川慶國際工程公司　吳科欣

基于變頻傳動技術(shù)在石油鉆機電控系統(tǒng)研究

川慶國際工程公司吳科欣

隨著我國石油開采步伐的加快，對石油鉆機電控系統(tǒng)的綜合性能也提出較高的要求。然而以往電驅(qū)動鉆機控制中，所采用的多以直流傳動系統(tǒng)為主，其很難保證石油鉆機運行中保持較高的效率。通過實踐研究發(fā)現(xiàn)，將變頻傳動技術(shù)引入其中，可使這些問題得以解決。本文將對變頻調(diào)速的原理、6SE70矢量控制結(jié)構(gòu)、石油鉆機電控系統(tǒng)中變頻器的應(yīng)用進(jìn)行探析。

石油鉆機電控系統(tǒng)；變頻傳動；應(yīng)用

前言

作為集計算機控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論等于一體的技術(shù)，變頻調(diào)速以其自身的優(yōu)勢被廣泛用于電動鉆機中。需注意的是盡管近年來鉆機中應(yīng)用的大功率變頻器，逐漸將矢量控制方式引入，但仍有較多亟待解決的問題，如自動送鉆、能耗制動代替渦流剎車等，是變頻器應(yīng)用面臨的難題，極大程度上制約變頻傳動技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。因此，本文對石油鉆機電控系統(tǒng)中變頻傳動技術(shù)的應(yīng)用研究，具有十分重要的意義。

1.變頻調(diào)速原理分析

關(guān)于變頻調(diào)速技術(shù)，在研究中首先可從電機學(xué)中的相關(guān)公式極性分析，如：

其中n0、f與p分別表示為異步電動機轉(zhuǎn)速、電源頻率以及電機極對數(shù)。從該公式中可發(fā)現(xiàn)，在電源頻率調(diào)整的情況下可達(dá)到電機轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)。而這一目標(biāo)的實現(xiàn)也就是變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的原理。從變頻傳動技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢看，本身表現(xiàn)為靜態(tài)穩(wěn)定性較好、運行效率高且調(diào)速范圍大等，如將通用變頻器設(shè)置于籠形異步電動機中，有利于系統(tǒng)可靠性的提升。從現(xiàn)行變頻調(diào)速的主要方法看，主要體現(xiàn)在基頻以下與基頻以上兩種變頻調(diào)速方式層面，前者應(yīng)用中強調(diào)按轉(zhuǎn)差頻率對系統(tǒng)進(jìn)行控制，將直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)中的優(yōu)勢引入其中，對系統(tǒng)性能的提高可起到明顯作用。但需注意一旦系統(tǒng)磁通處于動態(tài)環(huán)境下，將無法保持恒定，因此看控制效果難以保證。而基頻以上類型，主要指電壓額定值不變的情況下，通過磁通的調(diào)解使調(diào)速得以實現(xiàn)，與直流電動機弱磁調(diào)速較為相近。將該技術(shù)引入到鉆機電控系統(tǒng)中，對系統(tǒng)綜合性能的提升可起到明顯作用［1］。

2.6SE70矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

2.1矢量控制基本原理

由于現(xiàn)行異步電動機運行中，需考慮到磁場定向控制問題，要求將其中的變量進(jìn)行明確，此時便要求將矢量控制引入其中。對于石油鉆機傳動系統(tǒng)，其在構(gòu)成上主要以泥漿泵傳動、轉(zhuǎn)盤傳動以及絞車傳動等為主。以絞車傳動為例，其作為位勢性負(fù)載，要求保證電機四象限穩(wěn)定運行，盡管無需考慮調(diào)速指標(biāo)問題，但要求絞車位置合理。此時，矢量控制應(yīng)用下，主要將有速度傳感器矢量控制引入到絞車傳動控制中。而對于泥漿泵傳動、轉(zhuǎn)盤傳動，可直接選擇無速度傳感器矢量控制，便能滿足控制要求。其中矢量控制的應(yīng)用，可理解為對電機旋轉(zhuǎn)變換、控制器反變換器進(jìn)行抵消，矢量控制中的動態(tài)性、靜態(tài)性等與直流調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)原理較為相近［2］。

2.26SE70矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在矢量控制理論應(yīng)用下，本文主要選擇6SE70變頻器作為實例，其中可應(yīng)用的矢量控制結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為兩方面，即：第一，有速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用下主要為滿足鉆機絞車傳動要求，其中的控制中心為CUVC矢量控制，且將電壓型PWM變頻器用于功率變換中，同時選擇鼠籠式異步電機。此時系統(tǒng)設(shè)計中各部分都需達(dá)到具體的功能要求，包括：①給定通道。利用數(shù)字通道、模擬電位器通道給定信號，并通過相應(yīng)的比例因子調(diào)整，使正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)得以實現(xiàn)；②斜坡函數(shù)發(fā)生器。該裝置應(yīng)用于傳動系統(tǒng)中，主要可對變加速度進(jìn)行控制，避免因電動機運行中的轉(zhuǎn)矩突變而使系統(tǒng)受到?jīng)_擊，保證機械平穩(wěn)運行；③速度傳感器。應(yīng)用中主要通過A/D轉(zhuǎn)換模擬信號，使數(shù)字信號被獲取，在此基礎(chǔ)上由信號處理單元對數(shù)字信號進(jìn)行處理；④磁通調(diào)節(jié)器。一般磁通調(diào)節(jié)器運用下，相似于速度調(diào)節(jié)器，主要通過PI控制算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流、磁通的調(diào)節(jié)。

第二，無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用。鉆機電控系統(tǒng)運行中，其中的部分系統(tǒng)對調(diào)速性能要求較低，如轉(zhuǎn)盤、泵等。此時便可考慮引入無速度傳感器矢量控制。需注意的是假若系統(tǒng)處于低速運行狀態(tài)，所獲取的速度測量值將不具備較高的準(zhǔn)確性，所以可考慮采取速度開環(huán)控制方式。或在明確系統(tǒng)調(diào)速范圍的基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的速度觀測模型對同步旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行判斷。由此可見，該系統(tǒng)盡管應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯，但實施中難度也較大，需在日后實踐研究中進(jìn)一步完善［3］。

3.石油鉆機電控系統(tǒng)中6SE70變頻器的應(yīng)用研究

3.1變頻器應(yīng)用原理分析

在6SE70變頻器應(yīng)用中，本身以矢量變量調(diào)速系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)具有軟件編程模塊化、硬件自由配置等優(yōu)勢。而且變頻器中本身裝有多處理器，對開環(huán)與閉環(huán)控制、復(fù)雜運算等都可起到明顯作用，能夠保證電控系統(tǒng)在動態(tài)控制、靜態(tài)控制上得以優(yōu)化，且參數(shù)控制精度也將得到提高。同時，從該變頻器中矢量控制軟件看，主要表現(xiàn)為：第一，在頻率控制方面利用V/F特性曲線實現(xiàn)。該方式應(yīng)用下無需將轉(zhuǎn)速值發(fā)送器設(shè)置其中，能夠滿足傳動同步運轉(zhuǎn)要求。第二，磁場定向閉環(huán)控制。該方式應(yīng)用下對高動態(tài)性能傳動系統(tǒng)較為適用，可直接對磁通電流分量、轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行推測并調(diào)節(jié)，一般可達(dá)到2.5KHz的調(diào)節(jié)頻率。由于6SE70變頻器應(yīng)用中無法從硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行變動，所以可考慮利用PI調(diào)節(jié)器替代原有的模糊控制器，這樣可使交流電機速度控制目標(biāo)得以實現(xiàn)。而其中的參數(shù)應(yīng)保證設(shè)置合理，如在輸入速度調(diào)節(jié)器方面，將32001ms作為積分時間功能參數(shù)，再如PI調(diào)節(jié)器增益參數(shù)，P315為1，而對于實際值連接量參數(shù)P222為0。通過這些參數(shù)的合理設(shè)置，使速度反饋環(huán)節(jié)、速度閉環(huán)控制等都可實現(xiàn)［4］。

3.26SE70變頻器的設(shè)計與具體應(yīng)用效果

以70DB鉆機電控系統(tǒng)為例，將變頻器引入，首先要求做好變頻器設(shè)計工作。其中主回路部分，要求變頻器在構(gòu)成上為逆變橋、可控整流橋，前者考慮將可關(guān)斷器件IGBT引入，而后者強調(diào)直流母線電壓的電壓由可控整流橋提供，其可整流50Hz交流電源，使直流電壓滿足直流母線運行要求。而在系統(tǒng)控制方面，要求將集成電路ASIC、遙控器、PWM觸發(fā)裝置以及微型控制器等融入其中。另外，在控制電路部分，可考慮通過CUVC矢量控制單元實現(xiàn)，并配合相關(guān)的輔助單元，使變頻器應(yīng)用效果得以提升。

為進(jìn)一步驗證變頻器應(yīng)用效果，假定在電機參數(shù)明確的基礎(chǔ)上，如額定功率因素為0.89、額定轉(zhuǎn)子頻率為37.5Hz、額定轉(zhuǎn)速為741r/min、額定電流與電壓分別為915A與950kw。此時對變頻器中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，如在磁通調(diào)節(jié)器方面，要求使轉(zhuǎn)子全磁通處于恒定狀態(tài)，使勵磁分量、轉(zhuǎn)矩分量都較為合理。同時，在速度調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器上進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計，其涉及的內(nèi)容集中表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計方面。通過鉆機絞車傳動系統(tǒng)中變頻器應(yīng)用情況看，定子電流在動態(tài)條件下得到調(diào)整，且其他區(qū)輸出電壓波形以及線電流波形都保持平穩(wěn)，充分說明變頻器應(yīng)用下可取得良好的控制效果。需注意的是，變頻器應(yīng)用過程中要求各參數(shù)的設(shè)計合理，如轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器等，這樣才能保證為鉆機電控系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

4.結(jié)論

變頻傳動技術(shù)的應(yīng)用是提高石油鉆機電控系統(tǒng)綜合性能的重要途徑。實際引入該技術(shù)中，應(yīng)正確認(rèn)識其基本原理與應(yīng)用優(yōu)勢，將矢量控制理論引入其中，在此基礎(chǔ)上做好矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文研究中主要以6SE70變頻器作為實例，通過分析發(fā)現(xiàn)，其在電控系統(tǒng)中的應(yīng)用可起到明顯效果，有利于控制系統(tǒng)運行效率的提升，且控制效果較好，因此，將變頻傳動技術(shù)引入，對推動鉆機電控系統(tǒng)的進(jìn)一步完善將起到突出作用。

［1］周驥.石油鉆機電氣控制系統(tǒng)功能優(yōu)化設(shè)計［D］.西安建筑科技大學(xué)，2014.

［2］于興軍，宋志剛，魏培靜，張潤松，曹振興，李慶福，樊勇利.國內(nèi)石油鉆機自動化技術(shù)現(xiàn)狀與建議［J］.石油機械，2014（11）：25-29.

［3］張莉莉.四川中曼電氣工程技術(shù)有限公司發(fā)展戰(zhàn)略研究［D］.西南交通大學(xué)，2011.

［4］李嶺.石油鉆機自動送鉆系統(tǒng)和模擬加載系統(tǒng)研究［D］.蘭州理工大學(xué)，2013.