石油鉆機絞車的控制策略

商義葉 牛 軍 趙 磊

（1.濟南職業學院 山東 濟南 250103；2.山東天宇建設機械股份有限公司 山東 齊河 251100）

絞車不僅是石油鉆機的起升系統設備，而且也是整個鉆機的核心部件，是鉆機三大工作機組之一。主要有以下功用：用以起下鉆具、下套管；鉆進過程中控制鉆壓，送進鉆具；借助貓頭上、卸鉆具絲扣，起吊重物及進行其他輔助工作；充當轉盤的變速機構或中間傳動機構；整體起放井架。最近幾年發展的交流變頻電動機驅動的絞車，電動機通過齒輪減速箱直接驅動滾筒軸，利用變頻調速和再生發電制動技術，取消了機械換檔和絞車的輔助剎車，使剎車的結構大大簡化，并使其工作性能也得到了較大的提高。

1 驅動系統特性要求

1.1 絞車負載特點及對驅動特性的要求

圖1為大鉤提升載荷Qh與提升速度V的關系曲線。若大鉤提升速度能隨載荷的變化而相應地改變，即沿圖中曲線1工作，這是最理想的情況，功率利用最充分。QhV=C是理想功率曲線。

絞車載荷是隨起鉆過程中立根的數目的逐一減少而呈階梯狀下降的。若提升速度V也能隨立根數的每一次減少而相應增加，即沿曲線2工作，則功率利用雖不是最理想的，也已很充分。但在機械變速有限檔情況下，這是不可能做到的。曲線3是分級變速時的曲線，可見功率利用不充分，陰影三角面積是未被利用的功率。

圖1 大鉤提升載荷與速度

按絞車工作特點，對動力機組的要求是：

（2）具有短期過載能力，以克服啟動動載、振動沖擊和輕度卡鉆。

（3）絞車工作時起停交替，要求動力傳動系統有良好的啟動性能和靈敏度可靠的控制離合裝置。

綜上，絞車驅動需要的是具有恒功率調節、能無級變速并具有良好啟動性能的柔性驅動[1]。

1.2 鉆機絞車的驅動類型及特點

鉆機絞車的驅動類型分別有：機械驅動和電驅動。機械驅動，依驅動機組驅動特性的不同可分為，柴油機直接驅動（或簡稱柴油機驅動）和柴油機-液力機械驅動。驅動特性是柴油機-液力變矩器聯合輸出特性，能自動變速變矩，屬柔性驅動。

電驅動，依其發展可分為：交流AC-AC驅動、直流DC-DC驅動、交直流AC-SCR-DC驅動、交流變頻驅動。交流變頻驅動是柴油機交流發電機組發出交流電或者是網電，經變頻器成為頻率可調交流電，驅動交流電動機去帶動絞車、轉盤和鉆井泵，這是正在發展中的第四代電驅動型式，也是本論文研究對象的類型。

2 絞車的剎車機構

剎車機構是鉆機的重要部件，石油鉆機絞車主剎車主要采用帶式，盤式近年來也有較大發展。

輔助剎車主要有水剎車及電磁渦流剎車兩種。本文中根據交流變頻石油鉆機的特點，采用盤式剎車裝置作為主剎車；取消水剎車或者電磁渦流剎車，利用絞車驅動電機四象限工作特性實現輔助剎車。

3 石油鉆機絞車控制策略研究

本文針對采用網電供電的交流變頻電動機驅動絞車，為滿足絞車的工作需求需確定其控制策略。控制交流變頻電動機的控制方式分為非智能控制方式和智能控制方式。非智能控制方式包括：U/F=C，正弦脈寬調制（SPWM）控制方式；矢量控制（磁場定向法）；直接轉矩控制（DTC控制）；矩陣式交-交方式；最優控制。智能控制方式包括：神經網絡控制；模糊控制；專家系統；學習控制。

3.1 U/f=C，正弦脈寬調制（SPWM）控制方式

U/f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常是使U/f為常數，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的轉矩、效率、功率因數不下降。正弦脈寬調制（SPWM）技術在實際的工業變流器中的應用非常普及。作為變頻器的調速控制方式，U/f控制比較簡單，多用于通用變頻器，在風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動[3]。

3.2 矢量控制

矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

3.3 直接轉矩控制

直接轉矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。

直接轉矩控制技術，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節器（Band-Band控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態進行控制，以獲得高動態性能的轉矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機的數學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數學模型，沒有通常的PWM脈寬調制信號發生器，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態性能的交流調速控制方式。

與矢量控制方式比較，直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻和電感。因此直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題。直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量，對轉矩的直接控制或直接控制轉矩，既直接又簡化。

直接轉矩可與矢量控制的相比，直接轉矩（DTC）控制的特點被總結如下：

（1）無反饋電流控制；

（2）沒有采用傳統的PWM算法；

（3）不存在矢量變換；

（4）反饋信號的處理與基于定子磁鏈定向的矢量控制類似；

（5）滯環控制會產生磁鏈和轉矩脈動，并且開關頻率不是常數（類似于滯環電流控制）。

交流變頻異步電動機的矢量控制方法實現了轉子磁鏈和電磁轉矩的解耦控制，但矢量變換運算復雜，且對模型參數的變化較為敏感。直接轉矩控制提出了全新的解決思路，直接控制磁鏈和轉矩，省去了復雜的計算，減少了對電機參數的依賴性。鑒于直接轉矩控制方式的種種優點，故選擇該控制方式來控制石油鉆機絞車的電動機，這將在第五章中詳細介紹。

4 小結

本章對石油鉆機絞車的特性要求進行了總結，分析研究了各種驅動控制和再生制動的機理、特性。得出電動鉆機絞車的驅動控制策略。概括如下：采用具有再生制動功能交流變頻技術的電驅動鉆機絞車具有非常優越的工作性能；分析絞車的各種剎車結構類型及優越點，選出最佳的剎車機構組合；分析各種絞車控制方式，選擇直接轉矩控制交流變頻電動機驅動鉆機絞車。

［1］李繼志，陳榮振.石油鉆采機械概論[M].東營：石油大學出版社，2001：92－93.

［2］李繼志，陳榮振.石油鉆采機械概論[M].東營：石油大學出版社，2001：173－183.

［3］王廷才，王偉.變頻器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2005：82－83.