7 0型顶 驱钻 井装 置动力驱动系统研究 值作为 转矩 的给定 值 。 2 电机 的瞬 时 磁链 是 由实 际 测 量 得 到 的 电机绕组 的 电压 、 电流及转 子位 置 角 ， 经 过所 建立 的 磁链 模型 计算得 到 的 。 3 电机 的瞬 时 电磁转 矩 丁 是 由实 际测 量 得 到 的电机绕 组 的电压 、 电流 及转 子位 置角 ， 经 过所 建 立 的转 矩模 型计算 得 到的 。 4 将计 算 得 到 的瞬 时 磁链 和 瞬 时 电磁转 矩 r 厂 分 别与磁 链 给定值 、 转 矩 给定 值 进行 比较 ， 得 到 的偏 差 值将分 别送 往 2个滞环 比较 器 。 5 结合转 矩 和 磁链 滞 环 比较 器 的输 出 ， 再 计 算得 到 的磁链 位 置 角 信 号 ， 将 送 往 已制 定 好 的开 关表 ， 并从 开关 表 中选 择 出 合适 的值 对 功 率 变换 器 中各个 开关 的状 态 进行 控 制 ， 进 而 达 到 控 制 电机 转 速 的 目的。 一L_J 、 一 图 2 S R M 直接转 矩控 制原理 直接转 矩控 制 的基 本思 想是 通过检 测 电机定 子 电压 和 电流 ， 借助 瞬 时 空 间矢 量 理论 计 算 电机 的 磁 链 和转 矩 ， 并 根据 与 给定 值 比较 所得 的差 值 进 行 滞 环 比较 ， 实现 磁链 和转矩 的直 接控 制 ， 把 转矩 脉动 限 制 在一定 的容 差范 围 内 。它 的控制 效果 不取 决于 电 机 的数学 模型 是否 能 够 简化 ， 而是 取 决 于 转 矩 的 实 际状 况 ， 控 制 既直 接 又 简化 。根据 顶 驱 钻 井装 置 对 操作 控制 和驱 动系 统 的要 求 ， 顶 驱 电机 控 制应 选 择 直接 转矩控 制方 案 。 3动 力水 龙 头设 计 3 ． 1 总体结 构 动力水龙头是顶驱钻井装置的主体部件和动力 驱 动 系统 ， 由水 龙头 、 顶 驱 电机 、 减 速箱 等组成 ， 上部 通 过提环 与游 车 相连 ， 下部 与钻 杆 柱 连接 。主要 作 用 是 由顶 驱 电机驱动 主轴 旋转 钻进 、 上卸 扣 ， 同时循 环 泥浆 ， 满 足 正 常 钻 井 作 业 的 需 要 ， 其 结 构 如 图 3 所示 。 1 提 环 销 ； 2提 环 ； 3 - - 盖 板 ； 4轴 承 座 ； 5水 龙 头 ； 6盘 刹 ； 7电 机 ； 8联 轴 器 ； 9 传动系统 ； 1 O 箱体 ； 1 l 扭 矩管 ； l 2 一 吸油 管 ； 1 3 1 一 主 轴 图 3 动力水龙头总体结构 3 ． 2 电动机 选择 四相 8 ／ 6极 开关 磁 阻 电机 作 为顶 驱 电机 ， 其 相关 参数 如下 额 定扭 矩 2 ． 5 k N m 额 定功 率 2 9 4 k w 额定 转 速 1 1 0 0 r ／ mi n 调 速范 围 0 ～ 1 1 0 0 r ／ rai n恒扭 矩 1 1 0 0 ～2 2 0 0 r ／ mi n恒 功率 额定 电压 6 0 0 VAC 绝缘 等级 F 运行 方式 连续 运行 额 定效 率0 ． 9 1 3 ． 2 ． 1 电 磁 开 关磁 阻电机 的电磁 设计 是 根 据 S R M 的技 术 石 油 矿场 机 械 2 0 1 1年 9月 指标要求 ， 利用 经验 计算 公 式 ， 确定 S RM 的 电磁 负 荷 ， 计算 定 、 转 子外 径及 铁 心尺 寸 和定 子 绕组 ， 然 后 根据有 限元分 析 电机性能 ， 反复 调整计算 参数 ， 最后 获得较合 理 的结果 。经过 多轮 的 电机 电磁参数 循环 设计 ， 确 定 的 开 关 磁 阻 电 机 主 要 电 磁 参 数 如 表 1 所示 。 表 1 开关磁阻电机电磁参数 定子外径 D ／ ram 3 8 3 定子轭高 h ／ ram 3 7 转子外径 D ／ ram 2 0 3 转 子轭高 h ／ ram 3 7 铁心叠长 l ／ ram 4 0 6 定子极宽 b ／ mm 3 7 ． 1 4 气 隙 g ／ mm 0 ． 4 转子极宽 b ／ mm 4 0 ． 4 7 第 2 气隙 g 。 ／ ram 1 8 ． 7 5 轴径 D ／ mr n 9 3 定子极弧 风／ 。 2 1 定子槽深 d ／ mm 5 2 ． 6 转子极弧 ／ 。 2 3 绕绀 ／ 匝 1 9 3 3 ． 2 ． 2冷 却 结 构 S R M 转 子上无 任何绕 组 ， 只有定 子上 有集 中绕 组 ， 因此 散热方 便 。为扩大 顶驱 的使用 范 围， 减 小顶 驱 装置 的总体 体积 ， 采 用 乙二 醇 水 11 的混 合 液进 行冷 却 ， 其 循环通 道 为定子 外 双 向螺旋 结 构一 ] 如图 4 。 肋片 水槽 密封罩 r Ⅱ 图 4 S R M 水冷结构 该冷却 通道 紧 贴定 子 外 表 面 ， 进 口和 出 口设 计 在 电机 的下 端 。进 水 时 ， 从定 子水 路进 口进入 ， 隔一 个水 槽循 环流 动 ， 到顶 后 沿 回水 通 道 返 回。形 成 相 邻水 槽 ， 一 进一 出 ， 冷却 介质最 先进 入 的槽 和最后 流 出的槽相邻 ， 可极 大 改 善 冷却 介 质 与热 源 问 的温 度 梯度 。该结 构水 路 弯 曲 ， 当介 质 流过 弯 曲水路 时 产 生的离心力在管壁上引起 的环 流可增加介质的流 动 ， 增 强换 热效果 。 3 ． 3减速 装置 3 ． 3 ． 1 参数 由文献[ 1 3 ] 可知， 顶驱钻井装置的设计参数为 最大载荷4 5 0 0 k N 连续扭矩 5 0 k N m 最大扭 矩 7 5 k N m 钻井 液通 道直 径0 7 6 ． 2 mm 3英寸 额定 循 环压 力 3 5 MP a 额定 功率 2 9 4 k W 4 0 0 h p X2 2台 电机 调速 范 围0 2 2 0 r ／ rai n 选择三轴式星形内齿行星齿轮传动系统作为顶 驱 钻井 装 置 的减 速装 置 ， 利 用 Ma t l a b 7 ． 0对 其参 数 进 行 了优 化 ， 其结果 如下 Op t i mi z a t i o n t e r mi na t e d f i r s t o r d e r o p t i ma l i t y m e a s u r e l e s s t ha n o pt i on s ．To l Fu n a nd ma xi m u m c o ns t r a i nt v i o l a t i o n i s l e s s t ha n o p t i o ns ． To l Co n ． Ac t i v e i ne qu a l i t i e s t o wi t h i n op t i o ns ． To l Co n 1 e ～0 0 6 l owe r u p pe r i ne q l i n i ne q no nl i n 1 3 3 ．r ] 0 ． 0 00 ] S9 ． 7 3 0 4 0． 2 9 8 4 9 ．2 87 9 f va l 1 ．1 1 2 4 e 4 - O 08 即模 数 一1 0 mm、 外 齿轮齿 数 2 一6 0 、 齿宽 系 数 一0 ． 3 、 减速 比 i 一9 ． 3时， 体积最小 ， 质量最轻。 3 ． 3 ． 2 效 率分 析 顶驱 钻井装 置传 动系统 效率 的高低 是衡量 其动 力 驱动 系统性 能 的重要指标 之一 。为 了证 明其 适用 性 ， 必须进 行效 率 分 析 。三轴 式 星 形 内齿 行 星齿 轮 传动系统是一种新型减速系统 ， 其效率与行星轴承 效率、 轮齿啮合效率 、 密封摩擦损失等有关 ， 为简化 计算 ， 主要 讨论 轮齿 的啮合 效率 琉 和行 星轴 承效 率 仇 的影 响 。 三轴式星形 内齿行星传动时， 2块 内齿板传动 相当于并联， 而三轴传动也为并联情况 ， 且该传动系 统为立式结构 ， 可不考虑重力的影响。利用行星齿 轮 啮合效 率计 算公 式 和行 星轴 承 的受 力分 析C 1 4 - 1 5 ] ， 经计 算可 得 ， 额定 载 荷 下 星形 内齿行 星传 动 系统 的 效 率为 单 轴输 入时 0 ． 9 2 2 2 ； 双轴输 入 时 0 ． 9 2 2 1 。 4 控制 系统设计 根据顶驱钻井装置对操作控制和驱动系统的要 求 ， 顶驱电机应选择直接转矩控制模式 ， 其调速范围 为 0 ～1 l O 0 r ／ mi n恒扭 矩 ， 1 1 0 0 ～2 2 0 0 r ／ mi n恒 功率 。恒转矩控制时， 采用给定磁链 固定 、 给定转矩 可调 的控 制方案 ； 恒 功 率 控制 时 ， 采 用 功率 固定 、 给 定磁链和转矩随转速和电流的变化而变化 的控制 方 案 。 4 ． 1 硬件 实现 采用 D S P 5 6 F 8 0 5作为控制器的核心 ， 硬件电路 第 4 O卷第 9期 韩兵奇 ， 等 DQ T O 顶驱 钻井装置 动力 骄动系统研究 主要 由 D S P和各种外 围电路组 成 ， 其结 构 框 图如 图 5所示 ] 。 VDD I S P 5 6 F 8 0 5 速度给定 一 | D C| 4 P WM J 转 矩【；} 制给定 A I ] 、 5 P W M B P W M A 0 ～ I f 功率变 换器 驱动模 块 故 障 检 测 信号 1 R 【 】 、 I D J 1 I I l{ f r 1 t／ 、 转f -f 、 佰 g 爨 H 功 棼 换 器} _ l 吵 数 码 管 一 4 ． 卜 一 S P i 一 J T l l }乜 流 反 馈 检 测 懊 块 } { 光 乜 编 蕊 M参 H X T 、I i itI C 2 l l 1 C，、 ～3 l I X r、 I CPl 0 一 ／ f ’ J 1 5 p l1 VS GP 1 0 一控 制 力I ℃ 图 5系统硬件结构框图 D S P是 控 制 器 的 中枢 ， 其 外 围 电路 主 要 包 括 速 度给定 电路 、 转 矩 限 定 电路 、 故 障 检 测 与 保 护 电 路 、 转子 位 置信 号 检 测 电 路 、 电 流 反 馈 信 号 检 测 电 路 、 8路 P WM 输 出 等 。其 中 8路 由软 件 控 制 直 接 驱 动 I GB T 管 ， 对 S R M 进行直 接转 矩控 制 。 本 系统用 到 的主要 引角功 能有 1 与时 钟源 有关 的 引脚 采 用 8 MHz 外 部 晶振 ， 利 用 内 部 压 控 振 荡 器 和 锁 相 环 可 产 生 8 O MHz总线时 钟 。 2 P WM 输出引脚 由 P wM 0 ～5和 P WMB 0 ～ 1组成 的 8路 P WM 输 出信 号 作 为 直接 转矩 控 制 信号 。 3 S P I 输 出引脚利 用数 码 管 显示 驱 动芯 片 MA X7 2 1 9输 出 S RM 瞬时 转速 和转 矩 。 4 AD C引脚AD C A 用于转 速设 定 、 转 矩 限 定和功率主电路的四相电流反馈检测信号的采样 。 5 相 位 检 测 引 脚 将 P HAS E A 0 Q TAO 、 P HAS E B 0 QTA1 作 为 位 置 传 感 器 的 输 入 端 口 ， QTA0上升沿捕捉位置信号， 产生 中断， 计算转速 。 s 1 、 s 2信 号异或 产生 s信 号 ， S信号 每 1 5 。 发 生 1次 电平 跳 变 ， 产 生 相 中 断 ， 提 供 角 度 控 制 的参 考 点 。 I ND E X 0用 于检 测 正 转 控 制 信 号 ， HOME 0用 于 检 测反 转控 制信 号 。 6 外部 中断 引脚 I R Q A 故障检测信 号输入 。 7 G P I O 引 脚 旋 转 方 向和 控 制 方 式 信 号 输入 。 4 ． 2软件 控制 4 ． 2 ． 1 恒 转 矩 控 制 给定 旋转 方 向和恒 转 矩控 制 方 式 信 号 ， 输 入 转 矩限定信号 ， D S P接受外部 速度 给定 信号 ， 存检测 系统 状态一 切 E 常 的 情 况 下 ． 根据 位 置 传 感器 提 供 的 电机转 子位 置信 ， 按 启 动 逻辑 给 Ⅲ相 应 的输 出 信 号 ， 控制 功率 变换 器 向电机 绕组供 电 ， 使 电机 转 开始旋 转 ， 根据速 度 误 差 经 速度 调 器 计算 出转 矩 ，与外 部输入 限定 转矩 丁卡 H 比较 ， 若 丁， 则 了 、 代 替 丁 的值进 入 DT C控制模 块进 行 凋 节 ， 实 现钻井 转矩 限定 。 4 ． 2 ． 2恒 功 率 控 制 给 定旋 转 方 向和恒 转 矩 控制 方 式 信 号， 转 矩 限 定 信 号无 效 ， D S P接 受外 部 速 度 给 定 信 号 ， 在 检 测 系 统状 态 切 常 的情 况 下 ． 根 据 位 置传 感 器 提 供 的电机转 位置信 号 ， 按起 动 逻 辑 给 相 懂的 输 出 信 号， 控 制功率 变换 器 向电机 绕组 供 电 ， 使 电机转 予 开 始旋转 ， 根 据速 度 误差 经 速 度 调 节 器计 算 } n 转 矩 ，同 时 。 由 磁 链 调 节 器 汁 算 出 给 定 磁 链 ， 进 入 D F C直 接转矩 进行 调节 ， 输 出各 相 开关 管 的导 通信 号 ， 改变功 率变 换器 的开 关状 态 ， 实 现恒 功率控 制 。 若在 运 行 过 程 中 出现 故 障 ， I S I 产 生 【 } 1 断 ， 速 度设定 回零并刹 车 ， 锁相环 P I I 和外 设总线 停 止 ] 作 ， S R 电机停转 ， 并 通过 示 电路 示报 警 。 5试 验 为 了 验证 顶 驱 动 力驱 动 系统 的性 能 ， 在 实验 室 分 别对 三轴 式 星 形 内齿 行 齿 轮 传 动 系统 和 S R D 进 行 了试 验 。其试 验装 置 主要包 括顶 驱装 模拟 系 统 和开关 磁 阻 电机试验 系统 。 5 ． 1 顶 驱装 置模 拟 系统 顶驱 装 置模 拟 系统用 于验 证 顶驱减 速箱 星形 l大 J 2 6 石油 矿 场机 械 2 0 1 1年 9 月 齿行星齿轮传动系统 的运行 过程 ， 该装置包括三相 异步电机 、 变频器 、 三轴式星形 内齿行星齿轮传动装 置 、 主轴 、 井 架 、 光 电编 码 盘 等 ， 井架 总高 3 ． 5 m， 电 机额 定转 速 2 8 3 0 r ／ mi n 。 经过 对 该模 拟 系统 的反 复试 验表 明 ， 星 形 内齿 行星齿轮传动系统工作正常， 运行平稳 ， 在高速时振 动 较小 ， 主轴运行 效果 理想 。 5 ． 2开 关磁 阻电机试 验 系统 开关 磁 阻 电机 试 验 系统包 括 开关 磁 阻 电机 、 扭 矩传感器、 磁粉制动器、 风扇等。其中， 开关磁阻电 机 为 四相 8 ／ 6 极 3 k W 电机 ， 额定 电压 2 6 0 VD C， 额 定 转速 1 5 0 0 r ／ mi n ， 调速 范 围 5 O ～2 0 0 0 r ／ mi n ； 扭 矩 传 感 器用 来 测量 电机 的 输 出转 矩 ， 测 量范 围为 0 -- 5 0 k N m， 用 弹性 联 轴 器 与 s R 电 机 轴 联 在 一 起 ； 磁粉 制动 器作 为开关 磁阻 电机 的加 载器 ， 属摩擦 性负荷 ； 风扇 用来 冷却磁 粉制动 器 。 在 进行 开关磁 阻 电机 试验 系统装 置 的测 试过程 中 ， 用 P C Ma s t e r 观 测记 录转速 波形 。 载荷 瞬 间干扰 和突加 持续 载荷干 扰时 电机转速 曲线如 图 6所示 。由 图 6 可 知 ， S R M 在 转速 为 8 0 0 r ／ mi n时 ， 静 差 率 S一2 ， 动 态抗 扰性 能 指 标～ 动态 降落为 5 ， 恢复 时 间约为 1 ． 2 S 。这 相 当于顶 驱装置 钻遇 复杂地 层时 ， 载荷 瞬问干扰 产生 得快 ， 消 失得也快 。 ， ．宝 ￡ ● 0 样 - - ．曼 三 ● 0 嘲 球 时f i lJ ／ ． a 载荷瞬间干扰时 fl ,j - I“ l ／ s b突加持续载荷干扰时 图 6 S R 电机 转 速 曲线 6 结 论 试验证明， 以星形内齿行星齿轮传动系统作为 减速系统 ， 以 S RM 作为顶驱钻 井装 置动力驱动系 统 ， 运行平稳 ， 工作正常， 体积小 ， 质量轻 ， 在高速时 振动 较小 ， 主轴 运行 效 果 理想 ， 且 控 制 灵 活 ， 调 速 性 能好 ， 抗 干扰能 力 强 ， 性 能优 良， 为 顶 驱钻 井装 置 在 复杂井钻井提供 了技术保障。 参 考文 献 [ 1 ] 张宏英 ， 李东阳 ， 黄衍福 ， 等． 顶驱下套管作业装备 配套 E 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 1 1 ] 2 J 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] 及工艺初探 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 3 2 0 2 3 ． 宋 路江 ， 蔡正敏 ． 张贵德 ， 等． 顶驱内防喷器在井控 中的 应 用及维护 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 o 1 0 ， 3 9 9 8 9 9 1 ． 蔡 正敏 ， 张军 ， 申朝廷 ， 等． 顶驱钻井装置倾斜 液压 机 构临界载荷 的精确解 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 4 9 5l _ 蔡正敏 ， 张军 ， 申朝廷 ， 等． 顶驱钻井装置倾 斜液压机 构临界载衙计算分析 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 48 5 O ． 侯强 ， 董 阳阳． TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶驱在海 洋钻井 中的 应用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 3 7 1 7 3 ． 牟新明 ， 李鹏 ， 张福 ， 等． 顶驱中心管接头螺纹连接 性能分析【 J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 8 2 4 - 2 9 ． 李传华 ， 刘鹏 ， 刘百红． 浅述 国外顶部驱 动装 置的性 能与应 用[ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 7 3 0 3 3 ． 肖文生． 顶部驱 动钻井装 置动力学分 析与虚拟 样机技 术的研究[ D ] ． 武汉 华 中科技大学 ， 2 0 0 4 ． 吴建华． 开关磁 阻电机设计 与应 用[ M] ． 北 京 机械工 业 出 版 社 ， 2 0 0 0 ． 吴斌 ， 张锁怀． 内齿行星传 动的运 动学条件及 最优 化设 计 [ J ] ． 上 海应 用 技 术 学 院 学 报 ， 2 0 0 7 ， 7 2 1 2 4 1 2 7． 王勉华 ， 梁媛媛 ， 宋景哲 ， 等． 直接转 矩控制在 开关磁 阻电机中的应 用与研 究[ J ] ． 电机 与控 制应用 ， 2 0 0 8 ， 3 5 2 2 5 2 8． 王北 社． 定子外水冷却高功率密度 电机设计技术研究 [ D ] ． 西安 西北 工业大学 ， 2 0 0 7 2 4 2 6 ． s Y ／ T 6 7 2 6 -- 2 0 0 8 ， 石油钻 机顶部驱动装置I S ] ． 吴斌 ， 张锁怀． 内齿行 星传动 的啮合力计算 与 啮合 效率分析[ J ] ． 上 海 应用 技术 学 院学 报 ， 2 0 0 6 ， 6 4 2 45 2 48 ． 吴斌 ， 张锁怀． 星型 内齿行星传 动的动 力学计算 与 效率分析[ J ] ． 机械设计 与研究 ， 2 0 0 7 ， 2 3 4 4 1 4 4 ． Re v ． 3 ． 0 Mo t o r o l a I n c ． DS P5 6 F 8 01 ／ 8 0 3 ／ 8 05 ／ 8 0 7 1 6 B i t Di g i t a l S i g n a l Pr o c e s s o r Us e r’ S M a n u a l r Z] ． 2 0 0 1 ． ] ] ] ] ] O 1．。l 口