顶部驱动钻井转速扭矩控制技术研究及应用
王博，张尧，马瑞，孙明寰，谢海欢
( 北京石油机械厂，北京100083)
摘要: 顶部驱动钻井装置是当今钻井装备中技术含量高、结构复杂的机电液一体化设备，已成为现代钻机的重要配置，是21 世纪钻
井三大技术装备之一。交流变频驱动技术作为目前电驱动顶驱广泛采用的一种驱动技术，具有无级调速，较强过载等诸多优
势。以北石DQ70BSC 型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的S120 系统转速扭矩控制技术，以及在此基础上，顶驱单、双电
机切换，主从控制等技术的应用。
关键词: 顶驱; 交流变频; 矢量控制; 主从同步; 扭矩分配
DOI: 10． 3969 /j·issn． 1000 －3886． 2015． 03． 006
［中图分类号］ TM301． 4 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1000 － 3886( 2015) 03 － 0018 － 03
Ｒesearch and Application of
Speed and Torque Control Technology of Top Drive Drilling
WANG Bo，ZHANG Yao，MA Ｒui，SUN Ming-huan，XIE Hai-huan
( Beijing Petroleum Machinery Co．，Beijing 100083，China)
Abstract : Top drive ( TD) drilling equipment，a high-tech drilling equipment with complex structure，integrating mechanical，electrical and
hydraulic technologies，has become one of the three main types of drilling equipment in the 21st century as a major configuration of
modern drilling machines． Extensively applied in the field of electric top drive，AC variable frequency drive ( VFD) has such
advantages as stepless speed regulation and high overload capacity． Taking BPM DQ70BSC top drive as an example，the paper
introduces the speed and torque control technology of the S120 system based on closed-loop vector control，as well as application of
such technologies as TD single /double motor switchover and master-slave control．
Keywords: top drive; AC variable frequency; vector control; master-slave synchronization; torque distribution
定稿日期: 2014 － 08 － 13
0 引言
顶部驱动钻井装置( 简称顶驱) 是当今钻井装备中技术含量
较高、结构复杂的机电液一体化设备，已成为现代钻机的重要配
置，是21 世纪钻井三大技术装备之一［1］。与传统钻井设备相比，
顶驱可极大地提高钻井作业的效率和安全性，推进了钻井的自动
化进程［2］。钻井作业时需要根据地层构造来控制钻头转速和扭
矩，作为驱动钻头的动力源，顶驱装置必须保证输出转速和扭矩
精确可控。基于闭环矢量控制的交流变频调速技术，因其具有无
级调速、调速范围较大、较强过载，显著节能等诸多优势，可以满
足钻井作业对转速和扭矩控制的要求，在石油钻机，尤其是顶驱
装置上得到了广泛应用［3］。
1 技术背景
1． 1 交流变频调速
20 世纪70 年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发
展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备
了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以
及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以
与直流电力拖动相媲美［4］。交流变频器一般采用交－ 直－ 交结
构，利用电机的转速和频率成线性关系的原理，把工频( 50 /60
Hz) 变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行。用于
交流异步电动机的调速，调速范围广、节能显著、稳定可靠，交－
直－ 交变频器结构如图1 所示。
图1 交－ 直－ 交变频器典型结构
1． 2 矢量控制技术
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，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［5］。这样就可以将三
相异步电机等效为直流电机来控制，不仅可在调速范围上与直流
电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩，因而获得
与直流调速系统同样的静、动态性能，带速度反馈的矢量控制原
理如图2 所示。
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Electrical Automation
变流技术
Converter Techniques
《电气自动化》2015 年第37 卷第3 期
图2 矢量控制原理
2 常见解决方案
基于以上基础技术的优越性考虑，目前已经得到广泛应用
的，名义钻深在7 000 m 及以上的顶驱，一般都采用交流变频技
术，两台三相异步电机驱动的配置，这种配置主要有以下三点
好处:
双电机可以在顶驱主体上对称布置，较好的解决顶驱本体重
心居中;
双电机可以均分负载，单个电机承担的负载仅为实际负载的
一半，有效延长轴承、齿轮等机械承载件的使用寿命;
双电机可以互为备份，出现问题时可以单电机降低负载
使用。
双电机顶驱优势明显，但同时也增加转速同步和负载均分的
技术难度。各电机输出扭矩的方向和大小一致，实际输出扭矩等
于各电机输出扭矩之和，一般将这种技术称为电机同步。实现电
机同步，目前常见的解决方案有以下二种:
2． 1 双电机并联连接
两台电机接线采用并联连接在一台变频器上，变频器将两台
电机作为一台电机驱动，输出电流由电机绕组均分。
根据三相异步电机转速公式n = 60f( 1 － s) /p［6］，在两台电机
参数完全一致、齿轮间配合间隙近乎为零的理想情况下，因输入
频率f、电机极对数p，转差率s 都一样，两台电机的转速n 是完全
一致的。同时，由于两台电机分得的输入电流也一样，其产生的
输出扭矩也是完全相等的，由此实现双电机同步，负载均匀分配。
这种解决方案的优点是变频系统设计相对简单，不需考虑电
气同步，完全依赖电机特性和较小的啮合间隙实现机械同步。缺
点是随着使用时长的增加，齿轮磨损后啮合间隙增大，其同步性
能下降，两台电机的输出扭矩有相当部分被互相抵消，且无法被
控制系统感知并修正，导致显示输出扭矩不等于实际值，进而影
响对井下情况的分析判断。
2． 2 双电机各自独立连接
两台电机分别连接两台变频器，一台变频器控制一台电机的
转速和扭矩，作为主动。另一台变频器只控制另一台电机的扭
矩，作为从动，并使从动电机的输出扭矩始终跟随主动电机，并严
格保持一致。
在这种解决方案中，主动电机需要编码器提供速度反馈，并
根据速度设定值与实际值之间的偏差来调整电机的转速和扭矩，
从动电机不需要编码器提供的速度反馈，只根据与主动电机输出
扭矩之间的偏差来调整电机的转速和扭矩。
这种解决方案的优点是充分考虑了齿轮间必然存在的啮合
间隙，以及由此产生的两台电机之间的转速差。这样即使电机自
身特性发生变化，或者齿轮啮合间隙增大，变频器也可以通过控
制电机输出不同的转速和相同的扭矩，对两者之间的差异做出补
偿，实现输出扭矩完全等于实际输出扭矩。其缺点是需要两套各
自独立，但又有相互联系的变频系统，设计难度、软件硬件成本都
成倍增加，对制造商提出了更高的要求。
综合比较二种解决方案，第二种方案具有明显的技术优势，
因此各顶驱制造商都逐渐放弃第一种方案，转而采用第二种解决
方案。
3 应用
北京石油机械厂与西门子工厂自动化工程有限公司合作研
制开发基于西门子新一代S120 驱动系统的顶驱装置，采用主从
控制实现同步，已有超过200 台S120 系统的顶驱在世界各地成
功应用，成为目前世界唯一批量应用S120 系统的顶驱装置制造
商。下面以DQ70BSC 型号顶驱为例，介绍基于闭环矢量控制的
S120 系统转速扭矩控制技术，以及在此基础上，顶驱单、双电机
切换，主从控制等技术的应用。
顶驱电控系统采用二对二的驱动方式，即两个逆变柜分别驱
动两台电机，这种结构可靠性高，可作为两套独立的系统单独工
作。单电机工作时，系统所能承受的工作扭矩和最大扭矩为双电
机运行时的一半。驱动采用西门子S120 系列产品，通过交流变
频调速系统，驱动两台交流变频电机，两台电机既可以联合驱动，
也可以分开独立工作。主传动采用两台三相六极异步感应电机，
交流变频驱动。顶驱驱动系统单线图如图3 所示。
图3 顶驱驱动系统单线图
因单电机运转时不涉及速度同步，在此不作详细分析，下面
就双电机运转时的速度同步和扭矩分配展开讨论。
3． 1 速度同步
双电机运转时，其中一台电机作为主动电机，工作在速度控
制模式下，变频系统会同时控制该电机的转速和扭矩; 而另一台
电机作为从动电机，工作在扭矩控制模式下，变频系统只控制该
电机的扭矩。下面以A 电机做主动，B 电机做从动为例，介绍主
从同步。
3． 2 扭矩限定和分配
在变频系统中，扭矩设定值为一个整形( INT) 数据，占用一
个字( 两个字节) 的长度，其中高字节的最高位为符号位，电机允
许短时间内150%的过载，因此100%的额定扭矩设定，对应的二
进制数值为0011． 1111． 1111． 1111，换算成十进制即16 384，为防
止溢出，取16 383。在双电机模式下，要求单个电机输出扭矩为
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《电气自动化》2015 年第37 卷第3 期变流技术
Converter Techniques
总输出扭矩的一半，因此在PLC 系统中，双电机模式下扭矩限定
值应将设定值除以2，做如下编程:
CALL #TOＲQUE_DＲILL
SETPOINT : =”Setpoint”． torque_set_drill
AN "M_A + B"
JNB _016
L " Setpoint" ． torque_set_drill
L 2
* I / /双电机模式时扭矩限定值除以2
T " Setpoint" ． torque_set_drill
_016: NOP 0
图4 扭矩限幅功能图
变频系统通过Profibus
自由报文接收PLC
系统传送过来的扭矩限
定值，送到电机模块的
扭矩限幅功能块中，其
功能图如图4 所示。
3． 3 主动电机速度
和扭矩控制
在变频系统中，速
度设定值为一个整形
( INT) 数据，占用一个
字( 两个字节) 的长度，
其中高字节的最高位为符号位，同时电机允许在200% 额定转速
运转，因此100% 的额定转速设定，对应的二进制数值为
0011111111111111，换算成十进制即16 384，为防止200% 额定转
速设定时数据溢出，取16 383。在PLC 程序里，主动电机的速度
设定值应做如下编程:
CALL #SPEED
SETPOINT : =”Setpoint”． speed_set
A M1． 5
JNB a001
L“Setpoint”． speed_set
L 2
* I / /顶驱高速时速度设定值乘以2
T“Setpoint”． speed_set
a001: NOP 0
变频系统通过Profibus 自由报文接收PLC 系统传送过来的
转速设定值，送到主动电机模块的速度设定功能块中，根据速度
设定值与编码器反馈的速度实际值之间的偏差，变频系统通过PI
调节器计算出需要调整的扭矩设定值，扭矩设定值被传输到主动
电机模块的扭矩设定功能块中，如图5 所示。
此时电机模块工作在速度控制模式下，主动电机将按照设定
的速度运转，输出扭矩不超过扭矩限定值。
3． 4 从动电机扭矩控制
从动电机不受速度设定值的限制，只需要严格保持与主动电
机输出扭矩相等即可。为达到这个目的，可以将从动电机模块切