交流變頻鉆機絞車雙電機同步問題分析

耿 凱，劉志銳

（中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300270）

交流變頻鉆機絞車雙電機同步問題分析

耿 凱，劉志銳

（中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300270）

由具備主從通訊功能 （RDCO通訊模塊）的ABB變頻器可組建雙電機甚至多電機變頻調速同步系統，這種同步系統大大簡化了結構，降低了成本。文章在論述了雙電機同步控制系統對硬件的基本要求及變頻鉆機絞車主從控制的實現方法的基礎上，分析了絞車雙電機同步調速的實現方式及其在現場應用中應注意的事項，并對常見的同步故障排除方法進行了總結。

變頻鉆機；主從控制；同步系統

1 雙電機同步拖動系統工作原理

在變頻鉆機絞車控制系統中引入了主從控制模式，擬將M1變頻電動機作為主電機 （Master），M2變頻電動機作為從電機 （Follower）。對電機M1采取速度控制，由手柄進行速度給定，電機M1編碼器提供速度反饋信號，形成閉路控制；而對電機M2采取轉矩控制，電機M1的轉矩輸出作為電機M2的轉矩 （電流）給定，并與電機M2變頻器輸出的實際轉矩進行比較，若實際轉矩低于給定轉矩，則升速，反之，則減速。這樣當電機M1的給定速度增大時，其負載轉矩將增大，同時電機M1將增大了的轉矩值傳給從動電機M2，則電機M2的給定轉矩大于實際測得的轉矩，電機M2將在很短的時間內升速，直到其轉矩與給定轉矩平衡，這樣兩電機間的線速度和轉矩就可以達到實時的平衡。

2 變頻鉆機絞車主從控制的實現

2.1 主從控制硬件的構成

變頻鉆機采用主從控制，理論上可以解決同步信號傳動的問題，但要在現場應用中實現，還要克服一些關鍵技術問題。其一就是如何把主傳動的轉矩信號高速而精確地傳送到從傳動變頻器，實現方法因產品規格型號不同會有所差別，且與各種場合中傳動控制精度的要求有關。下面以中油海鉆井平臺為例進行分析：在絞車傳動系統中采用了ABB公司的ACS-800-107變頻器，且采用其 “主從控制”方式，在控制絞車電機的兩變頻器之間引入了內部SIMOLINK網絡，SIMOLINK通訊接口可實現兩個 （或多個）傳動設備之間數據的快速、準確的交換，其通訊板RDCO板可以直接插在ACS-800-107變頻器的RMIO控制板的擴展槽上，然后通過光纖連接成閉合環形回路。在主從控制應用中把主傳動的RDCO板設置成主站，另外的設置成從站，主從傳動的速度或轉矩分配由主/從站的變頻器參數設置來完成。

2.2 SIMOLINK控制網絡的特點

SIMOLINK （Siemens Motion Link） 是以光纖電纜為傳輸介質的通訊方式，其特點是響應速度快，抗干擾能力強，在每一個周期內依靠其精確的時間間隔和無偏差的同步功能，使所連接的變頻器在極快的數據傳輸中保持高性能的適時性和同步性，SIMOLINK有11 Mbit/s的數據傳輸速率，可以傳輸32位的數據，總線循環周期為0.2～6.5 ms。在主從控制中通過SIMOLINK通訊方式可以使得兩臺電機的控制精度和響應速度方面都達到很高的同步，這樣就能夠很好地實現絞車主令電機 （Master）和從動電機 （Follower）間控制信號和轉矩的傳遞，給絞車電機同步系統提供了有力保障。

2.3 ABB通訊模式

ABB控制系統工作原理示意見圖1，圖1顯示了通訊模塊RDCO屬于可選插接件，更換維護很便利。

由RDCO通訊連接示意圖 （見圖2）可以看出主從兩個通訊模塊采取的是主發連接從接，從發連接主接的方式。對于兩個以上的傳動通訊連接則采取主發從1接、從1發從2接、從2發從3接……從N發主接的閉環形式。

2.4 絞車電機主從控制同步啟停的實現

同步啟停是在變頻器接收到外部控制系統發出的啟動或者停機信號后，主從控制網內的變頻器進行同步啟動或者停機的動作。同步啟停在無主從控制功能的變頻器多機隨動中是無法實現的，而絞車主從控制系統則針對鉆井工況中絞車負載變化幅度大和節能等的要求，在主從控制系統中分別設置了絞車A（電機M1）驅動方式、絞車B（電機M2）驅動方式和絞車AB共同驅動方式（主從控制模式）。前兩種方式中的兩變頻器為單獨的速度閉環控制方式，而雙電機驅動方式則為主從控制方式通過電氣控制系統直接設定電機A為主令電機，電機B為從動電機，控制系統有啟動或者停機指令就通過PROFIBUS總線發送過來，并首先給主令變頻器，變頻器接收到信號后立即執行該指令，并同時把相應的指令通過SIMOLINK以高速通訊的方式傳送給從令變頻器的啟停控制字，使得主從變頻器同時啟動或者停機。同時主令變頻器將輸出轉矩傳遞給從動（Slave）變頻器，從而使主從控制達到同步的要求。

2.5 參數設置

ABB變頻器的主從控制參數設置分別在主從變頻器上完成，見表1。

表1 主從控制參數的設置

另外為確保正確的從機負載分配，從機的速度極限20.1&20.2必須設置為高于主機69.1 SPEED SCALING參數值的5%。

3 雙電機同步系統對硬件的基本要求

3.1 交流變頻電機的配對

在主從控制系統中選取相同型號、規格的變頻電機是必要的。但是同一型號、規格的變頻電機在生產過程中，由于各種因素的影響，最終生產出的電動機負載特性曲線 （電流—轉速特性）不可能完全一致，即兩臺電動機的負載特性會存在差異。

在同一轉速情況下運轉，特性較軟的電動機擔負的負荷要比特性較硬的電動機少一些。為此應該選取轉差率誤差較小的電動機作為主電機，這樣就可以把不平衡負載的誤差程度減到最小，達到合理的程度。

3.2 變頻器的配對

必須選取同型號的變頻器，同時還要保證兩變頻器從同一個母排上取電。我們都知道變頻調速裝置中廣泛應用了全數字技術的模塊通用產品，因此它本身在一定程度上就達到精確配合。此外我們在變頻器的訂貨之初，就可以要求供貨方在生產和出廠調試中注意這些問題，讓其針對多電機拖動的負荷平衡問題提供一些有力的技術保障，以免給后期的系統設計和運行留下隱患。

3.3 編碼器的配對和安裝

編碼器作為雙電機絞車系統中的速度反饋信號發生器，在變頻器輸出校正上起著至關重要的作用，對它的選型除了滿足同型號、規格外，還應該在安裝時注意以下幾點，且編碼器信號連接線的走向也必須符合要求，見圖3。

（1）編碼器信號線應與動力線分開走線。由于變頻器等設備會產生大量的高次諧波，會對編碼器輸出的信號造成干擾，為減少模擬量受來自變頻器和其他設備的干擾，應將信號線與強電回路分開走線，距離應在30 cm以上。

（2）編碼器信號線應使用多芯屏蔽線，在插接件焊接時要保證屏蔽層可靠接地，以防止屏蔽線與其他設備接觸，引入干擾。

（3）編碼器線纜對接應確保其雙絞芯線的特性，不同組別的雙絞線不要交叉，以保證線纜內部信號的有效傳輸。

（4）編碼器與被測電機輸出軸間的連接應采用彈性軟連接，不能采用剛性連接，以避免因電機軸的串動、跳動而造成編碼器軸系、碼盤的損壞，以及引起反饋信號的抖動，從而使同步系統失穩。

（5）保證支撐座牢固，誤差較小。編碼器聯軸器應安裝牢固，其軸應與被測電機主軸保持同心，誤差不能過大。

4 絞車常見的同步故障及排除

4.1 兩臺變頻器功率分配不均問題

（1）參數設置導致的故障。檢查從傳動的70.03功率分配參數是否為100%，還有其從機的速度極限20.1&20.2是否設置為高于主機69.1 SPEED SCALING參數值的5%。

（2）外圍硬線虛接或短路導致的故障。在單電機控制模式下，從電機參數99.11（用戶宏）應為user1 load(用戶宏1)，70.08（通道CH2可以用來將給定轉矩從主傳動系統發送到從傳動系統）應為Not in use，26.01（扭矩選擇）應為speed（速度）。在雙電機控制模式下，99.11應為user2 load，70.08應為follower（跟隨），26.01應為Torque（扭矩），兩種狀態是通過高電平觸發宏切換的方式實現的。當絞車手柄的相應接線發生虛接或斷路時，不會產生相應的高電平信號對宏切換進行觸發，導致在雙電機使用模式下從電機沒有切換到從控制模式，從而造成電機不能同步，出現功率分配不均的現象。

4.2 編碼器導致的同步問題

（1）編碼器安裝導致的同步故障。編碼器屬于精密旋轉測量器件，兩絞車電機安裝不到位肯定會產生同步問題，因此當出現雙電機不同步時首先要檢查編碼器安裝是否符合要求。

（2）編碼器損毀導致的同步故障。如果雙變頻器中一臺報故障的話，肯定會導致雙電機不同步或者減速箱發出異響，這時就應該更換編碼器，并嚴格按照以上敘述的編碼器安裝要求進行安裝和調試。

4.3 變頻器參數設置導致的故障

對于同步控制中的兩臺變頻器，除了與主從控制有關的一些參數外，其余參數設置應保持基本一致，特別是雙電機優化中一定要注意基本參數的設置，否則同步控制中的兩電機如有一臺優化不良就會出現一臺負荷較大、另一臺負荷較小的情況，系統同樣也會出現同步問題而發生異響。這時只要將兩電機恢復出廠設置，重新優化，且保證參數設置一致后就能正常運行。

5 結束語

實踐表明，由具備主從通訊功能 （RDCO通訊模塊）的ABB變頻器可組建雙電機甚至多電機變頻調速同步系統，且這種同步系統大大簡化了結構，降低了成本，滿足了鉆井設備對可靠性的要求。

Analysis on Synchronization Problem of Drawworks Double Electric Motors in AC Variable Frequency Drilling Machine

LIU Zhi-rui（Drilling Division of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300270,China）,GENG Kai

ABB frequency converter possessing principal and subordinate communication capability can be used to construct variable frequency speed-control synchronization system with double electric motors even multi electric motors.Such synchronization system has the advantages of simplified configuration and low cost.This paper discusses the basic requirements of synchronization control system with double electric motors for hardware and the implementation method of drawworks principal and subordinate control of variable frequency drilling machine,analyzes further the synchronization speed-control method for drawworks double electric motors,puts forward the matters needing attention in field application,and summarizes the elimination method of synchronization faults.

variable frequency drilling machine;principal and subordinate control；synchronization

TE933

B

1001－2206（2011）增刊－0031－04

耿 凱 （1983-），男，山東廣饒人，工程師，2006年畢業于河北工業大學，現從事設備管理工作。

2011-08-23