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【摘 要】顶部驱动钻井装置，是当今钻井装备中技术含量较高、结构复杂的机电液一体化的设备[1]。目前电驱动顶驱广泛以交流变频驱动技术为依托，因具有无级调速、较强过载、便于控制等诸多优势。本文将以北石DQ70BSC型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的S120变频系统转速扭矩控制技术，以及在此技术基础上，如何实现顶驱单、双电机切换和主从控制等技术的应用。
【关键词】顶驱 矢量控制 主从同步
一、引言
顶驱作为驱动井下钻具钻进的动力源，同时还要根据井下地层结构来控制钻进速度即进尺，以及扭矩，因此必须保证顶驱装置能够输出精确可控的转速和扭矩[2]。基于闭环矢量控制的交流变频调速技术，因其具有易于维护、无级调速（调速范围宽）、较强过载及便于控制等诸多明显优势，在当今国内外石油钻机配备的装置中得到了广泛应用。
二、常见解决方案
基于以上基础技术优越性的考虑，目前已经得到广泛应用的、名义钻深在7000米及以上的顶驱，一般都采用交流变频技术，并配置两台三相异步电动机用作动力驱动。采用这种配置主要有以下三点好处：双电机对称布置在顶驱主体上，较好的实现了顶驱本体重心居中；双电机可以均分负载，相对单电机顶驱，其单个电机承担的负载仅为实际负载的一半，有效得延长了轴承、齿轮等机械承载件的使用寿命；双电机可以互为备份，出现问题时可以直接切换到单电机使用，保证作业正常进行。
双电机顶驱的优势是明显的，但同时带来的技术难度也是显而易见的，即两个电机的转速同步和负载均分问题。顶驱受机械尺寸限制，不可能安装离合装置，因此两台电机通过变速齿轮刚性连接在一起。齿轮啮合需要必要的配合间隙，如果两个电机转速差过大，就会导致两个电机承担的负载不均衡，造成电机之间相互反向拖动，实际输出扭矩等于双电机输出扭矩之差。因此双电机的输出扭矩要做到方向相同、大小相等，使得实际输出扭矩等于双电机输出扭矩之和，我们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2种：两台电机接线方式采用并联连接在同一台变频器上，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；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。
综合比较2种解决方案，方案2具有明显的技术优势，因此各顶驱制造商都逐渐放弃第1种方案，转而采用第2种解决方案。
三、应用
下面以北石DQ70BSC型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的S120变频系统转速、扭矩控制技术，以及在此基础上，顶驱单、双电机切换和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，这种结构可靠性较高，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S120系列变频器产品，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，实现交流变频驱动。因单电机运转时不涉及速度同步的问题，在此不再作详细分析。下面就双电机运转时的速度同步和扭矩分配展开讨论。
（一）速度同步
双电机运转时，一般将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。顶驱装置配备双编码器，分别安装在两台电机的电机轴上，只有做速度控制的电机才需要编码器反馈的速度实际值，因此两台编码器始终只有一台投入使用，并且可以方便的通过钥匙开关控制继电器切换。考虑到齿轮间的啮合间隙造成的速度反馈差，一般使用哪台电机上的编码器，哪台电机就作为主动电机。
（二）扭矩限定和分配
在双电机工作模式下，要求单个电机输出扭矩为总输出扭矩的一半（50%），因此在PLC控制系统中的扭矩设定需要做相应设置。在变频系统中，扭矩设定值为一个整形（INT）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，因此100%的额定扭矩设定，对应的二进制数值为0111111111111111，换算成十进制即32767。双电机工作模式下，需要将单个电机扭矩限定值设置为额定值的一半，即32767/2=16383.5，取整后为16383。司钻台钻井扭矩限定手轮连接的是电位计，该段程序将模拟量输入模块测得的电位计数值线性化，同时将满量程设置为16383，从而达到实际扭矩限定值变为手轮限定值一半的目的。变频系统通过Profibus自由报文接收PLC系统传送过来的扭矩限定值，送到两个电机模块的扭矩限幅功能块中。
（三）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。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6SE70系统采用的Simolink光纤同步，S120变频系统的内存交换可以保证极高的数据实时性。
四、结束语
本文举例介绍的北石DQ70BSC型号顶驱，其采用S120系统作为电机驱动系统，并充分利用S120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，更好的满足复杂钻井工艺对顶驱性能的苛刻要求，这也充分证明功能日益强大的顶驱将在或已在石油钻采行业中扮演着不可替代的重要角色。
参考文献：
[1]张连山，美国Varco公司新系列顶驱技术分析1 石油机械， 2000， 28 （ 1）： 45～ 48
[2]沈泽俊1DQ） 60P顶部驱动钻井装置的研制与应用1 中国石油化工科技信息指南（下卷） ， 2001： 175
【关键词】顶驱 矢量控制 主从同步
一、引言
顶驱作为驱动井下钻具钻进的动力源，同时还要根据井下地层结构来控制钻进速度即进尺，以及扭矩，因此必须保证顶驱装置能够输出精确可控的转速和扭矩[2]。基于闭环矢量控制的交流变频调速技术，因其具有易于维护、无级调速（调速范围宽）、较强过载及便于控制等诸多明显优势，在当今国内外石油钻机配备的装置中得到了广泛应用。
二、常见解决方案
基于以上基础技术优越性的考虑，目前已经得到广泛应用的、名义钻深在7000米及以上的顶驱，一般都采用交流变频技术，并配置两台三相异步电动机用作动力驱动。采用这种配置主要有以下三点好处：双电机对称布置在顶驱主体上，较好的实现了顶驱本体重心居中；双电机可以均分负载，相对单电机顶驱，其单个电机承担的负载仅为实际负载的一半，有效得延长了轴承、齿轮等机械承载件的使用寿命；双电机可以互为备份，出现问题时可以直接切换到单电机使用，保证作业正常进行。
双电机顶驱的优势是明显的，但同时带来的技术难度也是显而易见的，即两个电机的转速同步和负载均分问题。顶驱受机械尺寸限制，不可能安装离合装置，因此两台电机通过变速齿轮刚性连接在一起。齿轮啮合需要必要的配合间隙，如果两个电机转速差过大，就会导致两个电机承担的负载不均衡，造成电机之间相互反向拖动，实际输出扭矩等于双电机输出扭矩之差。因此双电机的输出扭矩要做到方向相同、大小相等，使得实际输出扭矩等于双电机输出扭矩之和，我们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2种：两台电机接线方式采用并联连接在同一台变频器上，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；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。
综合比较2种解决方案，方案2具有明显的技术优势，因此各顶驱制造商都逐渐放弃第1种方案，转而采用第2种解决方案。
三、应用
下面以北石DQ70BSC型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的S120变频系统转速、扭矩控制技术，以及在此基础上，顶驱单、双电机切换和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，这种结构可靠性较高，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S120系列变频器产品，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，实现交流变频驱动。因单电机运转时不涉及速度同步的问题，在此不再作详细分析。下面就双电机运转时的速度同步和扭矩分配展开讨论。
（一）速度同步
双电机运转时，一般将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。顶驱装置配备双编码器，分别安装在两台电机的电机轴上，只有做速度控制的电机才需要编码器反馈的速度实际值，因此两台编码器始终只有一台投入使用，并且可以方便的通过钥匙开关控制继电器切换。考虑到齿轮间的啮合间隙造成的速度反馈差，一般使用哪台电机上的编码器，哪台电机就作为主动电机。
（二）扭矩限定和分配
在双电机工作模式下，要求单个电机输出扭矩为总输出扭矩的一半（50%），因此在PLC控制系统中的扭矩设定需要做相应设置。在变频系统中，扭矩设定值为一个整形（INT）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，因此100%的额定扭矩设定，对应的二进制数值为0111111111111111，换算成十进制即32767。双电机工作模式下，需要将单个电机扭矩限定值设置为额定值的一半，即32767/2=16383.5，取整后为16383。司钻台钻井扭矩限定手轮连接的是电位计，该段程序将模拟量输入模块测得的电位计数值线性化，同时将满量程设置为16383，从而达到实际扭矩限定值变为手轮限定值一半的目的。变频系统通过Profibus自由报文接收PLC系统传送过来的扭矩限定值，送到两个电机模块的扭矩限幅功能块中。
（三）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。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6SE70系统采用的Simolink光纤同步，S120变频系统的内存交换可以保证极高的数据实时性。
四、结束语
本文举例介绍的北石DQ70BSC型号顶驱，其采用S120系统作为电机驱动系统，并充分利用S120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，更好的满足复杂钻井工艺对顶驱性能的苛刻要求，这也充分证明功能日益强大的顶驱将在或已在石油钻采行业中扮演着不可替代的重要角色。
参考文献：
[1]张连山，美国Varco公司新系列顶驱技术分析1 石油机械， 2000， 28 （ 1）： 45～ 48
[2]沈泽俊1DQ） 60P顶部驱动钻井装置的研制与应用1 中国石油化工科技信息指南（下卷） ， 2001： 175