鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)控制方法

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（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水741020）

鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)控制方法

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（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水741020）

頂驅(qū)是鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)者，其控制方法多樣化，尋求切合實(shí)際工況的策略，來提升旋轉(zhuǎn)性能。針對(duì)鉆具在井下是典型的彈性負(fù)載，深井作業(yè)時(shí)其上儲(chǔ)藏了不可忽視的彈性反轉(zhuǎn)矩能，引起的擾動(dòng)嚴(yán)重。提出選擇性的投入前饋補(bǔ)償控制，減弱或消除負(fù)載擾動(dòng)影響，改善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能；對(duì)于制動(dòng)控制提出改進(jìn)辦法，來減少不必要的磨損，使得制動(dòng)過程更加人性化；對(duì)彈性反轉(zhuǎn)矩能進(jìn)行軟釋放，分析了釋放過程的狀態(tài)及有關(guān)計(jì)算方法。

彈性負(fù)載；前饋控制；擾動(dòng)；制動(dòng)；軟釋放；能耗制動(dòng)

頂部驅(qū)動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū)）是鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)者，按動(dòng)力分電驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)兩種類型，其中電驅(qū)動(dòng)是主要驅(qū)動(dòng)形式，從早期的直流電驅(qū)動(dòng)發(fā)展到現(xiàn)在的交流變頻驅(qū)動(dòng)，由經(jīng)典的直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，發(fā)展到采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻系統(tǒng)，在基于總線通訊的可編程序控制下，電控系統(tǒng)控制頂驅(qū)本體各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。

主軸拖動(dòng)鉆具在深度從數(shù)千m到上萬m不等的地殼中旋轉(zhuǎn)，鉆頭在井底切削巖層，高壓泥漿循環(huán)液攜帶巖削、冷卻鉆頭、沖洗井底，從循環(huán)液中濾出巖削等無用成分，不斷往復(fù)循環(huán)，鉆具在井下如圖1所示，進(jìn)行鉆井作業(yè)。

由于負(fù)載受井深、地質(zhì)構(gòu)造、鉆具彈性形變等因素影響造成的擾動(dòng)嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要抑制負(fù)載擾動(dòng)；制動(dòng)控制要遏制意外反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)柔性剎車；反轉(zhuǎn)矩以能耗制動(dòng)形式消耗。

圖1　鉆具在井中示意圖Fig.1　Schematic diagram of drilling tools in the well

1　驅(qū)動(dòng)控制策略

1.1改進(jìn)策略

鉆井過程中存在很多不確定因素，地層的復(fù)雜性和隱蔽性以及鉆具上儲(chǔ)藏的彈性能的多少，在一定的條件下都會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)等不穩(wěn)定情況發(fā)生。

鉆具的振動(dòng)分水平方向的橫向振動(dòng)、垂直方向引起鉆頭上下跳動(dòng)的軸向振動(dòng)，對(duì)鉆進(jìn)都會(huì)造成較大的危害。

諸多因素造成的負(fù)載擾動(dòng)突出，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要克服負(fù)載擾動(dòng)的影響，單獨(dú)依靠傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)難以做到，基于此，控制策略需改進(jìn)。如果在反饋控制回路中加入前饋通路，組成反饋控制和前饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，在保持穩(wěn)定的前提下，通過前饋控制作用降低系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的敏感度，保證輸出量少受或不受擾動(dòng)的影響為改進(jìn)目的。

前饋控制作用于被控對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)的是開環(huán)控制，與閉環(huán)控制的區(qū)別是：不需要等到輸出量發(fā)生變化并形成偏差才產(chǎn)生校正偏差的控制作用，而是在控制作用施加于系統(tǒng)的同時(shí)，前饋控制作用就產(chǎn)生了，不受系統(tǒng)延遲的影響，比反饋控制更及時(shí)，但本身有誤差。當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)作用于前饋控制其輸出有了誤差加在控制對(duì)象上，造成輸出量的誤差，這種改進(jìn)的復(fù)合系統(tǒng)又依靠反饋控制的作用最終消除由前饋控制造成的誤差。

圖2所示是復(fù)合控制的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)圖，負(fù)載擾動(dòng)T輸入前饋控制，其輸出作用于系統(tǒng)。雖然使系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)增加了一些零點(diǎn)，但增加的零點(diǎn)一般不會(huì)使系統(tǒng)加速、超調(diào)量加大、調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，對(duì)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能都有好處。

圖2　復(fù)合控制系統(tǒng)Fig.2　The compound control system

1.2前饋控制

這種前饋控制實(shí)際上是采用開環(huán)控制方式去補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)信號(hào)，因此前饋補(bǔ)償并不改變反饋控制的特性。從抑制負(fù)載擾動(dòng)的角度來看，前饋控制減輕了雙閉環(huán)反饋控制的負(fù)擔(dān)，反饋控制的增益可以取得小一些，以利于穩(wěn)定性。對(duì)于頂驅(qū)控制系統(tǒng)而言，擾動(dòng)主要來源于復(fù)雜地層造成的黏滑阻力的瞬變及鉆具彈性儲(chǔ)能的綜合作用。這種擾動(dòng)可測(cè)量，同時(shí)前饋補(bǔ)償在物理上可以實(shí)現(xiàn)，可編程控制器（PLC）為實(shí)現(xiàn)前饋控制建立了可行的運(yùn)行平臺(tái)，因此改善頂驅(qū)的控制性能、提高控制精度成為可能。

鉆進(jìn)時(shí)各種因素造成的擾動(dòng)，反映在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化上，測(cè)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化量，做數(shù)據(jù)處理，依據(jù)一定的算法，得出前饋控制輸出。在如圖3所示畫面上激活“前饋補(bǔ)償投入”按鈕，才參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)中。

圖3　激活前饋控制Fig.3　Activate the feedforward control

鉆頭端轉(zhuǎn)矩平衡的微分方程為

式中：Jl為鉆頭端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；θd為頂驅(qū)軸端的旋轉(zhuǎn)角，rad；θl為鉆頭端的旋轉(zhuǎn)角，rad；K為彈性系數(shù)，N·m/rad；Df為粘性摩擦系數(shù)，N·m·s/rad；Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；Jl為鉆頭軸端的動(dòng)態(tài)加減速轉(zhuǎn)矩；K（θ）為彈性轉(zhuǎn)矩；d-θl為摩擦轉(zhuǎn)矩。

負(fù)載實(shí)時(shí)量的檢測(cè)由電流互感器測(cè)量電流值，經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)算處理后，可編程控制器（PLC）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、采樣計(jì)算，如圖4所示程序流程編制程序，計(jì)算前饋調(diào)節(jié)量Nfore，

式中：Kp為前饋增益；Kb為關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)格化系數(shù)；Te為額定負(fù)載值；ΔTn為負(fù)載變化量。

按照流程產(chǎn)生了調(diào)節(jié)量N，當(dāng)前饋投入時(shí)N=Nset+Nfore當(dāng)前饋不投入時(shí)N=Nset,Nset為系統(tǒng)速度給定值。調(diào)節(jié)量N經(jīng)總線通訊傳送變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，和來自編碼器的速度反饋Nact比較產(chǎn)生速度偏差ΔN,ΔN=N-Nact。前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱依據(jù)鉆井參數(shù)調(diào)整前饋增益Kp。

圖4　前饋控制程序流程Fig.4　The program flow of the feedforward control

鉆進(jìn)過程中投入前饋控制補(bǔ)償了負(fù)載擾動(dòng)對(duì)輸出的影響，是提高頂驅(qū)控制精度的有效措施，能有效地提高井眼的質(zhì)量。

1.3控制方式

圖5是頂驅(qū)控制系統(tǒng)單線圖，由雙電機(jī)通過齒輪箱耦合驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)主軸，拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行鉆井作業(yè)；主軸除進(jìn)行鉆井作業(yè)還需要完成上扣、卸扣、旋扣這些低速度高精度的工作。

圖5　頂驅(qū)控制系統(tǒng)單線圖Fig.5　The single line diagram of the top drive control system

基于提高系統(tǒng)精度的要求，采用安裝在主電機(jī)軸上的編碼器作為速度反饋傳感器，提高控制精度，尤其是低速時(shí)對(duì)精度的要求。

一般鉆井作業(yè)和上扣、卸扣、旋扣這些接卸鉆具的操作，采用典型的速度外環(huán)、轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

當(dāng)在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)擾動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，司鉆在觸摸屏上可以觀察轉(zhuǎn)矩、速度變化來判斷，如必要可激活前饋控制功能，改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能。投入前饋時(shí)速度偏差

其目的使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)矩來改變，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速是機(jī)械慣量，復(fù)合控制算法明顯抑制負(fù)載擾動(dòng)、改善了性能。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有3種工作方式可選擇：A+ B方式、A方式和B方式。當(dāng)采用A+B方式時(shí)為主從控制，A驅(qū)動(dòng)為主動(dòng)、B驅(qū)動(dòng)為從動(dòng)，但考慮到A電機(jī)編碼器出故障時(shí)，使用B電機(jī)編碼器，設(shè)計(jì)了可以互換主從關(guān)系的功能，增加系統(tǒng)的安全系數(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置多采用1臺(tái)變頻器拖動(dòng)1臺(tái)電機(jī)的“一對(duì)一”方式，少數(shù)也有1臺(tái)變頻器拖動(dòng)并聯(lián)兩電機(jī)的“一對(duì)二”方式。

頂驅(qū)速度給定、轉(zhuǎn)矩限制由司鉆用手輪給定，或在觸摸屏上設(shè)定，采用司鉆臺(tái)與觸摸屏冗余操作方式控制，司鉆臺(tái)信號(hào)輸入可編程控制器從站，同在總線通訊網(wǎng)絡(luò)上的從站和觸摸屏，與控制房的主站交換數(shù)據(jù)，依據(jù)程序傳送變頻系統(tǒng)控制信號(hào)，系統(tǒng)按照操作指令運(yùn)行。

2　制動(dòng)控制

2.1閉環(huán)控制

頂驅(qū)主軸制動(dòng)是鉆井作業(yè)時(shí)頻繁使用的功能，為了使剎車過程平穩(wěn)、柔和、無沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，采用剎車壓力內(nèi)環(huán)，旋轉(zhuǎn)速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

可編程控制器（PLC）軟件實(shí)現(xiàn)這種閉環(huán)控制，速度給定在軟件中預(yù)設(shè)，采集編碼器信號(hào)作為速度反饋，經(jīng)處理與預(yù)設(shè)比較得出偏差值，輸入到可編程控制器（PLC）的內(nèi)存區(qū)，作為速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，其輸出作為壓力調(diào)節(jié)器的輸入，采集的剎車壓力傳感器信號(hào)作為內(nèi)環(huán)反饋，比較得出壓力偏差值，輸入壓力調(diào)節(jié)器，控制算法要使內(nèi)環(huán)響應(yīng)快于外環(huán)響應(yīng)，以得到較好的穩(wěn)定性，壓力調(diào)節(jié)器輸出控制剎車機(jī)構(gòu)的比例電磁閥，調(diào)節(jié)剎車壓力Ps，按照程序設(shè)定剎車，減少機(jī)械磨損和沖擊，提高剎車機(jī)構(gòu)人性化和智能化的水平，圖6所示是閉環(huán)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對(duì)速度反饋和壓力反饋經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，采用數(shù)字濾波。

圖6　閉環(huán)制動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.6　Closed-loop braking system diagram

剎車壓力Ps與制動(dòng)力F的關(guān)系曲線見圖7。

圖7　壓力—制動(dòng)力關(guān)系曲線Fig.7　The relation curve of pressure-braking

制動(dòng)力：

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

式中：μ為壓力系數(shù)；R為主軸半徑。

2.2最大力矩剎車

頂驅(qū)需要急停時(shí)，人為操作鉆臺(tái)緊急制動(dòng)旋鈕，以最大力矩剎車。

當(dāng)在鉆進(jìn)過程中，突然出現(xiàn)意外反轉(zhuǎn)時(shí)，這時(shí)觸摸屏畫面上“剎車狀態(tài)自動(dòng)”激活，也以最大力矩剎車，這種情況分析如下。

在鉆進(jìn)過程中頂驅(qū)軸端轉(zhuǎn)矩平衡方程

運(yùn)行狀態(tài)變化過程：速度下降（電動(dòng)狀態(tài)0＜s＜1）→零速度（堵轉(zhuǎn)狀態(tài)s=1）→反向速度上升（電磁制動(dòng)狀態(tài)s＞1）。

進(jìn)入電磁制動(dòng)狀態(tài)Td＞0，速度反向，電機(jī)仍然是制動(dòng)性質(zhì)的，隨著反向速度的增大，轉(zhuǎn)差率s增大，而制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td變小，在彈性反轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使下，頂驅(qū)反向不斷加速，這時(shí)有可能造成災(zāi)難性的鉆井事故。

電磁制動(dòng)時(shí)電機(jī)定子吸收電能，轉(zhuǎn)子吸收機(jī)械能，在電機(jī)內(nèi)以熱能消耗，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)對(duì)電機(jī)也是不利的。

首先，值班律師向檢察機(jī)關(guān)提出的書面辯護(hù)意見必須征得被告人的同意。在提交辯護(hù)意見之前，律師必須就該意見的內(nèi)容與被告人進(jìn)行充分的溝通與協(xié)商，保證被告人充分理解各項(xiàng)內(nèi)容的法律意義。如果被告人不同意該律師意見，律師應(yīng)盡量說服被告人接受自己的觀點(diǎn);如果被告人堅(jiān)持自己的意見，律師則應(yīng)該告知被告人相關(guān)法律決定可能存在的法律風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)被告人的辯護(hù)觀點(diǎn)及時(shí)調(diào)整辯護(hù)意見，以避免自己的辯護(hù)意見同被告人的辯護(hù)觀點(diǎn)發(fā)生沖突。

針對(duì)這一情況設(shè)計(jì)了專門的程序，當(dāng)檢測(cè)到的這一現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，經(jīng)程序判斷已出現(xiàn)的反向速度達(dá)到門檻設(shè)定Vrev值時(shí)，輸出緊急制動(dòng)控制信號(hào)，剎車機(jī)構(gòu)以最大力矩剎車，防止鉆具脫扣等事故的發(fā)生。

2.3脈動(dòng)剎車

對(duì)于不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的剎車機(jī)構(gòu)，依據(jù)剎車機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)滯等編制程序，可編程控制器輸出的脈動(dòng)信號(hào)，恰好能使頂驅(qū)剎車機(jī)構(gòu)張弛動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)防抱死剎車功能。這種脈動(dòng)信號(hào)的頻率和它的占空比，要通過測(cè)試剎車機(jī)構(gòu)的有關(guān)動(dòng)作時(shí)間，如脈動(dòng)信號(hào)前沿時(shí)刻到建立剎車作用力時(shí)刻的時(shí)滯t1，脈動(dòng)信號(hào)的后沿時(shí)刻到剎車作用力消失時(shí)刻的時(shí)滯t2，剎車作用力持續(xù)時(shí)間t等數(shù)據(jù)來確定。

作用為：釋放反轉(zhuǎn)矩；控制失速；抑制振動(dòng)；工作制動(dòng)。

3　反轉(zhuǎn)矩釋放與能耗制動(dòng)

3.1經(jīng)驗(yàn)釋放

在鉆井作業(yè)時(shí)鉆具在地層中旋轉(zhuǎn)如圖1所示，受到各種阻力的作用，當(dāng)頂驅(qū)主軸的旋轉(zhuǎn)角為θd時(shí)，鉆頭的旋轉(zhuǎn)角為θl，彈性變形角為（θd-θl），鉆具越長(zhǎng)、阻力越大彈性變形角越大，若鉆具的彈性系數(shù)為K（N·m/rad），鉆具的彈性轉(zhuǎn)矩為K（θd-θl），這就是反轉(zhuǎn)矩。

鉆井作業(yè)時(shí)，尤其在定向井作業(yè)時(shí)，井深、地層復(fù)雜時(shí)鉆具上積聚的K（θd-θl）值大；另外卡鉆時(shí)產(chǎn)生的憋鉆，并借助于驅(qū)動(dòng)力和慣性的作用使K（θd-θl）上升到很大值，這時(shí)K（θd-θl）＞Td,頂驅(qū)往往在反轉(zhuǎn)矩的作用下出現(xiàn)快速反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生險(xiǎn)情。

對(duì)反轉(zhuǎn)矩的釋放控制，是鉆井過程中需要謹(jǐn)慎處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，處理不當(dāng)存在鉆具被甩開的危險(xiǎn)，關(guān)系鉆井安全。早期的頂驅(qū)控制系統(tǒng)，對(duì)反轉(zhuǎn)矩的釋放問題，設(shè)計(jì)方面沒有專門解決的措施，僅依靠司鉆的經(jīng)驗(yàn)操作來釋放。

司鉆配合操作鉆井轉(zhuǎn)矩手輪和速度給定手輪，使其反轉(zhuǎn)釋放；或用手動(dòng)操作剎車來反轉(zhuǎn)釋放。僅依靠司鉆的經(jīng)驗(yàn)控制鉆具反轉(zhuǎn)來完成，存在高速反轉(zhuǎn)導(dǎo)致鉆井事故的潛在危險(xiǎn)。

3.2剎車釋放

在鉆井方式工作需停車時(shí)，速度給定手輪回零，正常降速停車，如果剎車開關(guān)在“自動(dòng)”位置，主軸降到零速時(shí)自動(dòng)剎車抱住主軸，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止使能，鉆具上儲(chǔ)藏了反轉(zhuǎn)矩能K（θd-θl）。

點(diǎn)擊觸摸屏界面上的“剎車釋放反轉(zhuǎn)矩”按紐，剎車機(jī)構(gòu)按照控制器輸出的脈動(dòng)信號(hào)，釋放反轉(zhuǎn)矩，防止出現(xiàn)反向速度過高。

鑒于剎車使用太頻繁，剎車片磨損嚴(yán)重，更換費(fèi)時(shí)。方法是司鉆觀察轉(zhuǎn)矩表判斷在K（θd-θl）＞Td時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)不過反轉(zhuǎn)矩，用剎車釋放；當(dāng)K（θd-θl）≤Td時(shí)，用自動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩釋放。

亦可利用剎車控制與電氣控制各自的特性，編制程序自動(dòng)釋放到K（θd-θl）=0停止。

3.3反轉(zhuǎn)矩軟釋放

在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)一根立柱打完，需更換立柱時(shí)，如圖8所示激活觸摸屏上“自動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩釋”按鈕，再給定回零，自動(dòng)執(zhí)行轉(zhuǎn)矩軟釋放程序段，程序給出的緩釋放信號(hào)傳輸變頻系統(tǒng)，主軸反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩下降，按照如圖9所示曲線轉(zhuǎn)矩下降到零，反轉(zhuǎn)矩軟釋放完成。

圖8　觸摸操作界面Fig.8　Touch interface

圖9　軟釋放過程曲線Fig.9 The curves of the soft release process

在釋放過程中“主軸正在轉(zhuǎn)矩緩釋”指示燈自動(dòng)閃爍，釋放完成主軸停轉(zhuǎn)，指示燈自動(dòng)熄滅。

3.4能耗制動(dòng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置了一定容量的制動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，消耗反轉(zhuǎn)矩能。電機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速nN=1 200 r/min,額定頻率 fN=61 Hz,額定轉(zhuǎn)矩 TN=2 785 N·m,過載能力Km=1.5,極對(duì)數(shù)p=3。

機(jī)械傳動(dòng)比：i=10，則同步轉(zhuǎn)速

額定轉(zhuǎn)矩TN時(shí)的轉(zhuǎn)差率為

電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為

最大轉(zhuǎn)矩Tmax時(shí)的轉(zhuǎn)差率為

如圖9所示轉(zhuǎn)矩限制值為52 kN·m,在主軸反轉(zhuǎn)矩K（θd-θl）=52 kN·m時(shí)開始雙電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩釋，則有 2Td·i=K（θd-θl）,得出 Td= 2 600 N·m。

在釋放反轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，速度n為負(fù)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td為正，Td與n反向，則轉(zhuǎn)差率s＜0，其值大小依據(jù)

計(jì)算得出s=-0.015。

自動(dòng)轉(zhuǎn)矩緩釋的反轉(zhuǎn)速度設(shè)定在頻率f=-9.15 Hz處，則對(duì)應(yīng)該工作點(diǎn)的同步轉(zhuǎn)速為

能量回饋直流母線，向直流母線上的電容充電，使直流回路電壓上升，當(dāng)電壓達(dá)到制動(dòng)單元設(shè)置的門檻電壓值時(shí)，制動(dòng)單元的IGBT導(dǎo)通，經(jīng)外接制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗直流回路過多的能量。

在開始釋放點(diǎn)單電機(jī)制動(dòng)功率為

軟釋放的速度與制動(dòng)單元的容量依據(jù)上述計(jì)算得來。一般制動(dòng)單元容量按照持續(xù)容量50 kW配置單驅(qū)動(dòng)。制動(dòng)單元標(biāo)稱的容量與其持續(xù)容量之間有一個(gè)關(guān)系，容量選擇要合適，否則在制動(dòng)時(shí)易燒毀。

釋放過程如圖9所示，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Td與反轉(zhuǎn)矩平衡，反轉(zhuǎn)矩釋放到零時(shí)過程結(jié)束。

4　結(jié)論

頂驅(qū)技術(shù)是轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)問世以來，鉆井設(shè)備發(fā)展的突出成果之一。本文針對(duì)頂驅(qū)鉆井過程中出現(xiàn)的復(fù)雜情況，提出了選擇性的投入復(fù)合控制，抑制負(fù)載擾動(dòng)的影響，改善旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的性能，減少鉆井事故，提高井眼質(zhì)量；改進(jìn)制動(dòng)控制方式，滿足了鉆進(jìn)工況對(duì)剎車的各種需要；計(jì)算反轉(zhuǎn)矩釋放速度，使其消耗在制動(dòng)回路，釋放控制更加靈活便利，并合理地利用了設(shè)備資源。這在節(jié)省鉆井時(shí)間，減少鉆井事故，及時(shí)有效地處理卡鉆，降低鉆進(jìn)成本，改善工人作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)高程度的自動(dòng)化鉆進(jìn)作業(yè)等方面有重要應(yīng)用價(jià)值。

目前，頂驅(qū)正在取代轉(zhuǎn)盤。頂驅(qū)把鉆井動(dòng)力部分由下面的轉(zhuǎn)盤處移到鉆機(jī)上部的動(dòng)力水龍頭處，在井架上部直接驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)。它能沿井架內(nèi)導(dǎo)軌上下移動(dòng)，完成包括：鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、接立柱、上卸扣、倒劃眼和循環(huán)鉆井液等鉆井操作，取消了轉(zhuǎn)盤方式時(shí)的方鉆桿，采用旋轉(zhuǎn)靈活的鉆柱形式，可預(yù)防卡鉆，對(duì)高難度定向作業(yè)效果尤為顯著，可大大提高鉆井效率。

［1］ 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［2］ 天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 吳麒.自動(dòng)控制原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［4］Siemens Company.SIEMENS Simovert Masterdrives［Z］.Siemens Company，2003.

［5］ 馬小亮.異步電動(dòng)機(jī)矢量控制［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（12）：3-7.

Driving Control Method of Top Drive for Drilling Rig

ZHANG Tiansheng
（Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，Gansu，china）

The top drive is driver of the rotation system for drilling rig，the control method for rotation system is diverse，It is necessary to seeking the control strategies conformed to practical conditions in order to improve the rotation performance.Since the drilling tools is a typical elastic-load that store anti-torque energy unignoranced when drilled in the deep underground，the serious disturbance is caused.Proposed a method which put in feedforward compensation alternative and reduced or eliminated the influences of load disturbance to improve the performance of the drive system.In the same time proposed a improve method about braking control to reduce unnecessary wear and tear，making the braking process more humane.Analyzed the process that anti-torque energy soft release and the related calculation methods.

elastic load；feedforward control；disturbance；braking；soft release；energy consumption braking

TP273

A

2015-05-13

修改稿日期：2015-10-23

張?zhí)焐?964-），男，本科，正高級(jí)工程師，Email：zhangts1018@sina.com