基于變頻傳動技術在石油鉆機電控系統研究

川慶國際工程公司　吳科欣

基于變頻傳動技術在石油鉆機電控系統研究

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的綜合性能也提出較高的要求。然而以往電驅動鉆機控制中，所采用的多以直流傳動系統為主，其很難保證石油鉆機運行中保持較高的效率。通過實踐研究發現，將變頻傳動技術引入其中，可使這些問題得以解決。本文將對變頻調速的原理、6SE70矢量控制結構、石油鉆機電控系統中變頻器的應用進行探析。

石油鉆機電控系統；變頻傳動；應用

前言

作為集計算機控制技術、現代控制理論等于一體的技術，變頻調速以其自身的優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，是變頻器應用面臨的難題，極大程度上制約變頻傳動技術優勢的發揮。因此，本文對石油鉆機電控系統中變頻傳動技術的應用研究，具有十分重要的意義。

1.變頻調速原理分析

關于變頻調速技術，在研究中首先可從電機學中的相關公式極性分析，如：

其中n0、f與p分別表示為異步電動機轉速、電源頻率以及電機極對數。從該公式中可發現，在電源頻率調整的情況下可達到電機轉速控制的目標。而這一目標的實現也就是變頻調速技術應用的原理。從變頻傳動技術應用的優勢看，本身表現為靜態穩定性較好、運行效率高且調速范圍大等，如將通用變頻器設置于籠形異步電動機中，有利于系統可靠性的提升。從現行變頻調速的主要方法看，主要體現在基頻以下與基頻以上兩種變頻調速方式層面，前者應用中強調按轉差頻率對系統進行控制，將直流電機雙閉環系統中的優勢引入其中，對系統性能的提高可起到明顯作用。但需注意一旦系統磁通處于動態環境下，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，通過磁通的調解使調速得以實現，與直流電動機弱磁調速較為相近。將該技術引入到鉆機電控系統中，對系統綜合性能的提升可起到明顯作用［1］。

2.6SE70矢量控制系統結構研究

2.1矢量控制基本原理

由于現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，其在構成上主要以泥漿泵傳動、轉盤傳動以及絞車傳動等為主。以絞車傳動為例，其作為位勢性負載，要求保證電機四象限穩定運行，盡管無需考慮調速指標問題，但要求絞車位置合理。此時，矢量控制應用下，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。其中矢量控制的應用，可理解為對電機旋轉變換、控制器反變換器進行抵消，矢量控制中的動態性、靜態性等與直流調速系統的實現原理較為相近［2］。

2.26SE70矢量控制系統結構

在矢量控制理論應用下，本文主要選擇6SE70變頻器作為實例，其中可應用的矢量控制結構主要表現為兩方面，即：第一，有速度傳感器矢量控制系統。該系統應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。此時系統設計中各部分都需達到具體的功能要求，包括：①給定通道。利用數字通道、模擬電位器通道給定信號，并通過相應的比例因子調整，使正轉、反轉得以實現；②斜坡函數發生器。該裝置應用于傳動系統中，主要可對變加速度進行控制，避免因電動機運行中的轉矩突變而使系統受到沖擊，保證機械平穩運行；③速度傳感器。應用中主要通過A/D轉換模擬信號，使數字信號被獲取，在此基礎上由信號處理單元對數字信號進行處理；④磁通調節器。一般磁通調節器運用下，相似于速度調節器，主要通過PI控制算法實現轉矩電流、磁通的調節。

第二，無速度傳感器矢量控制系統的應用。鉆機電控系統運行中，其中的部分系統對調速性能要求較低，如轉盤、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處于低速運行狀態，所獲取的速度測量值將不具備較高的準確性，所以可考慮采取速度開環控制方式。或在明確系統調速范圍的基礎上，利用相應的速度觀測模型對同步旋轉速度進行判斷。由此可見，該系統盡管應用優勢較為明顯，但實施中難度也較大，需在日后實踐研究中進一步完善［3］。

3.石油鉆機電控系統中6SE70變頻器的應用研究

3.1變頻器應用原理分析

在6SE70變頻器應用中，本身以矢量變量調速系統為主，該系統具有軟件編程模塊化、硬件自由配置等優勢。而且變頻器中本身裝有多處理器，對開環與閉環控制、復雜運算等都可起到明顯作用，能夠保證電控系統在動態控制、靜態控制上得以優化，且參數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，主要表現為：第一，在頻率控制方面利用V/F特性曲線實現。該方式應用下無需將轉速值發送器設置其中，能夠滿足傳動同步運轉要求。第二，磁場定向閉環控制。該方式應用下對高動態性能傳動系統較為適用，可直接對磁通電流分量、轉矩電流分量進行推測并調節，一般可達到2.5KHz的調節頻率。由于6SE70變頻器應用中無法從硬件結構上進行變動，所以可考慮利用PI調節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得以實現。而其中的參數應保證設置合理，如在輸入速度調節器方面，將32001ms作為積分時間功能參數，再如PI調節器增益參數，P315為1，而對于實際值連接量參數P222為0。通過這些參數的合理設置，使速度反饋環節、速度閉環控制等都可實現［4］。

3.26SE70變頻器的設計與具體應用效果

以70DB鉆機電控系統為例，將變頻器引入，首先要求做好變頻器設計工作。其中主回路部分，要求變頻器在構成上為逆變橋、可控整流橋，前者考慮將可關斷器件IGBT引入，而后者強調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。而在系統控制方面，要求將集成電路ASIC、遙控器、PWM觸發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，并配合相關的輔助單元，使變頻器應用效果得以提升。

為進一步驗證變頻器應用效果，假定在電機參數明確的基礎上，如額定功率因素為0.89、額定轉子頻率為37.5Hz、額定轉速為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參數進行設計，如在磁通調節器方面，要求使轉子全磁通處于恒定狀態，使勵磁分量、轉矩分量都較為合理。同時，在速度調節器、轉矩電流調節器上進行參數的設計，其涉及的內容集中表現在轉矩電流環、轉速環設計方面。通過鉆機絞車傳動系統中變頻器應用情況看，定子電流在動態條件下得到調整，且其他區輸出電壓波形以及線電流波形都保持平穩，充分說明變頻器應用下可取得良好的控制效果。需注意的是，變頻器應用過程中要求各參數的設計合理，如轉矩電流調節器、速度調節器等，這樣才能保證為鉆機電控系統的應用提供技術支撐。

4.結論

變頻傳動技術的應用是提高石油鉆機電控系統綜合性能的重要途徑。實際引入該技術中，應正確認識其基本原理與應用優勢，將矢量控制理論引入其中，在此基礎上做好矢量控制系統的設計。本文研究中主要以6SE70變頻器作為實例，通過分析發現，其在電控系統中的應用可起到明顯效果，有利于控制系統運行效率的提升，且控制效果較好，因此，將變頻傳動技術引入，對推動鉆機電控系統的進一步完善將起到突出作用。

［1］周驥.石油鉆機電氣控制系統功能優化設計［D］.西安建筑科技大學，2014.

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

［3］張莉莉.四川中曼電氣工程技術有限公司發展戰略研究［D］.西南交通大學，2011.

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