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从控制原理来看顶驱释放反扭矩的操作
曾会平
(青岛科技大学、自动化与电子工程学院,山东省青岛市266000)
顶驱(顶部驱动钻井装置,简称顶驱)按驱动方式分为液压驱动与电动驱动,
其中电动驱动从早期的直流驱动发展到交流变频驱动,已成为当前主流顶驱
采用的主要驱动形式。多数交流变频驱动顶驱的控制系统基于矢量控制原理开
发,本文结合该原理的转矩限位环节,阐述了其转矩限位功能的实现过程,并基
于该限位原理及生产实践,总结出一套释放井下反扭矩的实用操作。适用顶驱机
型:VARCO ,CANRIG,北石等。
1、 反扭矩释放
顶驱钻进过程中,当一根立柱打完即将更换立柱时,需要先将顶驱进行停转
,再完成更换立柱的工作。然而,在定向井作业时,当钻进深度超过一定井深,且
遇到地 复杂的情况下,旋转钻进的顶驱会遇到井下反扭矩的作用,此时若以旋
转转速调节手轮回零的方式停转顶驱,顶驱往往在反扭矩的作用下快速反转,产
生不可预知的险情。所以在停转顶驱的过程中,必须有一套有效措施来对井下的
反扭矩首先进行释放,如若操作不当,反扭矩造成顶驱的快速反转,可能导致钻
具脱扣、变频器报警、卡钻等各种事故。
此外,顶驱卡钻时产生的憋钻、解卡顶驱时的运行指令等也会产生较高的井
下反扭矩,都需要在适当时候进行有效释放,以保证钻具不会因反转而导致各种
安全事故。
2 、 能耗制动与限转矩原理
目前主流顶驱的控制系统主要采用矢量控制(如VARCO11S,CANRIG8050A
C等),由大功率交流矢量变频器完成顶驱的无极调速,转矩限定,上扣卸扣等操
作。变频器整流环节大都采用不可逆功率二极管,中间直流环节设有带制动电阻
的制动单元,以实现顶驱的能耗制动。
2.1能耗制动原理:
三相异步电机按其转矩与转速方向是相同还是相反,可分为电动运行状态与
制动运行状态,当电磁转矩与转速方向相同时,处于电动运行状态的电机从电网
吸收电能,转换为机械能以带动机械负载,工作在一、三相限。当电磁转矩与转
速方向相反时,处于制动运行状态的电机从轴上吸收机械能,转换为电能,工作
在二、四相限。制动状态时,顶驱电机通过变频器逆变部分的续流二极管向变频
器中间直流回路上的电容器充电,使直路回路电压上升,当超过制动单元释放电
压设置值时,制动单元IGBT管导通,通过外接的制动电阻以热能的形式消耗直
流回路的过多能量。
矢量控制时,异步电动机的电磁转矩公式:
2
r s 1
E ¦ Ø
e 3 np ( )
T =
1
¦ Ø r
R
(1)
其中,n 为电机极对数,E 为转子全磁通感应电动势,ω 为定子供电电源角频率,
p r 1
s=(n -
0
n)/n 为电机转差率,n 为ω 时的同步转速,R 为折算到定子侧的每相转子电阻。
0 0 1 r
矢量控制时Er
/ω 为恒值,所以由式(1)可以看出,机械特性曲线T 与S呈线性关系,当S0时,为
1 e
发电运行状态,输出转速n大于电机的同步转速n0 ;当S=0时,电机以同步转速运
行n=
n0 ;当0S1时,为正向电动状态,输出转速低于电机同步转速;当S=1时,电机处
于堵转状态,此时转速n=0 ;当S1时,为能耗制动状态,输出转速n0。
如图一为矢量控制的顶驱电机不同工况下的机械特性曲线。
图一矢量控制顶驱电机机
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