（机械电子工程专业论文）石油钻机绞车再生制动技术研究.pdf

石油钻机绞车再生制动技术研究 商义叶( 机械电子工程) 指导教师：崔学政( 教授) 摘要 再生制动技术已经比较成熟的应用于电动汽车、电动机车等诸多方 面，也有国外的钻机制造公司将再生制动技术应用到钻机绞车上，提高 钻机整体性能的同时节约了部分能源。虽然国内生产了部分技术先进的 电驱动钻机，但是它们仅仅实现了能耗制动并未实现真正意义上的再生 制动。该课题就是在此前提下提出来的，其主要目标就是在交流变频驱 动的基础上，自主设计系统的主电路实现能量回馈，采用先进的控制方 式实现驱动钻机绞车电机的再生制动。 本论文针对石油钻机绞车再生制动原理、实现能量回馈的系统电路 和驱动电机的控制方式进行深入研究。论文中主要完成了以下几个方面 的工作： 首先，论述了再生制动技术在石油钻机绞车上的发展状况和内容， 分析了课题研究的内容和意义。其次，针对绞车特性要求，对其控制策 略进行了研究和探讨，进而决定采用相应的控制方式。再次，根据绞车 工作情况，对具有能量回馈的绞车变频驱动系统进行分析，依据交流变 频电动机( 属于异步电动机) 的再生能量产生机理进行系统主电路设计。 接着，针对能量回馈单元对它的进行总体结构、控制方案、控制策略进 行分析设计。然后，对驱动系统的控制方式进行了详细论述。最后，针 对系统再生制动和能量回馈状态进行仿真分析，并得出结论。 关键词：石油钻机绞车，再生制动，能量回馈，控制策略，制动仿真 r e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h a b o u tw i n c ho fo i l d r i l l i n gr i g s h a n gy i y e ( m a c h i n e r ya n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc u ix u e - z h e n g a b s t r a e t r e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e nf a i r l ym a t u r e l yu s e di n e l e c t r i cv e h i c l e sa n dm a n yo t h e ra s p e c t so fm o t o rv e h i c l e s m a n yf o r e i g n c o m p a n i e s h a v eu s e dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e c h n o l o g yt ot h eo i ld r i l l i n g r ：i 吕删c hi m p r o v e dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fo i lr i ga n ds a v e dap a r to f t h ee n e r g y a l t h o u g hs o m ed o m e s t i cp r o d u c th a v ep r o d u c e da d v a n c e do i l d r i l l i n gr i g ，t h e s eb r a k i n gt e c h n o l o g yd i dn o tr e a l i z e dat r u es e n s eo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n g t h ei s s u e sr a i s e di nt h i sp r e m i s e ，a n di t sm a i ng o a li s t h eb a s i so fa cv a r i a b l ef e q 嘲c yd r i v e t h em a i nc i r c u i td e s i g nt oa c h i e v e e n e r g ys e l f - f e e d b a c ka n da d o p t i o no ft h ea d v a n c e dc o n t r o lm e t h o dw i l l a p p l yt oo i ld r i l l i n gf i ga n dr e a l i z er e g e n e r a t i v eb r a k i n g t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo ft h ep r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v e b r a k i n gw i n c ho i lr i g s , t h er e a l i z a t i o no fe n e r g yf e e d b a c ks y s t e ma i m e d a n dd r i v i n gm o t o rc o n t r o lc i r c u i t s o m ew o r kh a sb e e nd o n ea sf o l l o wi n t h i st h e s i s ： f i r s t , i n t r o d u c i n gt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e c h n o l o g y o nt h e d e v e l o p m e n to ft h eo i lr i g w i n c ha n d a n a l y s i s o ft h ec o n t e n ta n d s i g n i f i c a n c eo ft h ei s s u e s e c o n d l y , t h ev i e wo ft h ew i n c hc h a r a c t e r i s t i c s ， t h es t u d ya n di t sc o n t r o ls t r a t e g yu s et h ec o r r e s p o n d i n gc o n t t o la g a i n , i ； a c c o r d i n gt ow i n c hw o r k ，w i t ht h ew i n c he n e r g yf e e d b a c kf r e q u e n c yd r i v e s y s t e ma n a l y s i sa cv a r i a b l ef r e q u e n c ym o t o r sb a s e d t h em e c h a n i s mo f r e n e w a b l ee n e r g ys y s t e m sf o rc i r c u i td e s i g n t h e n ，t h eo v e r a l lv i e wo f e n e r g yf e e d b a c km o d u l es t r u c t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g ya n a l y s i sa n dd e s i g n t h e n , f o rt h ec o n t r o lo ft h ed r i v es y s t e mi nd e t a i l f i n a l l y , i nv i e wo ft h e s t a t eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n de n e r g yf e e d b a c ks y s t e ms i m u l a t i o n ，a n d d r a wc o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：w i n c ho fo i lr i g , r e g e n e r a t i v eb r a k i n g , e n e r g yf e e d b a c k , c o n t r o ls t r a t e g y ，b r a k es i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：硼年f 月2 ￥日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ，司年孓日珥日 i 2 0 口产 歹月2 孕日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 随着电力电子技术的迅速发展，交流变频调速技术在各个行业领域 得到广泛应用。目前，交流变频调速技术也已经应用到石油钻采行业。 应用交流变频调速的电驱动石油钻机是新发展起来的先进的石油钻机。 这种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱动钻机和直流 电驱动钻机无可比拟的优越性能，它的核心技术就是采用交流变频调速 技术。变频调速技术就是将电机的运行特性由自然特性转变为人工运行 特性，进而改善了电机运行性能。绞车是整个石油钻机的关键部件之一， 所以绞车的控制技术是非常关键的技术。为了更好地提高钻机在复杂钻 井过程中的钻进性能，提高钻进速度和还是优化钻井控制，关键在于提 高对绞车的控制。 1 2 再生制动技术的研究现状 八十年代至今，现代电力电子、微电子和计算机技术的迅速发展， 为提高绞车的控制提供了良好的条件，再生制动技术也随之应用在绞车 的控制中。国内外先进的钻机生产厂商非常注重对钻机绞车控制系统的 改进，随着再生制动技术以及自动送钻技术的进一步发展，已大大提高 了钻机的整体性能。 1 2 1 国外研究及应用情况 国外再生制动的研究应用于诸多方面，日本北海道铁路部门与日立 公司协作，开发了采用高压i g b t 元件的交流再生制动系统应用于电动车 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 上，具有成本低廉、节能、再生率高、谐波少等优点。日本的铁路客运 公司研究开发了一种新能源电动机车，制动时将牵引电动机作为发电机 用，并将制动再生能量蓄积在主回路蓄电池中。 德国w i r t h 公司新一代齿轮传动绞车配有两台或三台直流或交流电 动机，直流和交流电动机都能运用再生制动技术，制动能量大部分回馈 给电网。 德国b e n t e c 公司已成功地将四象限传动用于其链传动钻机上，将电 动机用于刹车，并将能量回馈。盘式刹车只用于驻车或紧急制动。绞车 遥控操作，游车可以准确定位。自动送钻速度从1 0 m h 蛰j 1 5 0 m h 。 美国v a r c o 公司最新一代单轴a d s - - 1 0 绞车，充分利用了交流变频控 制技术，使用电动机再生制动来保持负荷。高性能可精确控制的空气冷 却和水冷却伊顿( e a t o n ) 组合盘式刹车可实现自动送钻，并且使该绞车 唯一的刹车一空气冷却模块用于紧急制动和负载的静态控制，而水冷却 模块用于钻井钢丝绳的均匀递送、游车运行、钻压以及其它钻井参数的 动态控制。 国外石油钻机制造商n a t i o n a lo i lw e l l 也已经在钻机上利用再生制动 技术。 为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门予公 司已经推出了电机四象限运行的电压型交直一交变频器，日本富士公司 也成功研制了电源再生装置，如r h r 系列、f r e n i c 系列电源再生单元， 它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装 置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中【”。同时，已 见到国外有四象限电压型交一直一交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制 报道【2 5 】。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 2 国内研究及应用情况 我国钻井历史悠久，但如今钻井系统却较发达国家落后，尤其是在 控制方面较为落后。 继国外石油钻机制造商n a t i o n a lo i l w d l 、v a r c o 、b e n t e c 等在钻机绞 车上利用再生发电制动技术以后，我国宏华公司、宝石公司和上海三高 三家钻机制造商也开始在钻机绞车上使用了能耗制动技术。再生发电制 动技术在钻机绞车刹车上应用有着广阔的前景，必将成为钻机绞车刹车 系统中的新秀。 国外有关于四象限电压型交一直一交变频器及电网侧脉冲整流器等装 置，普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要 求很高，不适合我国的国情。国内中小容量系统中大都采用能耗制动方 式睁1 2 】，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器 中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单，但有如下严重缺点【1 3 - 16 】： ( 1 ) 浪费能量，降低了系统的效率。( 2 ) 电阻发热严重，影响系统的 其它部分正常工作。( 3 ) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产 生的泵升电压，限制了制动性能的提高( 制动力矩大，调速范围宽，动 态性能好) 。上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十k w 以下的中小 容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实 验阶段。 1 2 3 再生能量处理方式的研究现状 近年来，国内外对变频器的研究和应用取得了飞跃性的进展，尤其 是通用变频器在工业生产中得到了广泛的应用，也应用在电驱动的钻机 绞车上。而当变频系统驱动异步电动机在制动或者下放位能负载过程中 ( 钻机绞车的工作情况就属于这一类型) ，电动机处于再生制动状态， 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 传动系统中的机械能通过电动机转换成电能，变频器中续流二极管将这 种能量回馈到变频器直流侧电容中，使直流侧电压升高产生泵升电压。 特别是要求快速起动、制动和频繁正、反转的调速系统，短时间内有很 大的能量回馈，在直流侧电容上产生很高的泵升电压，若不及时释放这 部分能量，势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路功率器件的过 压损坏 1 7 , 1 8 】。随着通用变频器的大量应用，这一问题逐渐受到重视，对 这种再生能量的处理方法基本有两种： ( 1 ) 耗散到直流侧与电容器并联的“制动电阻”中，这种方式结构 比较简单，实现容易，通过检测直流母线电压，采用电压闭环或者其他 的闭环控制策略，能够稳定母线电压，保证系统正常工作。在小容量变 频调速系统中由于回馈能量不大，通常采用这种结构，使得系统体积减 小，系统维持较低成本但在大功率变频驱动系统中，由于回馈能量很大， 经过电阻耗散能量，电阻功耗很大，发热严重，且系统容量越大，这一 缺点越突出。不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用【堋。 ( 2 ) 通过增加能量回馈单元使能量回馈到交流电网中。所采用的能 量回馈单元根据所采用的功率器件及控制方法的不同又具有不同的拓扑 结构。能量回馈单元实际上也是一个三相逆变器，因此会造成结构较为 复杂，成本有所上升，目前应用的场合还不是很多，但随着电力电子器 件价格的逐步下降，以及高速处理芯片的涌现，为实现高性能、低成本 的能量回馈单元提供了有利的保证。而且通过将能量回馈单元与通用型 变频器相结合，能够提高能源的利用率，尤其是对频繁起制动或长期带 动位能负载的系统会产生显著的节电效果 2 0 , 2 ”。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 课题的提出及意义 石油钻机是油田用来进行石油钻井的机械，属于重型矿业机械，是 由多种机器设备组成、具有多功能的联合工作机组，满足钻井工艺要求， 整套钻机必须具备下列八大系统设备，分别为旋转设备、循环系统设备、 起升系统设备、动力驱动设备、传动系统设备、控制系统设备、钻机底 座及辅助设备。起升系统是钻机的核心，它包括绞车、游动系统及井架。 钻井过程包括起升钻柱、下放钻柱及钻进三项作业。钻柱是由一根根的 钻杆通过丝扣连接在一起组成，钻头接在钻柱的最下端。钻进作业时， 动力机带动钻柱及钻头旋转，破碎岩石实现钻进。钻头磨损后需要更换 钻头，这需要把井内的钻柱一根根的全部起升出来，即起升钻柱作业。 这期间动力机对钻柱做功，动力机的能量变成了钻柱的位能，即钻柱的 位能增加。更换钻头后，需要把立根一根根下放入井中，即下放钻柱作 业。这期间钻柱的位能减小，位能要释放出来。现用石油钻机不能回收 这些能量，只能靠制动器将其变成热能消耗掉。现用石油钻机绞车的刹 车机构包括主刹车和辅助刹车，主刹车一般是带式刹车和液压盘式刹车， 辅助刹车包括涡流刹车和水刹车，这些刹车装置都不能回收能量。 本课题针对网电供电的交流变频电动机驱动的钻机绞车，利用电动 机的四象限工作特性，采用一定的控制策略实现电动机的制动功能，作 为绞车的辅助刹车，简化刹车系统的结构形式，将再生能量回馈到电网， 实现部分能量回收。 2 0 0 6 年7 月1 6 e t ，胜利采油厂3 4 6 2 4 井顺利开钻。它是胜利油田第一 口不用柴油机发电的井，标志着胜利网电钻机在这里首次成功投入使用。 7 月3 0 日，这口井顺利完井。网电钻机研制成功，相比柴油机发电机的耗 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 油成本来说，耗电成本要低得多，而且柴油机设备的维修费用也不复存 在，因此本文的研究内容具有现实意义 1 4 本课题研究内容及解决的关键问题 本课题研究的内容包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 研究控制绞车电动机所采用的基本控制策略。 ( 2 ) 研究绞车电动机再生制动时所产生电能的回馈方式及控制策 略。 ( 3 ) 根据钻机绞车理论工作情况针对绞车用交流变频电动机的再 生制动状态进行分析与仿真。 在课题研究过程中，将解决以下几个关键技术问题： ( 1 ) 拟采用电力电子和交流变频技术设计绞车的交流变频驱动系统 的主电路。电力电子技术是一种利用电力半导体器件对电能的某些参量 或特性进行变换和控制的技术。利用电力电子技术可将电能变换成为适 合于用电设备最佳运用状态所需要的形式，实现用电最佳化，从而达到 节能的目的。 ( 2 ) 绞车交流电动机再生制动时产生再生能量，制定再生能量回馈 单元的控制策略。 ( 3 ) 针对绞车对异步电动机传动系统的工作性能要求，拟采用直接 转矩和磁链控制技术。在交流调速领域中，直接转矩控制技术是一种在 静、动态调速性能方面非常优秀的调速策略，并具有控制方案简单、转 矩动态响应快等特点。 1 5 本章小结 本章分析了再生制动技术应用现状和钻机绞车的工作特性要求， 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 并提出本课题钻机绞车再生制动技术研究，进一步分析了本课题的研 究意义、研究目标及研究内容，在理论分析的基础上完成钻机绞车再生 制动技术的研究工作。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 第2 章石油钻机绞车的控制策略 绞车不仅是石油钻机的起升系统设备，而且也是整个钻机的核心部 件，是钻机三大工作机组之一。主要有以下功用：( 1 ) 用以起下钻具、 下套管；( 2 ) 钻进过程中控制钻压，送进钻具；( 3 ) 借助猫头上、卸钻 具丝扣，起吊重物及进行其他辅助工作；( 4 ) 充当转盘的变速机构或中 间传动机构；( 5 ) 整体起放井架。钻井绞车是一台多职能的起重工作机。 尽管各型绞车结构上差异不小，但究其实质，都具有类似的功能机构或 部件。绞车一般由以下几部分组成：( 1 ) 滚筒、滚筒轴总成这是绞车的 核心部件；( 2 ) 制动机构包括主刹车和辅助刹车；( 3 ) 猫头和猫头总 成用以上卸丝扣、起吊重物；有的重型钻机绞车上还包括捞沙滚筒， 用以提取岩心筒；( 4 ) 传动系统引入并分配动力和传递运动，对于内变 速绞车除传动轴及滚筒轴、猫头轴外，还包括链条、齿轮、轴系零件及 转盘中间传动轴等；( 5 ) 控制系统包括牙嵌式、齿式、气动离合器， 司钻控制台，控制阀件等，一般都属于钻机控制系统部分；( 6 ) 润滑系 统包括黄油润滑、滴油润滑和密封传动时的飞溅或强制润滑；( 7 ) 支 撑系统有焊接的框架式支架或密闭箱壳式座架。 最近几年发展的交流变频电动机驱动的绞车，电动机通过齿轮减速 箱直接驱动滚筒轴，利用变频调速和再生发电制动技术，取消了机械换 档和绞车的辅助刹车，使刹车的结构大大简化，并使其工作性能也得到 了较大的提高。 本章在研究绞车驱动电机的特性要求的基础上，分别对绞车的驱动 控制策略进行了深入的研究，并采用一种适用于绞车的控制策略一直接 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 转矩控制策略。 2 1 驱动系统特性要求 2 1 1 绞车负载特点及对驱动特性的要求 图2 - 1 为大钩提升载荷g 与提升速度v 的关系曲线。若大钩提升 速度能随载荷的变化而相应地改变，即沿图中曲线l 工作，这是最理想 的情况，功率利用最充分。q h v = c 是理想功率曲线。 绞车载荷是随起钻过程中立根的数目的逐一减少而呈阶梯状下降 的。若提升速度v 也能随立根数的每一次减少而相应增加，即沿曲线2 工作，则功率利用虽不是最理想的，也已很充分。但在机械变速有限档 情况下，这是不可能做到的。曲线3 是分级变速时的曲线，可见功率利 用不充分，阴影三角面积是未被利用的功率。 v 图2 - 1 大钩提升载荷与速度 按绞车工作特点，对动力机组的要求是： ( 1 ) 能无级变速，以充分利用功率，速度调节范围r = 芒= 5 l o 。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 ( 2 ) 具有短期过载能力，以克服启动动载、振动冲击和轻度卡钻。 ( 3 ) 绞车工作时起停交替，要求动力传动系统有良好的启动性能 和灵敏度可靠的控制离合装置。 综上，绞车驱动需要的是具有恒功率调节、能无级变速并具有良好 启动性能的柔性驱动【捌。 2 1 2 钻机绞车的驱动类型及特点 钻机绞车的驱动类型分别有：机械驱动和电驱动。机械驱动，依驱 动机组驱动特性的不同可分为，柴油机直接驱动( 或简称柴油机驱动) 和柴油机一液力机械驱动。柴油机驱动机械传动，就是以柴油机为动力， 2 - 4 台柴油机，经齿轮、胶带、万向轴等机械传动元件的多种形式的组 合，实现并车、减速增矩、换向、倒车，以驱动传动绞车、转盘和钻井 泵。驱动特性就是柴油机本身的特性，工作机只能得到有限挡得有级调 速。柴油机一液力驱动机械传动，以柴油机为动力，但柴油机首先与液 力变矩器( 或偶合器) 结合，组成柴油机一液力驱动机组，再经链条、 齿轮、万向轴等机械传动元件的多种形式的组合，实现并车、减速、换 向、倒车，以驱动传动绞车、转盘和钻井泵。驱动特性是柴油机一液力 变矩器联合输出特性，能自动变速变矩，属柔性驱动。 电驱动，依其发展可分为：( 1 ) 交流a c - a c 驱动，柴油机交流发电 机组或电网，向交流电动机供电，经机械传动去驱动绞车、转盘和钻井 泵。( 2 ) 直流d c - d c 驱动，柴油机直流发电机组，向直流电动机供电， 经机械传动去驱动绞车、转盘和钻井泵。( 3 ) 交直流a c - s c r d c 驱动， 柴油机交流发电机组发出交流电，汇聚汇流母线，经可控硅整流，再向 直流电动机供电，经一对一或二对一安装，去驱动绞车、转盘和钻井泵。 ( 4 ) 交流变频驱动，柴油机交流发电机组发出交流电或者是网电，经 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 变频器成为频率可调交流电，驱动交流电动机去带动绞车、转盘和钻井 泵，这是正在发展中的第四代电驱动型式，也是本论文研究对象的类型。 2 2 绞车的刹车机构 2 2 1 刹车机构功用与使用要求 ( 1 ) 功用下钻、下套管时，刹慢或刹住滚筒，控制下放速度，悬 持钻具；正常钻进时，控制滚筒转动，以调节钻压，送进钻具。 ( 2 ) 使用要求安全可靠，灵活省力，寿命长。 现场不止一次因刹车不可靠而发生溜钻事故，造成设备损失，井下 事故，甚至危及工人的人身安全。对于常规的钻机来说，钻井过程中总 是手不离刹把。如果刹车机构不灵活、省力，将大大加重司钻的体力劳 动强度，带来操作的不方便。生产实践表明：刹车机构是钻机的重要部 件。 2 2 2 绞车的主刹车机构及其特点 刹带的作用，也存在一些缺点：刹车时滚筒轴受一弯曲力，其值为 兀t 主刹车机构按作用原理可分为带式、块式、盘式等，石油钻机绞 车主刹车主要采用带式，盘式近年来也有较大发展。带式及盘式刹车各 有其特点。 ( 1 ) 带式刹车的优缺点 由于的向量和；只能用于单向制动，因其反向制动力矩要p 膨倍， 所以在钻机方案设计时，要注意滚筒的旋转方向；活动端和固定端的刹 车块磨损不均衡。 ( 2 ) 盘式刹车与带式刹车相比有以下优点：a 刹车盘为中空带通 风叶轮式，散热性好，整个盘面积只有不到1 1 0 的摩擦发热，而其余 1 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 面积在交替发热。盘和块的热稳定性好( 热衰退小) ，摩擦系数稳定， 制动力矩平稳。b 由于盘块间的比压大和盘的离心作用，盘块间不易存 水和油污，所以刹车块的吃水稳定性好。c 焉0 车盘的热变形小，热疲劳 寿命较长。d 比压分布均匀，摩擦副的寿命较长。e 正反向刹车力矩一 样，带式则差p m 倍。刹车盘的g d 2 比刹车毂小，刹车的时间短，反 应灵敏。g 琛0 把力只有1 0 0 n 左右，操作省力。h 每个刹车钳皆可独立 刹车全部钻柱重量，且有应急钳，刹车的可靠性大大提高。i 更换刹车 只需2 0 m i n 。 但盘式刹车存在两个缺点：一是比压比带式大2 倍，摩擦表面温度 高，对块的材料要求高；二是多了液压装置及其密封圈等易损件。 2 2 3 辅助刹车的类型及特点 辅助刹车主要有水刹车及电磁涡流刹车两种。水刹车结构简单，广 泛用于钻井绞车上作为减速机构刹车。电磁涡流刹车是近年新发展起来 的，性能好，我国已设计制造系列电磁涡流刹车，正广泛应用于各级钻 机。 水刹车工作原理的实质就是通过叶片和液流的互相作用，以吸收下 钻时产生的大部分动能，并能转化成热能释放，从而减轻带刹车的负担。 水刹车的制动力矩与其转速呈二次方变化，当转速低时其制动力矩很 小，这是水刹车的一大缺点。 电磁涡流刹车是适用于海洋和陆地钻机上的新型辅助刹车。它利用 电磁感应原理进行无损制动，无易损件，制动性能好，使用寿命长，操 作维修简单。在国内外钻机上正在获得广泛应用2 3 1 。 本论文中根据交流变频石油钻机的特点，采用盘式刹车装置作为主 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 刹车；取消水刹车或者电磁涡流刹车，利用绞车驱动电机四象限工作特 性实现辅助刹车。 2 3 石油钻机绞车控制策略研究 本课题采用网电供电的交流变频电动机驱动绞车，为满足绞车的工 作需求需确定其控制策略。控制交流变频电动机的控制方式分为非智能 控制方式和智能控制方式。非智能控制方式包括：u f = c ，正弦脉宽调 制( s p w m ) 控制方式；矢量控制( 磁场定向法) ；直接转矩控制( d t c 控制) ；矩阵式交交方式；最优控制。智能控制方式包括：神经网络控 制；模糊控制；专家系统；学习控制。 2 3 iu f = 0 ，正弦脉宽调制( s p w m ) 控制方式 u f 控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是 使u f 为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内， 电动机的转矩、效率、功率因数不下降。正弦脉宽调制( s p w m ) 技术 在实际的工业变流器中的应用非常普及。作为变频器的调速控制方式， u f 控制比较简单，多用于通用变频器，在风机、泵类机械的节能运转 及生产流水线的工作台传动【州。 2 3 2 矢量控制 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流 矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行 控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定 子电流矢量分解为产生磁场的电流分量( 励磁电流) 和产生转矩的电 流分量( 转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相 位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢 量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式，无速度传感器矢量 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行u f = c 恒定控 制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度雄，并得到对应的控制频 率一然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间 的相位，对通用变频器的输出频率厂进行控制的。基于转差频率控制的 矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从 而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都 是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来 的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装 置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即 使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部 得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方 式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算 公式分别对作为基本控制量的励磁电流( 或者磁通) 和转矩电流进行检 测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流( 或者磁通) 和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控 制。 2 3 3 直接转矩控制 直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思 想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直 接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简 单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的 磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 制。 直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法， 直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动 机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器( b a n d b a n d 控制) ，把转 矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内， 容差的大小由频率调节器来控制，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对 逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制 效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的 实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化， 即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变 换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的p w m 脉宽 调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明 确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流 调速控制方式。 与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链， 它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。 只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是 转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转 矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同， 它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为 被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。 直接转矩可与矢量控制的相比，直接转矩( d t c ) 控制的特点被总 结如下： 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章石油钻机绞车的控制策略 ( 1 ) 无反馈电流控制； ( 2 ) 没有采用传统的p w m 算法； ( 3 ) 不存在矢量变换； ( 4 ) 反馈信号的处理与基于定子磁链定向的矢量控制类似； ( 5 ) 滞环控制会产生磁链和转矩脉动，并且开关频率不是常数( 类 似于滞环电流控制) 。 交流变频异步电动机的矢量控制方法实现了转子磁链和电磁转矩的 解耦控制，但矢量变换运算复杂，且对模型参数的变化较为敏感。直接 转矩控制提出了全新的解决思路，直接控制磁链和转矩，省去了复杂的 计算，减少了对电机参数的依赖性。鉴于直接转矩控制方式的种种优点， 故选择该控制方式来控制石油钻机绞车的电动机，这将在第五章中详细 介绍。 2 4 本章小结 本章对石油钻机绞车的特性要求进行了总结，分析研究了各种驱动 控制和再生制动的机理、特性。，得出电动钻机绞车的驱动控制策略。 概括如下：采用具有再生制动功能交流变频技术的电驱动钻机绞车具有 非常优越的工作性能；分析绞车的各种刹车结构类型及优越点，选出最 佳的刹车机构组合；分析各种绞车控制方式，选择直接转矩控制交流变 频电动机驱动钻机绞车。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章具有能量同馈的绞车变频驱动系统分析 第3 章具有能量回馈的绞车变频驱动系统分析 如果采用通用变频器驱动钻机绞车用交流变频电动机运行时，当交 流变频电机处于再生制动状态时，变频器直流母线电压将发生泵升，使 得系统无法正常工作，甚至会造成功率器件毁坏。本章即从异步电动机 ( 交流变频电机属于异步电动机系列) 的数学模型出发，分析再生能量 的产生机理，并分析设计具有能量回馈的变频驱动系统的总体结构，采 用有源逆变的方式将再生能量回馈到电网，实现钻机提升系统安全、稳 定、节能运行。 一 3 1 异步电动机的再生能量产生原理 异步电动机一相的电压方程( 归算后) 可以表示为【2 5 】 以- - - j , ( & + i x , ，) 一丘 譬2 ( 碍7 j + 弼一) ( 3 - 1 ) 局= = 一l z l 。 i 。= i t + t 式中玩电网输入电压； 巨定子绕组电动势； 毫归算后转予绕组电动势； 厶励磁电流； 五定子绕组电流； 归算后转子绕组电流； 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章具有能量回馈的绞车变频驱动系统分析 蜀定子绕组电阻； 五a 定子绕组电阻； 归算后转子绕组电阻； s 转子转差率； z 一归算后转子绕组漏抗； z l 一主磁路磁阻抗。 由式( 3 1 ) 可画出异步电动机的t 形等效电路及向量图。分别如 图3 1 、图3 2 所示。从等效电路和相量图可见，异步电动机的定子电 流总是滞后于电源电压，这主要是因为磁化电流和定、转子的漏磁场都 需要一定的无功功率，这些感性的无功功率都要从电源输入，所以定子 电流必然滞后于电源电压。磁化电流越大，定、转子漏抗越大，电机的 功率因数就越低。 图3 1 异步电动机的t 型等效电路 1 8 字葺 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章具有能量回馈的绞车变频驱动系统分析 图3 - 2 异步电动机的相量图 由前述分析可得如下表达式： 异步电动机转子电流的有功分量为 j j ； ( 等) 2 + 墨。2 辱) 2 + ，2 ( 等) + z ，2 ，：；一，：；：! ：；一= ，：；：! ：一 异步电动机转子的无功分量为 庸赤蒂 由理论分析可得如下表达式： 电磁转矩表达式为 r ：! 曼兰竺! 丝 q 输入功率为 毋= 3 u i l l c o s f t 电磁功率 巴：3 ；堕 输出机械功率为 1 9 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章具有能量回馈的绞车变频驱动系统分析 尼= ( 1 一s ) 无功功率为 q l = 3 u , z , s i n a i 式中c o s 仍定子的功率因数角； c o s 仍转子的内功率因数角，1 移2 - - - - a i c t a n ! 磐； j q 转子机械角速度。 f ；z 。 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 图3 - 3 异步电动机发电状态的相量图 异步电动机在电动状态下，以上各量均大于零，产生正的电磁转矩， 电机拖动负载旋转，电能转化为机械能，能量由电网流向负载。在异步 电动机运行过程中，若受到外界因素影响，使转子转速n 大于同步转速 n l ，因而s = ( 强一n ) l r l i 0a 由以上分析可知，此时。 o 。 表示此时转子电流的有功分量与正向电动势相反，而其无功分量的方向 不变。据此可以画出s o 时的相量图如图3 - 3 所示 2 6 1 。由此图可知， 当s o 时，9 0 。 t p 2 1 8 0 。且9 0 仍 o 而t o ；当n t o ( 定子任意两相对调) 时，n o 总之，当s o 时，z 与h 始终方向相反，电机处于制动状态 从能量关系看，当s o 时有 露= 3 u e o s q ， 0 只：3(堕 n j ，异步电动机工作在再 生制动状态。 ( 2 ) 下钻工况即增大转速行，满足即 胛j 条件 在钻杆的位能负载的作用下，可使电动机的转速超过同步转速，实 现再生制动。当钻杆提升时电动机转速月方向为正，钻杆下放时电动机转 速甩方向为负，为使钻杆下放，电动机反向启动，从图3 4 b ) 中a 点开始， 在电磁转矩和负载转矩共同作用下，沿第3 象限的机械特性升速，到达b 点，在a b 段机械特性上，承0 ，届0 ，即转矩与转速方向相同，电动机 工作在反向电动状态。在b 点电磁转矩，t ：o ，但电动机在位能负载转矩 乃作用下，继续升速，工作点由第3 象限进入第4 象限，转子转速超过同 步转速，而且电磁转矩由负值变为正值，转矩与转速方向相反，电动机 由电动状态转入制动状态，一直加速到c 点，电磁转矩与负载转矩平衡， 电动机以再生制动状态稳定运行。这种运行在第4 象限的再生制动称为反 向再生制动。同理，对于其它位能负载，当电动机在第1 象限电动运行时， 若负载突然变为负，即变为负载拖动转子旋转，则会出现正向转子转速 大于同步转速的正向再生制动。 蔓弦 a ) 降低同步转速b ) 增加转速 图3 4 再生制动状态的两种机械特性 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章具有能量同馈的绞车变频驱动系统分析 综上所述，异步电动机在负载转矩是位能转矩的绞车在下放钻杆或 套管时，或是在变频调速的减速过程中，均能使它的运行速度高于同步 转速，o l i n n ，因而使转差率s = 锄，- n ) n ， “。f - 1 r 1i 厂_ 1 厂_ 1 _ 1r 1 厂_ 1r 脚 妇 i 静 鼬 l o 蛳 图4 - 4 电网三相电压同步信号 ( 5 ) 控制单元本文采用的d s p 是t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ， 是t m s 3 2 0 l f 2 4 x 系列的顶级芯片，实现信号检测、实时运算、控制信号 输出，是系统的核心单元。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司推出的一种适合于 工业控制，尤其适合于电机控制的专用d s p 芯片。作为d s p2 4 x 系列的新 成员