電動鉆機驅(qū)動控制概述

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（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅 天水 741020）

1 引言

石油鉆機按照動力驅(qū)動源分為電動鉆機和機械鉆機兩大類。目前，電動鉆機為主流裝備，機械鉆機正在被電驅(qū)動鉆機所替代。無論那種形式的鉆機均有絞車、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)、泥漿泵等主要鉆井機械。

電動鉆機驅(qū)動控制裝置可簡單描述為鉆井機械裝置的驅(qū)動者，以電力為動力源，以絞車、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)、泥漿泵等的電動機為控制對象，通過微電子元件和電力電子器件構(gòu)成控制系統(tǒng)，依據(jù)自動控制理論，控制這些電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足鉆井工況的最佳要求，降低能耗、提高效率。下面對電動鉆機的主要驅(qū)動控制部分進行概述和討論。

2 主要控制對象

2.1 小電網(wǎng)系統(tǒng)

電動鉆機按電源的來源分為兩種，一種是獨立的自備電站供電方式，另一種是大電網(wǎng)供電方式。自備電站供電方式使用較多、應(yīng)用廣泛，這種方式多采用3－5臺柴油發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電，構(gòu)成一個公共交流母線的小電網(wǎng)系統(tǒng)，總?cè)萘吭?000－6000kVA之間，并留有足夠的裕量，根據(jù)鉆井工況選擇機組的臺數(shù)，以達到最佳的效率。目前柴油發(fā)電機組的主流控制技術(shù)是全數(shù)字控制，柴油機采用功率內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)負反饋控制策略，發(fā)電機采用無功內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)負反饋控制策略，機組自動同期并網(wǎng)，并網(wǎng)后負荷分配調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)自動投入，使并網(wǎng)各機組的有功和無功功率按照設(shè)計要求調(diào)節(jié)平衡。一般控制策略為負荷分配調(diào)節(jié)的輸出分別疊加于柴油機和發(fā)電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入，調(diào)節(jié)各機組使其有功、無功達到均衡。

2.2 提升系統(tǒng)

通過絞車/送鉆離合器切換，由絞車或者自動送鉆驅(qū)動提升系統(tǒng)，其負載是位能性的，無論提升還是下放負載，轉(zhuǎn)矩方向始終不變。

2.2.1 絞車

絞車機械機構(gòu)由滾筒、離合器、變速齒輪箱、制動裝置等組成。驅(qū)動部分由傳動控制系統(tǒng)拖動絞車電動機構(gòu)成，用于起下鉆具、套管、起放井架、底座等。絞車工作的特點是載荷變化大，起放頻繁，深井起鉆時載荷最大，空吊卡起放時最輕。對驅(qū)動系統(tǒng)的要求為：為防止提升時鉆桿晃動與井架碰撞等，最好低速起動，然后迅速加速；為防止井壁輕微卡鉆，需具備1分鐘左右過載1.5倍的能力；為提高效率，充分發(fā)揮機械能力，需要絞車運行在最佳速度下。因此，控制系統(tǒng)一般采取的策略是：額定速度以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，額定速度以上恒功率調(diào)速，具有挖土機特性輸出。

2.2.2 自動送鉆

自動送鉆用于降低司鉆工的勞動強度、提高鉆井速度、降低鉆井成本。電驅(qū)動鉆機一般配有獨立的送鉆系統(tǒng)，通過離合器與絞車電機共同拖動滾筒，實現(xiàn)復合送鉆，同時具備了絞車電機的部分功能，可互為備用，目前多采用這種送鉆方式。

驅(qū)動控制策略為：在常規(guī)的雙閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加鉆壓調(diào)節(jié)外環(huán)，構(gòu)成鉆壓、速度、扭矩三閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鉆壓環(huán)采用PID算法。

2.3 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

指頂部驅(qū)動或者轉(zhuǎn)盤驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其負載是帶有粘滑摩擦的彈性負載。

2.3.1 轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)盤的作用是使鉆具旋轉(zhuǎn)，把扭矩經(jīng)鉆桿傳送到鉆頭，切削地殼實現(xiàn)鉆進作業(yè)。電機通過傳動齒輪箱驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是：調(diào)速范圍寬；具有設(shè)定扭矩限制、反轉(zhuǎn)等功能；具有鉆桿反彈速度緩釋放控制即軟扭矩控制、慣性制動控制等功能。

2.3.2 頂驅(qū)

頂驅(qū)是取代轉(zhuǎn)盤鉆臺面驅(qū)動的鉆井裝置，把鉆井動力部分由下面的轉(zhuǎn)盤處移到鉆機上部的動力水龍頭處，在井架上部直接驅(qū)動鉆具旋轉(zhuǎn)，沿井架內(nèi)導軌上下移動，完成鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進、接立柱、上卸扣、倒劃眼和循環(huán)鉆井液等鉆井操作。驅(qū)動控制的要求為：控制精度要高，上扣、卸扣時需滿足機械機構(gòu)對扭矩的要求；液氣回路的控制需依據(jù)頂驅(qū)特性并結(jié)合旋轉(zhuǎn)鉆進的工藝要求，使頂驅(qū)各部件按照鉆井要求有序動作；鉆柱反彈力的釋放需要控制。

2.4 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)

通過泥漿泵驅(qū)動鉆井液循環(huán)，負載為典型的泵類特性，負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系。

驅(qū)動系統(tǒng)控制泥漿泵電機旋轉(zhuǎn)，泥漿泵作為鉆井液循環(huán)的動力源頭，推動整個循環(huán)液高壓循環(huán)，攜帶懸浮巖削、冷卻鉆頭、鉆具、沖洗井底、防止井噴、保護井臂、防止坍塌，配合旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提供井下動力。驅(qū)動控制一般采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，調(diào)速范圍窄，通常使用兩至三臺泥漿泵，直接使用，泥漿輸送管網(wǎng)中承受較大的壓力脈動，通過檢測泵的相位角，即采用“角同步控制”方式，實現(xiàn)軟泵控制功能，使輸送管網(wǎng)中壓力脈動峰值相位均勻錯開，這樣兩臺三缸泵就相當于一臺六缸泵，三臺三缸泵就相當于一臺九缸泵的壓力脈動，使泵壓脈動大幅度降低。從而提高了泵和輸送管網(wǎng)等泥漿循環(huán)系統(tǒng)的使用壽命。這種通過控制實現(xiàn)軟泵功能，是泵控制中有待于進一步研究和推廣的新課題。

3 驅(qū)動類型

按照主傳動部分驅(qū)動電機的類型是交流電機還是直流電機，把電動鉆機分為交流鉆機和直流鉆機兩大類。

3.1 交流鉆機

交流鉆機的優(yōu)越性，在很大程度上與交流電機的優(yōu)點有關(guān)。同容量時交流電機轉(zhuǎn)子慣量小于直流電機，能實現(xiàn)更高的動態(tài)性能，總體效率較高。交流電機不存在電流換向，因此無火花，在容量上不存在限制。交流鉆機具有懸停、四象限運行等新功能，尤其適合現(xiàn)代鉆井工況的需求。交流鉆機功率因數(shù)高，節(jié)能效果好。不足之處是交流電機雖然能夠?qū)λ俣染_控制，但對力矩無法做到精確控制。其做不到直流調(diào)速的特性，只能是逼近直流調(diào)速的特性。

目前交流電機主要采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，裝置大多數(shù)為SIEMENS或ABB的產(chǎn)品，相信在不遠的將來我國國產(chǎn)的變頻系統(tǒng)一定會在交流鉆機中得到廣泛應(yīng)用。

3.2 直流鉆機

直流鉆機的優(yōu)點是控制精度高，調(diào)速特性良好。直流電機轉(zhuǎn)子慣量與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般較大，因此加速時間長，影響動態(tài)性能，總體效率低。其電機換向能力限制了容量和轉(zhuǎn)速，極限容量和轉(zhuǎn)速的乘積是106kW.r/min。其轉(zhuǎn)矩脈動小，但電流換相有火花，這樣對位于防爆區(qū)的絞車、轉(zhuǎn)盤等電機有不利的一面。直流鉆機功率因數(shù)較低，耗能較大。

交流和直流鉆機互有優(yōu)缺點，目前交直流鉆機系統(tǒng)共存，但發(fā)展趨勢是交流鉆機取代直流鉆機。

4 控制技術(shù)

4.1 模擬與全數(shù)字控制

早期的電動鉆機多采用模擬控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，全數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用于電動鉆機，使電動鉆機在性能、精度和靈活性等方面有了突出優(yōu)點。模擬系統(tǒng)無法與全數(shù)字系統(tǒng)相比，模擬系統(tǒng)逐漸被淘汰了。

模擬系統(tǒng)是基于模擬控制器件的，控制量采集（采樣）、信息交換、計算、控制、輸出等功能的執(zhí)行都是連續(xù)的，是連續(xù)控制的系統(tǒng)。

全數(shù)字系統(tǒng)是基于數(shù)字控制器件的，其核心是處理器，處理器要完成大量的任務(wù)，在一定時間內(nèi)只能做一件事，任務(wù)分時串行執(zhí)行，把連續(xù)的任務(wù)間斷成每隔一定時間執(zhí)行一次，稱離散控制。每個周期開始時采集信號，進行周期性采樣，只能在采樣瞬間被測量和控制。合理的采樣周期，將連續(xù)變量量化為不連續(xù)的數(shù)字量，處理器才能進行計算和控制。連續(xù)量的量化是數(shù)字控制和模擬控制的重要區(qū)別之一，量化時兩相鄰采點之間的信息被失去，影響了精度。

合理量化就是合理選擇變量當量。利用數(shù)字量位數(shù)資源，使系統(tǒng)中的變量都有相同的精度。在數(shù)字控制器中，當量都按百分數(shù)（%）規(guī)定。為充分利用數(shù)字量位數(shù)資源，規(guī)定去掉一個符號位的數(shù)為200%（留100%調(diào)節(jié)余量）。

以16位數(shù)為例，100%對應(yīng)214＝16384，全部數(shù)的范圍是（＋ /－）200%對應(yīng)（＋ /－）215＝（＋/－）32768。

4.2 可編程控制和總線通訊

電動鉆機的可靠性和維護性要求很高，為此控制系統(tǒng)大多數(shù)采用兩套完全獨立的PLC和現(xiàn)場總線通訊方式構(gòu)成，兩套能互相切換工作，在任何一套系統(tǒng)工作時另一套不加電便于維護，使影響鉆井作業(yè)停機的故障幾率大大降低，提高了系統(tǒng)的可靠性并便于現(xiàn)場維護。

如圖1所示，以ZJ70DBS通訊網(wǎng)絡(luò)為例，來說明常規(guī)配置的冷冗余通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及特點。

圖1 ZJ70DBS通訊網(wǎng)絡(luò)

①VFD2控制室的PLC1（PLC2）作為PROFIBUS＿DP主站，進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。自動送鉆（ADR）、絞車A（DWA）、轉(zhuǎn)盤（RT）、絞車 B（DWB）變頻器作為 DP從站設(shè)置參數(shù)。

②VFD1控制室的ET200站點、3號泵（MP3）、2號泵（MP2）、1號泵（MP1）變頻器作為 DP從站設(shè)置參數(shù)。

③司鉆控制室的ET200站點、觸摸屏作為DP從站操作和控制整個電動鉆機的運轉(zhuǎn)。

主站與從站交換數(shù)據(jù)的速率、傳送數(shù)據(jù)的長度由主站設(shè)定，每個變頻器從站按照冷冗余配置兩塊CBP2通訊板，按照控制指令切換通訊板及變頻器參數(shù)組。

這種技術(shù)使鉆井工藝與操作控制有機結(jié)合，有效實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和計算處理，并經(jīng)觸摸屏實現(xiàn)了一體化儀表功能。其軟件設(shè)計靈活，絞車控制手柄、手輪等傳統(tǒng)的硬件操作和觸摸屏的界面操作互備，保護聯(lián)鎖功能齊全，使鉆井安全得到保證。隊長辦公室進行監(jiān)視、數(shù)據(jù)保存、歸檔等。

5 無功補償和諧波抑制

由于鉆機電網(wǎng)大多數(shù)為小電網(wǎng)系統(tǒng)，變流裝置負載容量達到電網(wǎng)在線容量的70%－80%，每個變流負載對電網(wǎng)相當于一個諧波電流源，產(chǎn)生各次諧波，諧波電流的次數(shù)有 5、7、11、13、17、19、23、25，以 5、7 次諧波最為顯著，小電網(wǎng)容量不是無窮大，諧波阻抗不為零，諧波電流在電網(wǎng)建立相應(yīng)的諧波電壓，引起電網(wǎng)電壓波形的嚴重畸變。

電動鉆機上多采用無源濾波，按照鉆機工作特性選擇電抗器、電容器等器件參數(shù)，濾除一定的諧波，改善小電網(wǎng)品質(zhì)。有源濾波是另造一種諧波電流源，因造價高、體積大，在鉆機上使用較少。

直流鉆機的功率因數(shù)低，用無功補償提高功率因數(shù)。依據(jù)鉆機負載變化情況，確定無功補償方案。對緩慢變化和沖擊性負載引起的無功功率進行補償，抑制電網(wǎng)電壓波動。

6 采用的功率器件

功率器件是指用于鉆機傳動系統(tǒng)功率變換的電力電子器件，主要有脈沖控制型的晶閘管（Thyristor）和雙向晶閘管等半控型器件、電平控制型的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等全控型器件。不可控器件有整流二極管、快速整流二極管等。其主要技術(shù)指標有阻斷電壓、通態(tài)電流、壓降、開關(guān)時間等。

7 控制技術(shù)發(fā)展趨勢

鉆機控制技術(shù)正向著高效、節(jié)能、智能化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）以柴油機為動力的機械鉆機正在被電代油所替代。

（2）數(shù)字控制技術(shù)逐步取代模擬控制技術(shù)。

（3）電力電子器件向大電流、高電壓、全控型、集成智能化方向快速發(fā)展，為開發(fā)10000米以上大功率鉆機提供了硬件保障，大容量鉆機的開發(fā)研制勢在必行。

（4）隨著電力電子器件、數(shù)字控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流鉆機取代直流鉆機成為必然。

（5）鉆機控制系統(tǒng)進入一個開放的網(wǎng)絡(luò)化、管理一體化的新階段，數(shù)字通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鉆機領(lǐng)域全面應(yīng)用。

（6）諧波治理及功率補償將逐步成為常規(guī)要求。

（7）可編程序控制器（PLC）在鉆機控制中將會得到全面而深入的應(yīng)用。

［1］Siemens Company.Siemens SimovertMasterdrives－矢量控制使用大全.

［2］天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］馬小亮.異步電動機矢量控制［J］.電氣傳動，2010，40（12）.