電動鉆機驅動控制概述

張天生

（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動鉆機所替代。無論那種形式的鉆機均有絞車、轉盤/頂驅、泥漿泵等主要鉆井機械。

電動鉆機驅動控制裝置可簡單描述為鉆井機械裝置的驅動者，以電力為動力源，以絞車、轉盤/頂驅、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成控制系統，依據自動控制理論，控制這些電動機的轉速，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動控制部分進行概述和討論。

2 主要控制對象

2.1 小電網系統

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，另一種是大電網供電方式。自備電站供電方式使用較多、應用廣泛，這種方式多采用3－5臺柴油發電機組并網發電，構成一個公共交流母線的小電網系統，總容量在3000－6000kVA之間，并留有足夠的裕量，根據鉆井工況選擇機組的臺數，以達到最佳的效率。目前柴油發電機組的主流控制技術是全數字控制，柴油機采用功率內環、速度外環的雙閉環負反饋控制策略，發電機采用無功內環、電壓外環的雙閉環負反饋控制策略，機組自動同期并網，并網后負荷分配調節環節自動投入，使并網各機組的有功和無功功率按照設計要求調節平衡。一般控制策略為負荷分配調節的輸出分別疊加于柴油機和發電機的雙閉環控制系統的輸入，調節各機組使其有功、無功達到均衡。

2.2 提升系統

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

2.2.1 絞車

絞車機械機構由滾筒、離合器、變速齒輪箱、制動裝置等組成。驅動部分由傳動控制系統拖動絞車電動機構成，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。對驅動系統的要求為：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，充分發揮機械能力，需要絞車運行在最佳速度下。因此，控制系統一般采取的策略是：額定速度以下恒轉矩調速，額定速度以上恒功率調速，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。電驅動鉆機一般配有獨立的送鉆系統，通過離合器與絞車電機共同拖動滾筒，實現復合送鉆，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。

驅動控制策略為：在常規的雙閉環系統的基礎上增加鉆壓調節外環，構成鉆壓、速度、扭矩三閉環的調節系統，鉆壓環采用PID算法。

2.3 旋轉系統

指頂部驅動或者轉盤驅動的旋轉系統，其負載是帶有粘滑摩擦的彈性負載。

2.3.1 轉盤

轉盤的作用是使鉆具旋轉，把扭矩經鉆桿傳送到鉆頭，切削地殼實現鉆進作業。電機通過傳動齒輪箱驅動轉盤，對驅動系統的要求是：調速范圍寬；具有設定扭矩限制、反轉等功能；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

頂驅是取代轉盤鉆臺面驅動的鉆井裝置，把鉆井動力部分由下面的轉盤處移到鉆機上部的動力水龍頭處，在井架上部直接驅動鉆具旋轉，沿井架內導軌上下移動，完成鉆柱旋轉鉆進、接立柱、上卸扣、倒劃眼和循環鉆井液等鉆井操作。驅動控制的要求為：控制精度要高，上扣、卸扣時需滿足機械機構對扭矩的要求；液氣回路的控制需依據頂驅特性并結合旋轉鉆進的工藝要求，使頂驅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 鉆井液循環系統

通過泥漿泵驅動鉆井液循環，負載為典型的泵類特性，負載轉矩與轉速的平方成正比關系。

驅動系統控制泥漿泵電機旋轉，泥漿泵作為鉆井液循環的動力源頭，推動整個循環液高壓循環，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，配合旋轉系統提供井下動力。驅動控制一般采用恒轉矩調速，調速范圍窄，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，實現軟泵控制功能，使輸送管網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等泥漿循環系統的使用壽命。這種通過控制實現軟泵功能，是泵控制中有待于進一步研究和推廣的新課題。

3 驅動類型

按照主傳動部分驅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

交流鉆機的優越性，在很大程度上與交流電機的優點有關。同容量時交流電機轉子慣量小于直流電機，能實現更高的動態性能，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，尤其適合現代鉆井工況的需求。交流鉆機功率因數高，節能效果好。不足之處是交流電機雖然能夠對速度精確控制，但對力矩無法做到精確控制。其做不到直流調速的特性，只能是逼近直流調速的特性。

目前交流電機主要采用矢量控制和直接轉矩控制技術，裝置大多數為SIEMENS或ABB的產品，相信在不遠的將來我國國產的變頻系統一定會在交流鉆機中得到廣泛應用。

3.2 直流鉆機

直流鉆機的優點是控制精度高，調速特性良好。直流電機轉子慣量與其結構有關，一般較大，因此加速時間長，影響動態性能，總體效率低。其電機換向能力限制了容量和轉速，極限容量和轉速的乘積是106kW.r/min。其轉矩脈動小，但電流換相有火花，這樣對位于防爆區的絞車、轉盤等電機有不利的一面。直流鉆機功率因數較低，耗能較大。

交流和直流鉆機互有優缺點，目前交直流鉆機系統共存，但發展趨勢是交流鉆機取代直流鉆機。

4 控制技術

4.1 模擬與全數字控制

早期的電動鉆機多采用模擬控制系統。隨著數字控制技術的快速發展，全數字控制技術應用于電動鉆機，使電動鉆機在性能、精度和靈活性等方面有了突出優點。模擬系統無法與全數字系統相比，模擬系統逐漸被淘汰了。

模擬系統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、輸出等功能的執行都是連續的，是連續控制的系統。

全數字系統是基于數字控制器件的，其核心是處理器，處理器要完成大量的任務，在一定時間內只能做一件事，任務分時串行執行，把連續的任務間斷成每隔一定時間執行一次，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，將連續變量量化為不連續的數字量，處理器才能進行計算和控制。連續量的量化是數字控制和模擬控制的重要區別之一，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。利用數字量位數資源，使系統中的變量都有相同的精度。在數字控制器中，當量都按百分數（%）規定。為充分利用數字量位數資源，規定去掉一個符號位的數為200%（留100%調節余量）。

以16位數為例，100%對應214＝16384，全部數的范圍是（＋ /－）200%對應（＋ /－）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，為此控制系統大多數采用兩套完全獨立的PLC和現場總線通訊方式構成，兩套能互相切換工作，在任何一套系統工作時另一套不加電便于維護，使影響鉆井作業停機的故障幾率大大降低，提高了系統的可靠性并便于現場維護。

如圖1所示，以ZJ70DBS通訊網絡為例，來說明常規配置的冷冗余通訊網絡的構成及特點。

圖1 ZJ70DBS通訊網絡

①VFD2控制室的PLC1（PLC2）作為PROFIBUS＿DP主站，進行網絡組態。自動送鉆（ADR）、絞車A（DWA）、轉盤（RT）、絞車 B（DWB）變頻器作為 DP從站設置參數。

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從站設置參數。

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。

主站與從站交換數據的速率、傳送數據的長度由主站設定，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組。

這種技術使鉆井工藝與操作控制有機結合，有效實現了數據采集和計算處理，并經觸摸屏實現了一體化儀表功能。其軟件設計靈活，絞車控制手柄、手輪等傳統的硬件操作和觸摸屏的界面操作互備，保護聯鎖功能齊全，使鉆井安全得到保證。隊長辦公室進行監視、數據保存、歸檔等。

5 無功補償和諧波抑制

由于鉆機電網大多數為小電網系統，變流裝置負載容量達到電網在線容量的70%－80%，每個變流負載對電網相當于一個諧波電流源，產生各次諧波，諧波電流的次數有 5、7、11、13、17、19、23、25，以 5、7 次諧波最為顯著，小電網容量不是無窮大，諧波阻抗不為零，諧波電流在電網建立相應的諧波電壓，引起電網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，濾除一定的諧波，改善小電網品質。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低，用無功補償提高功率因數。依據鉆機負載變化情況，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。其主要技術指標有阻斷電壓、通態電流、壓降、開關時間等。

7 控制技術發展趨勢

鉆機控制技術正向著高效、節能、智能化方向發展，主要表現在以下方面：

（1）以柴油機為動力的機械鉆機正在被電代油所替代。

（2）數字控制技術逐步取代模擬控制技術。

（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展，為開發10000米以上大功率鉆機提供了硬件保障，大容量鉆機的開發研制勢在必行。

（4）隨著電力電子器件、數字控制技術、變頻調速技術的發展，交流鉆機取代直流鉆機成為必然。

（5）鉆機控制系統進入一個開放的網絡化、管理一體化的新階段，數字通訊和網絡技術在鉆機領域全面應用。

（6）諧波治理及功率補償將逐步成為常規要求。

（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用。

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