石油鉆井電機間接矢量控制策略研究

李治鋼

(川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司，成都 610051)

石油鉆井電機間接矢量控制策略研究

李治鋼

(川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司，成都 610051)

為提高石油鉆井電機調速系統的動態響應特性，提出了一種采用異步電動機模型的石油鉆井電機間接矢量控制策略。該策略的鉆井電機轉子角頻率通過類轉差頻率控制方法求得，直接通過磁鏈指令對勵磁電流進行計算，不需要磁鏈觀察便可獲取新的轉矩和轉速，能夠較好地實現石油鉆井電機的轉速和轉矩的跟蹤控制。并在Matlab/Simulink環境中建立仿真模型，驗證了所提方法的可行性和有效性。

石油鉆機；電動機；間接矢量控制；仿真

石油鉆機是一種應用于石油勘探和開發的鉆井設備，根據鉆機的驅動特性，石油鉆機可分為機械驅動鉆機和電驅動鉆機，其中電驅動鉆機較機械驅動型的而言，具有優異的調速性能、更強的可靠性、更低的故障率以及更高的經濟型，并且操作方便靈活，自動化程度高，因此在石油鉆井行業得到了更為廣泛的關注和應用[1-2]。隨著數字控制系統的快速發展，給石油鉆機的自動控制調速系統的完善提供了一定的實現途徑[3-4]。石油勘探和開采的過程中，自動送鉆需根據設定的速度來自動的送鉆，此種方式能夠較好地應用于穩定底層及速度較高的鉆井工藝。因此，在送鉆的過程中應保持恒速送鉆，當地層阻力發生波動時，鉆機的轉矩會相應的發生一定的波動，必須保證鉆機的轉速能夠維持在恒定轉速運行[5-7]，這就對鉆機控制系統提出了更高的要求。如何實現鉆機恒定鉆壓和恒定轉速運行是高性能調速系統值得探討的問題。

本文提出了一種應用于石油鉆井電機的間接矢量控制策略，該策略在坐標變換的基礎上建立異步電動機的動態解耦數學模型，直接通過磁鏈指令對勵磁電流進行計算，不需要磁鏈觀察便可獲取新的轉矩和轉速，能夠快速地跟蹤轉速和轉矩參考值的變化。

1 石油鉆井電機數學模型

本文采用的用于石油鉆井的電機是交流異步電機，交流異步電機是一個具有多變量的高階非線性系統。在建立石油鉆井電機的數學模型時，為便于分析，做以下假設：

1) 不計磁飽和所帶來的影響。

2) 電動機的定子和轉子的三相繞組是對稱的，磁動勢呈現正弦分布。

3) 不考慮渦流損耗和磁滯飽和。

一般情況下，交流異步電動機的數學方程主要有電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程以及運動方程[8-9]。根據坐標變換，異步電動機的數學模型在旋轉坐標系下可表示為：

電壓方程

(1)

磁鏈方程

(2)

轉矩方程

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

運動方程

(4)

式(1)至式(4)中，usd、usq和urd、urq分別是定子三相電壓和轉子三相電壓在旋轉坐標軸的分量；isd、isq和ird、irq分別是定子三相電流和轉子三相電流在旋轉坐標軸的分量；Rs和Rr分別是定子電阻和轉子電阻；Ls、Lr、Lm分別是定子的電感、轉子的電感以及定子轉子互感；ωs、ω、ωs1分別是電機的同步轉速、轉子的轉速和轉差；ψsd、ψsq和ψrd、ψrq分別是定子和轉子在旋轉坐標軸的磁鏈分量；np是極對數；J是系統的轉動慣量；Te和TL分別是電磁轉矩和負載轉矩；p是微分算子。

2 石油鉆井電機間接矢量控制策略

針對石油鉆井電機，在其旋轉坐標軸下的數學模型中，并沒有規定電動機的旋轉磁場與規定坐標系的相對位置，令轉子磁鏈矢量的ψr與坐標系的d軸相重合，那么得到的旋轉坐標軸即是和轉子磁場定向的。又因為d軸和q軸是互相垂直的，則可以得到：

ψrd=|ψr|
ψrq=0

(5)

其中：

(6)

由式(6)可知，轉子的磁鏈只與d軸的定子電流相關聯，所以isd又可定義為定子電流的勵磁電流。當isd發生突變時，勵磁的慣性會對轉子磁鏈的變化產生一定的阻止作用。當系統處于穩定狀態時，有：

ψrd=Lmisd

(7)

將式(5)代入式(3)可得：

(8)

由式(8)可知，轉子磁場的定向能夠使定子電流的勵磁分量和轉矩分量實現解耦，轉子磁鏈是由勵磁電流isd所產生的，和轉矩電流isq沒有直接關系。但是，轉矩仍是和轉矩電流以及轉子磁鏈存在耦合關系。假設轉子磁鏈保持不變，石油鉆井電機的電磁轉矩僅僅是由轉矩電流進行控制，并且呈現線性的關系，所以轉子磁鏈的定向控制目標是勵磁電流，以保證恒定的轉子磁鏈，而電磁轉矩的控制是通過對轉矩電流的控制而實現的。電磁轉矩實現解耦的前提是得到轉子磁鏈矢量的幅值以及相角，但是磁鏈的觀測具有較大的困難。通常，磁鏈的觀測是通過狀態觀測器的構造和模型計算方法來實現，該類方法都缺少誤差校正功能，具有較差的效果。

根據式(6)的轉差頻率表達式可實現一種石油鉆井電機間接矢量控制，該方法通過定子電流環來實現電流在dq坐標下的無靜差跟蹤。在實際工程當中，實際值用各物理量的參考值來代替。則轉差角頻率的參考值為：

(9)

石油鉆井電機的間接矢量控制結構框圖如圖1所示。控制電路的組成部分主要包括轉速以及磁鏈的兩個解耦環節，控制環路采用的是內外環雙環控制結構，其中外環的控制目標是轉速和磁鏈，內環的控制目標是轉矩電流以及勵磁電流。轉矩電流的參考值是由轉速的參考值與實時反饋的轉速作差并經過調節器得出，其中ASR采用的是PI調節器，ACR采用的是電流滯環控制器；而勵磁電流的參考值則是根據磁鏈的指令進行計算所得到；將該兩類電流的計算值和參考值分別作差得到對應的兩類參考電壓，再經過2/3坐標變換得到逆變器的脈沖觸發控制信號。反饋環節只要是將輸出電壓經過坐標變換生成對應的isd以及轉矩電流isq。

相對于傳統的異步電機直接矢量控制方法而言，文中所提的間接矢量控制策略具有更為明顯的優勢，采用類似轉差率控制方法來獲取電機的轉子角頻率，結合所需的轉矩即可得到轉差角頻率，不需要對磁鏈進行觀察就能夠使電機轉矩和轉速的指令進行實時的更新切換。

圖1 間接矢量控制框圖

3 仿真驗證

為驗證提出的石油鉆井電機間接矢量控制策略具有優異的調節性能，根據圖1的基本原理，在Matlab/SimulinK環境下建立了間接矢量控制的仿真模型。具體參數如下：三相交流電幅值和頻率分別為380V、50Hz，定子電阻Rs=0.087Ω，定子漏感Ls=0.8mH，轉子電阻Rr=0.025Ω，轉子漏感Lr=2mH，電機的互感Lm=34.7mH。

設定仿真的石油鉆井電機從t=0s開始啟動，輸出轉速設為1 420r/min，在t=0.5s時轉速給定值為1 200r/min，整個仿真的時間為1s。仿真結果如圖2～5所示。

圖2是鉆井電機的轉速響應曲線，從圖中可知：石油鉆井電機在啟動時逐漸達到給定的轉速值，達到穩定運行所需時間不到0.1s，幾乎不存在超調量；在t=0.5s時，轉速的給定值由1 420r/min變為1 200r/min，經過不到0.1s的時間最終能夠穩定在1 200r/min，并且也不存在超調量，整個啟動和調速過程都具有良好的動態調節特性和穩態特性。

圖3～4分別是電機的定子三相電流和逆變器的輸出方波電壓曲線，仿真結果進一步說明了間接矢量控制策略的良好動態調節特性，暫態和穩態特性較優。

圖5是電機的磁鏈軌跡曲線圖，雖然控制系統的磁鏈是開環控制，但是采用了滯環控制，仍具有良好的電流跟蹤特性，使電機的磁鏈軌跡呈現規則的圓形，有效保證了恒磁通控制。

圖2 石油鉆井電機轉速

圖3 石油鉆井電機定子三相電流

圖4 石油鉆井電機逆變器的輸出電壓

圖5 石油鉆井電機定子磁鏈軌跡

4 結論

為提高石油鉆井電動機的輸出轉矩和轉速的平穩性，提出了一種間接矢量控制策略。在電動機的穩態數學模型基礎上，利用Park坐標變換求出其在旋轉坐標下的數學模型，分別闡述了電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程以及運動方程。分析了間接矢量控制的基本原理。在Matlab/Simulink環境中建立了仿真模型并進行測試。結果表明：所提出的間接矢量控制策略能夠有效地控制瞬時轉矩，電機的轉速能夠快速跟隨參考值的變化，具有優異的穩定性和動態調節特性。

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Research on Indirect Vector Control Strategy of Oil Drilling Motor

LI Zhigang

(Chuanxi Drilling Company，CCDC，Chengdu 610051，China)

In order to improve the dynamic response characteristics of oil drilling motor speed control system，an indirect vector control strategy based on asynchronous motor model is proposed in this paper.In this method，the rotor angular frequency is obtained by means of the frequency difference control method，the excitation current is calculated directly by the flux linkage，and the new torque and speed can be obtained without flux observation，which can realize the tracking control of the speed and torque of the oil rig.Finally，the simulation model is established in Matlab/Simulink environment，which verifies the feasibility and effectiveness of the proposed method.

oil drilling rig；motor；indirect vector control；simulation

1001-3482(2017)04-0008-04

2017-01-14

李治鋼(1986-)，男，四川資中人，工程師，主要從事石油鉆井電氣自動化研究。

TE924

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.003