ACS800交流变频传动装置在顶驱转盘复合双驱动石油钻机系统中的应用

除司钻操作站 ＭＰ３７０ 为 ２ 个完全
相同独立硬件并可同时在线运行
外， 发电机组通讯监视总线桥 ＰＢ－
ＭＭ、ＰＣ 工控机和顶驱子站均通过程序控制 ＲＳ４８５
中继器分时切换到冗余网络。冗余网络配置使系统可
以在线运行时替换部分故障模块， 并能完全在线运行
修改程序和系统配置， 使控制系统具有极高的可靠
性、可用性和可维护性。
２００８ 年 第 ３０ 卷 第 ４ 期 第 ３８ 页
电气传动自动化 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．４ ２００８， ３０（ ４） ： ３８～４１
文章编号： １００５—７２７７（ ２００８） ０４—００３８—０４
ＡＣＳ８００ 交流变频传动装置 在顶驱转盘复合双驱动石油钻机系统中的应用
耗制动。 （ ４） 集成化和紧凑的结构设计降低了装置占地
面积， 且可选件位于传动内部。 （ ５） 结构简单， 功率部件采用 插针式连接 且底
部带有轮子， 便于安装和维护。 （ ６） 采用模块化和冗余设计， 只需少量备件， 并
联模块（ 供电模块或电机模块） 具有冗余功能， 每一 台模块都是一台完整的三相逆变器， 如果一台模块 故障， 装置能降容继续轻载运行， 减少故障停机时 间， 恢复快。
ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＡＣＳ８００ ＤＣ－ ＡＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｔｈｅ ＡＣ Ｅ － ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｏｉｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ
ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ， ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＡＣＳ８００ ＤＣ－ ＡＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ； ＤＴＣ； ＡＣ Ｅ－ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｏｉｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ； ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ； ｒｅｄｕｎｄａｎｔ
子网络的在线式切换。ＩＭ１５７ 作为
Ｙ－ Ｌｉｎｋ 将公用的传动驱动装置子
网 络 同 时 连 接 到 ＰＲＯＦＩＢＵＳ１ 和
ＰＲＯＦＩＢＵＳ２ 冗余网络。ＡＣＳ８００ 逆
变器驱动装置分别配置 ＮＰＢＡ－ １２
ＰＲＯＦＩＢＵＳ 总 线 适 配 器 接 入
ＰＲＯＦＩＢＵＳ３ 子网。在互为冗余子
网 ＰＲＯＦＩＢＵＳ１ 和 ＰＲＯＦＩＢＵＳ２ 中
ＣＡＴ３５１２Ｂ 柴油发电机组作 为动力， 通过 ２ 套 ２７２２ ｋＶＡ 容 量 二 极 管 整 流 装 置 ＤＳＵ 分 别 向 ６ 台 １４００ ｋＷ 逆 变 电机模块供电， 以分别驱动 ３ 台 泥 浆 泵 电 机 ＭＰ１ － ＭＰ３， ２ 台 绞 车 电 机 ＤＷＡ、 ＤＷＢ 和 １ 台 顶 驱 ＴＤ 和 转 盘 ＲＴ 电机。能耗制动采用 ８ 台持续功率为 １１９ ｋＷ 的 制动单元 ＢＲ， 每 ４ 台为一 组采用光纤主从链接控制 以实现同步制动， 增加能耗 制动的可靠性。根据钻机工
ｄｅｓｉｇｎ； ＣＰＵ４１４－ ４Ｈ； ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＰＲＯＦＩＢＵＳ ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ； ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ
１ 顶驱转盘复合双驱动石油钻机系统
近年来， 在国际上广泛采用的石油钻井工艺主 要 由 钻 井 液 泥 浆 泵 循 环 、绞 车 钻 具 提 升 和 独 立 转 盘 驱动钻进三大系统构成。随着交流变频和现场工业 网络技术的应用， 便产生了交流变频电驱动石油钻 机系统， 该系统三大传动机构均由交流变频电机驱 动， 通过现场工业通讯网络实现整个钻井工艺的全 程实时操作和监控。以 ７０００ ｍ 交流变频电驱动钻 机为例， 其钻井液循环系统由 ３ 台独立的 １６００ＨＰ 泥 浆 泵 分 别 采 用 ３ 台 １２００ ｋＷ 交 流 变 频 电 机 驱 动， 可实现每分钟０－ １３０ 冲的精准快速无级调节， 随 着 采 用 不 同 直 径 缸 套 可 达 到 ０－ ３４ ＭＰａ 泵 压 和 ０－ ５０Ｌ／Ｓ 的排量。钻具提升系统由 ２ 台 ８００ ｋＷ 交流 变频电机驱动绞车齿轮传动箱带动滚筒， 可实现滚 筒转速 ０－ ２９９ ｒ／ｍｉｎ 无级精确调速， 最大提升有效静 负荷可达 ４５００ ｋＮ。除此之外， 还可由１ 台 ３７ ｋＷ 交
４ 控制系统及软件设计
４．１ 通讯控制网络设计 通讯网络结构如图 ３ 所示， 现场工业网络采用
ＰＲＯＦＩＢＵＳ 现场总线技术， 通信速率为 １．５Ｍ， 网络总 体 为 冗 余 配 置 ， 其 中 网 络 ＰＲＯＦＩＢＵＳ１ 和 ＰＲＯＦＩＢＵＳ２ 完全互为冗余， ＰＲＯＦＩＢＵＳ３ 为公用驱动 系统子网络。系统以 ＣＰＵ４１４－ ４Ｈ 热备冗余容错可编 程控制器为核心， 通过采用同步模块和同步光纤将两 组配置完全相同的 ＣＰＵ４１４－ ４Ｈ 子站链接起来作为 系统主控制站， 两套 ＰＬＣ 应用事件驱动同步原理实 现实时同步。司钻台和插接转换箱的分布式 Ｉ／Ｏ 均采 用 ＩＭ１５３－ ２ 热备冗余 ＤＰ 总线接口模块， 可实现通讯
机 在 石 油钻 采 工 艺中 的 作 业特 点 和 ＡＣＳ８００ 交 流 变 频 装 置 的 软 件 功 能 ， 设 计 了 一 套 可 靠 性 高 ， 可 用 性 强 ， 设
备使用效率高的石油钻机电控系统， 并给出了 ＡＣＳ８００ 装置的关键参数设置和 ＰＬＣ 程序设计的主要流程。
关键词： ＡＣＳ８００ 交流变频装置； 直接转矩控制 ＤＴＣ； 石油钻机电控系统； 模块化； 冗余设计； ＣＰＵ４１４－ ４Ｈ；
（ ７） 制动单元控制回路采用光纤连接主从控制 方式可同时并联 ６ 台， 总制动功率可高达 ２４２２ ｋＷ。
（ ８） 功率范围大， 电机侧逆变 器通过并联 可达 ５６００ ｋＷ， 电源侧整流器通过并联可达 ６０００ ｋＷ。
３ 系统主回路设计
顶驱转盘复合双驱动石油钻机电控系统主回 路 如 图 ２ 所 示 ， 用 ５ 台 ６００Ｖ／６０Ｈｚ／１２００ｋＷ 的
任群社 １， 王有玉 １， 冯 弢 ２
（ １． 天水电气传动研究所有限责任公司， 甘肃 天水 ７４１０１８； ２． 陕西省电力公司 宝鸡供电局， 陕西 宝鸡， ７２１００４）
摘要 ： 简 要介 绍 了 ＡＣＳ８００ 交流 变 频 传动 装 置 工作 原 理 和独 特 硬 件设 计 ， 结 合顶 驱 转 盘复 合 双 驱动 石 油 钻
流变频自动送钻电机驱动一个大传动比的齿轮传 动箱通过离合器带动滚筒做低速双向旋转。在以上 两种滚筒驱动方式中通过滚筒编码器和程序控制 均可实现大钩在任意高度的可靠精确停车。绞车的 制动除液压盘式刹车外， 还可通过电气部分制动电 阻能耗制动实现悬停。这样， 即使在绞车电气传动 系统、绞车电机或绞车齿轮传动箱故障的情况下， 也能实现钻具的缓速提升和钻进作业， 从而大大降 低了故障停机率。在钻进系统中同样采用了单台 ８００ ｋＷ 交流变频电机驱动转盘齿轮传动箱带动转 盘， 可实现转盘转速 ０－ ３００ ｒ／ｍｉｎ 快速无级调速和 起停控制， 通过程序控制还可实现转盘输出扭矩限 制零到额定值可调和转盘软扭矩释放功能。转盘气 动惯刹可实现低速转盘刹车功能。
驱动电机的逆变器内部之间分配能量， 有发电， 有
高效性。系统配置中 ＣＡＮＲＩＧ １０５０Ｅ 型顶部驱动装 电动， 降低了机组容量。
置标称参数如表 １ 所示。
（ ３） 也可针对部分逆变器采用公共再生式或能
名义钻井 深度 ｍ
额定载荷 ｔ
表 １ ＣＡＮＲＩＧ１０５０Ｅ 交流顶部驱动装置主要性能参数
ＡＰＩ 承受 载荷 ｔ
ＲＥＮ Ｑｕｎ－ ｓｈｅ１， ＷＡＮＧ Ｙｏｕ－ ｙｕ１， Ｆ ＥＮＧ Ｔａｏ２
（ １． Ｔｉａｎｓｈｕｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｔｉａｎｓｈｕｉ ７４１０１８， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｂａｏｊｉ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｂｕｒｅａｕ， Ｂａｏｊｉ ７２１００４， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｉｑｕｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＡＣＳ８００ ＤＣ － ＡＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ． Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｉｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ ａｎｄ ｔｏｐ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
通过以上分析， 除转盘独立驱动钻进系统外， 钻井液循环系统和钻具提升系统均具有多个驱动
２００８ 年 第 ４ 期 任群社， 王有玉， 冯 弢 ＡＣＳ８００ 交流变频传动装置在顶驱转盘复合双驱动石油钻机系统中的应用 ·３９·
方式， 具有很高的可靠性。为此， 目前又在该常规系 的硬件设计而具有很高的可用性， 其特点如下：
连续输出 功率 ｋＷ
传动比
连续最大 扭矩 Ｎｍ
间歇最大 扭矩 Ｎｍ
最大速度 ｒ／ｍｉｎ
连接装置 过载扭矩
Ｎｍ
顶驱装置 重量 ｋｇ
７０００
５００
４１３
８４０
５：１
４０７００
４５７００
２６５
９６０００
１２７wenku.baidu.com０
２ ＡＣＳ８００ 交流变频传动装置
ＡＣＳ８００ 交流低压传动装置最大的优点就是在 全功率范围内统一使用了相同的控制技术。例如启 动向导、自定义编程、ＤＴＣ 控制、通用备件、通用接 口技术， 以及用于选型、调试和维护的通用 软件工 具。ＡＣＳ８００ 的核心技术是直接转矩控制（ ＤＴＣ） ， 它 是目前最先进的交流异步电机控制方式， 其力矩阶 跃上升时间不大于 ５ ｍｓ， 无编码器可精确控制力 矩， 零速满转矩， 转矩直接被控制， 带编码器时其静 动态速度偏差分别不超过 ０．０１％和 ０．１％ｓｅｃ， 启动 转 矩 可 高 达 ２００％ ， 其 控 制 原 理 如 图 １ 所 示 ， ＡＣＳ８００ 传动装置适用于各种工业领域。ＡＣＳ８００ 供 电电压等级有 ２０８Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖ、３８０Ｖ、４００Ｖ、 ４１５Ｖ、４４０Ｖ、４６０Ｖ、４８０Ｖ、５００Ｖ、５２５Ｖ、５７５Ｖ、６００Ｖ、 ６６０Ｖ 和 ６９０Ｖ。 单 传 动 系 统 装 置 功 率 范 围 涵 盖 了 ０．５５ ｋＷ－ ２８００ ｋＷ。装置的操作和调试维护既可通 过 ＣＤＰ３１２Ｒ 控制盘完成， 又可以通过 Ｄｒｉｖｅｗｉｎｄｏｗ ＰＣ 软件实现。ＡＣＳ８００ 多传动系统装置更以其独特
统配置的基础上增加了顶部驱动钻井装置， 这样不
（ １） 公共直流母线， 单一输入功率连接， 节约电
仅实现了钻进系统的多种驱动方式， 使三大驱动系 统均具有故障冗余功能， 而且由于该装置的诸多优 点 也 大 大 提 高 了 钻 井 装 备 整 体 的 安 全 性 、可 靠 性 和
缆用量。 （ ２） 不带制动斩波器或不带再生式供电单元时，
ＰＲＯＦＩＢＵＳ 工业现场总线； 可用性
中图分类号： ＴＥ９２２
文献标识码： Ｂ
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＣＳ８００ ＤＣ－ ＡＣ ｉｎｖｅｒ ｔｅｒ ｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ＡＣ Ｅ－ ｄｒ ｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｏｆ ｏｉｌ ｄｒ ｉｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｒ ｏｔａｒ ｙ ｔａｂｌｅ ａｎｄ ｔｏｐ ｄｒ ｉｖｅ
４．２ 驱动系统 ＡＣＳ８００ 参数设置
关键参数设置及功能说明如表 ２ 所示。
表 ２ ＡＣＳ８００ 关键参数设置及功能说明
参数号 设置值
功能说明
９９．０８ ０
选择电机控制模式
９９．１１ １
选择要使用的应用宏
９８．０１ ３
脉冲编码器模块接口选择
９８．０２ ３
通讯模块接口选择
５０．０１ ３０００ 设置速度量化值
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电气传动自动化
２００８ 年 第 ４ 期
艺特点， 顶部驱动装置和转盘不同时工作， 且顶驱电 机和转盘驱动电机额定电压等级相同， 功率相近， 因 此， 顶驱和转盘电机公用同一变频驱动装置成为可 能， 而 ＡＣＳ８００ 交流变频装置提供的两组用户宏软 件切换功能也完全满足设计的需要。这样不仅节省 了投资成本， 也使钻机电控系统整体配置得到了简 化， 现场维护更加方便。绞车双电机的主从控制在 ＡＣＳ８００ 装置的软件或硬件中均能方便实现， 而且通 过光纤连接实现绞车电机的主从控制同步性更好。