顶部驱动钻井转速扭矩控制技术研究及应用.pdf

速度调节 电流调节 变流技术 C on v e rt er T e c h n iqu e s 图 2 矢量控 制原理 2常见解 决方案 基于以上基础技术的优越性考虑， 目前已经得到广泛应用 的， 名义钻深在 7 0 0 0 m及以上的顶驱， 一般都采用交流变频技 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 好处 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 心居中； 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 一 半 ， 有效延长轴承、 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 以单 电机 降低负 载 使用。 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 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 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 机同步， 目前常见的解决方案有以下二种 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, 6 o ／ 1一 s ／ p 6 J ， 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 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 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 响对井下情况的分析判断。 2 ． 2 双 电机各 自独立连接 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。 在这种解决方案中， 主动电机需要编码器提供速度反馈， 并 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， 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 扭矩之间的偏差来调整电机的转速和扭矩。 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 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 电气自动化 2 0 1 5年第3 7 卷 第 3 期 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 方案 。 3 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 制开发基于西门子新一代 S 1 2 0驱动系统的顶驱装置， 采用主从 控制实现同步 ， 已有超过 2 0 0台 1 2 0系统的顶驱在世界各地成 功应用， 成为目前世界唯一批量应用 S 1 2 0系统的顶驱装置制造 商。下面以D Q T O B S C型号顶驱为例， 介绍基于闭环矢量控制的 S 1 2 0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， 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， 这种结构可靠性高， 可作为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 S 1 2 0系列产品， 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， 交流变频驱动。顶驱驱动系统单线图如图3所示。 图 3 顶驱驱动 系统单线图 因单电机运转时不涉及速度同步， 在此不作详细分析， 下面 就双电机运转时的速度同步和扭矩分配展开讨论。 3 ． 1 速度同步 双电机运转时， 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， 工作在扭矩控制模式下， 变频系统只控制该 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 从 同步 。 3 ． 2 扭矩限定和分配 在变频系统中， 扭矩设定值为一个整形 I N T 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， 电机允 许短时间内 1 5 0 ％的过载， 因此 1 0 0 ％的额定扭矩设定 ， 对应的二 进制数值为 0 0 1 1 ． 1 1 1 1 ． 1 1 1 1 ． 1 1 1 1 ， 换算成十进制即 1 6 3 8 4 ， 为防 止溢出， 取 1 6 3 8 3 。在双 电机模式下， 要求单个电机输出扭矩为 E l e c t r ic a I Au t o ma t i o n 1 9 电 气自 动 化 2 0 1 5 年第3 7 卷第3 期 变流技术 Co n v e r t e r T e c h n i q u e 总输出扭矩的一半， 因此在 P L C系统中， 双电机模式下扭矩限定 值应将设定值除以2 ， 做如下编程 c A L L T O R Q U E D R I L L SETPOI NT ’ ’ Se t p o i n t ”． t o r qu e s et d r i l l AN ”M A B” J NB ． 0 1 6 L ” Se t p o i n t ”． t o r q u e s etd r i l l L 2 I ／ ／ 双电机模式时扭矩限定值除以2 T ”S e t po i n t ”． t o r q ue s et dr i l l 1 6NOP 0 变频系 统通过 P r o - fi b u s自由报文接 收 P L C 系统传送过来的扭矩限 定值， 送到电机模块 的 扭矩限幅功能块 中， 其 功能图如图4所示。 3 ． 3 主动电机速度 和扭 矩控 制 在变频系统 中， 速 度设 定值 为一个整 形 I N T 数据， 占用一个 字 两个字节 的长度 ， 图4 扭矩限幅功能图 其中高字节的最高位为符号位， 同时电机允许在 2 0 0 ％额定转速 运转 ， 因此 1 0 0 ％ 的额 定转 速 设 定， 对 应 的二 进 制 数 值 为 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ， 换算成十进制即 1 6 3 8 4 ， 为防止 2 0 0 ％额定转 速设定时数据溢出， 取 1 6 3 8 3 。在 P L C程序里， 主动电机的速度 设定值应做如下编程 CAL L S PEED S E T P OI NT ’ ’ S e t p o i n t ”． s p e e d s et A M1 ． 5 J NB a 0 0 1 L “S e t p o i n t ”． s pe e d se t L 2 十I ／ ／ 顶驱高速时速度设定值乘 以 2 T “ S e t p o i n t ” ． s p e e d s e t a 0 01 NOP 0 变频系统通过 P r o fi b u s自由报文接收 P L C系统传送过来的 转速设定值 ， 送到主动电机模块的速度设定功能块中， 根据速度 设定值与编码器反馈的速度实际值之间的偏差 ， 变频系统通过 P I 调节器计算出需要调整的扭矩设定值 ， 扭矩设定值被传输到主动 电机模块的扭矩设定功能块中， 如图5所示。 此时电机模块工作在速度控制模式下， 主动电机将按照设定 的速度运转， 输出扭矩不超过扭矩限定值。 3 ． 4 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。为达到这个 目的， 可以将从动电机模块切 换到扭矩控制模式 ， 然后直接将主动电机的实际扭矩输出值作为 从动电机的扭矩设定值 ， 如图 6所示。 从图中可以看到， 与主动电机模块明显不同， 从动电机模块 工作在扭矩控制模式下， 扭矩设定值源于 C U S 一 0 0 8 r 2 0 2 2 5 ， 而 此时 r 2 0 2 2 5中的值正是主动电机模块的 r 0 7 9 ， 即主动电机的实 际输出扭矩值。 图 5 主动电机扭矩限幅功能 图 l 揶 l 对 熊 垫 l l o 迭 到 扭 矩 限 定 值 I ； 2 蚣 2 卜 _ 一 l 一 面 面 ≥1 图 6 从动电机扭矩 限幅功能图 通过以上流程 ， 巧妙的利用变频系统中的内存交换 ， 极其方 便的实现了主从电机之间实际扭矩输出值的传递， 由于这种传递 是在变频系统控制器的不同内存区域间进行的， 几乎不存在交换 时间， 因此相对于 6 S E 7 0系统采用的 S i m o l i n k光纤 同步 ， S 1 2 0系 统的内存交换可以保证极高的数据实时性。 4 结束语 北石顶驱采用本文阐述的解决方案， 使用 S 1 2 0系统作为电 机驱动系统， 并成功实现现场批量应用。实践证明， 本方案充分 利用 S 1 2 0系统的新特性和新功能， 优化控制精度， 使顶驱输出转 速更平稳， 输出扭矩更均衡， 更好地满足复杂钻井工艺对顶驱性 能的苛刻要求。 参考文献 [ 1 ]葛运锋 ． 顶部驱动钻 井装置 电控系统 的设 计研究 [ D] ． 北京 北 京交 通大学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]王耀华． 超深井钻机顶驱动力系统研究 [ D] ． 吉林 吉林 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ]刘广华． 顶部钻井装置操作指南 [ M] ． 北京 石 油工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ]郑月非． 低压变频 器的研发及 异步 电动机 间接转矩 控制策 略的研究 与设计[ D] ． 山西 太原理工大学 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ]苟婷婷． 异步电动机矢量控 制技术若 干问题研 究 [ D] ． 陕 西 西安 电 子科技大学 。 2 0 1 0 ． [ 6 ]马燕 ． 异步电动机的转速公式 与功率控制调 速理论 [ J ] ． 西北 民族 大 学学报 ， 2 0 0 5， 2 6 5 6 2 12 5 ． 【 作者简介】王博 1 9 8 2 一 ， 男， 四川人， 工程师， 本科， 北京石油机械厂顸 驱 中心， 现从事顶驱技术服务工作 。