商義葉 牛 軍 趙 磊

（1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250103；2.山東天宇建設(shè)機(jī)械股份有限公司 山東 齊河 251100）

絞車不僅是石油鉆機(jī)的起升系統(tǒng)設(shè)備，而且也是整個(gè)鉆機(jī)的核心部件，是鉆機(jī)三大工作機(jī)組之一。主要有以下功用：用以起下鉆具、下套管；鉆進(jìn)過程中控制鉆壓，送進(jìn)鉆具；借助貓頭上、卸鉆具絲扣，起吊重物及進(jìn)行其他輔助工作；充當(dāng)轉(zhuǎn)盤的變速機(jī)構(gòu)或中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；整體起放井架。最近幾年發(fā)展的交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞車，電動(dòng)機(jī)通過齒輪減速箱直接驅(qū)動(dòng)滾筒軸，利用變頻調(diào)速和再生發(fā)電制動(dòng)技術(shù)，取消了機(jī)械換檔和絞車的輔助剎車，使剎車的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，并使其工作性能也得到了較大的提高。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性要求

1.1 絞車負(fù)載特點(diǎn)及對(duì)驅(qū)動(dòng)特性的要求

圖1為大鉤提升載荷Qh與提升速度V的關(guān)系曲線。若大鉤提升速度能隨載荷的變化而相應(yīng)地改變，即沿圖中曲線1工作，這是最理想的情況，功率利用最充分。QhV=C是理想功率曲線。

絞車載荷是隨起鉆過程中立根的數(shù)目的逐一減少而呈階梯狀下降的。若提升速度V也能隨立根數(shù)的每一次減少而相應(yīng)增加，即沿曲線2工作，則功率利用雖不是最理想的，也已很充分。但在機(jī)械變速有限檔情況下，這是不可能做到的。曲線3是分級(jí)變速時(shí)的曲線，可見功率利用不充分，陰影三角面積是未被利用的功率。

圖1 大鉤提升載荷與速度

按絞車工作特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)力機(jī)組的要求是：

（2）具有短期過載能力，以克服啟動(dòng)動(dòng)載、振動(dòng)沖擊和輕度卡鉆。

（3）絞車工作時(shí)起停交替，要求動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有良好的啟動(dòng)性能和靈敏度可靠的控制離合裝置。

綜上，絞車驅(qū)動(dòng)需要的是具有恒功率調(diào)節(jié)、能無級(jí)變速并具有良好啟動(dòng)性能的柔性驅(qū)動(dòng)[1]。

1.2 鉆機(jī)絞車的驅(qū)動(dòng)類型及特點(diǎn)

鉆機(jī)絞車的驅(qū)動(dòng)類型分別有：機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)，依驅(qū)動(dòng)機(jī)組驅(qū)動(dòng)特性的不同可分為，柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)（或簡(jiǎn)稱柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)）和柴油機(jī)-液力機(jī)械驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)特性是柴油機(jī)-液力變矩器聯(lián)合輸出特性，能自動(dòng)變速變矩，屬柔性驅(qū)動(dòng)。

電驅(qū)動(dòng)，依其發(fā)展可分為：交流AC-AC驅(qū)動(dòng)、直流DC-DC驅(qū)動(dòng)、交直流AC-SCR-DC驅(qū)動(dòng)、交流變頻驅(qū)動(dòng)。交流變頻驅(qū)動(dòng)是柴油機(jī)交流發(fā)電機(jī)組發(fā)出交流電或者是網(wǎng)電，經(jīng)變頻器成為頻率可調(diào)交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)去帶動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤和鉆井泵，這是正在發(fā)展中的第四代電驅(qū)動(dòng)型式，也是本論文研究對(duì)象的類型。

2 絞車的剎車機(jī)構(gòu)

剎車機(jī)構(gòu)是鉆機(jī)的重要部件，石油鉆機(jī)絞車主剎車主要采用帶式，盤式近年來也有較大發(fā)展。

輔助剎車主要有水剎車及電磁渦流剎車兩種。本文中根據(jù)交流變頻石油鉆機(jī)的特點(diǎn)，采用盤式剎車裝置作為主剎車；取消水剎車或者電磁渦流剎車，利用絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)四象限工作特性實(shí)現(xiàn)輔助剎車。

3 石油鉆機(jī)絞車控制策略研究

本文針對(duì)采用網(wǎng)電供電的交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車，為滿足絞車的工作需求需確定其控制策略。控制交流變頻電動(dòng)機(jī)的控制方式分為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，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式；矢量控制（磁場(chǎng)定向法）；直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC控制）；矩陣式交-交方式；最優(yōu)控制。智能控制方式包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；模糊控制；專家系統(tǒng)；學(xué)習(xí)控制。

3.1 U/f=C，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式

U/f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使U/f為常數(shù)，這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)在實(shí)際的工業(yè)變流器中的應(yīng)用非常普及。作為變頻器的調(diào)速控制方式，U/f控制比較簡(jiǎn)單，多用于通用變頻器，在風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)及生產(chǎn)流水線的工作臺(tái)傳動(dòng)[3]。

3.2 矢量控制

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band-Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。

與矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來。而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制或直接控制轉(zhuǎn)矩，既直接又簡(jiǎn)化。

直接轉(zhuǎn)矩可與矢量控制的相比，直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制的特點(diǎn)被總結(jié)如下：

（1）無反饋電流控制；

（2）沒有采用傳統(tǒng)的PWM算法；

（3）不存在矢量變換；

（4）反饋信號(hào)的處理與基于定子磁鏈定向的矢量控制類似；

（5）滯環(huán)控制會(huì)產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且開關(guān)頻率不是常數(shù)（類似于滯環(huán)電流控制）。

交流變頻異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方法實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，但矢量變換運(yùn)算復(fù)雜，且對(duì)模型參數(shù)的變化較為敏感。直接轉(zhuǎn)矩控制提出了全新的解決思路，直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，省去了復(fù)雜的計(jì)算，減少了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。鑒于直接轉(zhuǎn)矩控制方式的種種優(yōu)點(diǎn)，故選擇該控制方式來控制石油鉆機(jī)絞車的電動(dòng)機(jī)，這將在第五章中詳細(xì)介紹。

4 小結(jié)

本章對(duì)石油鉆機(jī)絞車的特性要求進(jìn)行了總結(jié)，分析研究了各種驅(qū)動(dòng)控制和再生制動(dòng)的機(jī)理、特性。得出電動(dòng)鉆機(jī)絞車的驅(qū)動(dòng)控制策略。概括如下：采用具有再生制動(dòng)功能交流變頻技術(shù)的電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車具有非常優(yōu)越的工作性能；分析絞車的各種剎車結(jié)構(gòu)類型及優(yōu)越點(diǎn)，選出最佳的剎車機(jī)構(gòu)組合；分析各種絞車控制方式，選擇直接轉(zhuǎn)矩控制交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)絞車。

［1］李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2001：92－93.

［2］李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2001：173－183.

［3］王廷才，王偉.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：82－83.