6RA80在直流鉆機(jī)中的應(yīng)用研究

張立佳，韓國英，趙 文，朱奇先

（1.西部鉆探工程有限公司準(zhǔn)東鉆井公司，新疆準(zhǔn)東831511；2.中石油渤海鉆探第五鉆井公司，河北河間062450；3.中石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘062552；4.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020）

1 引言

直流鉆機(jī)是石油天然氣成套鉆探裝備中的一種，按照石油行業(yè)的約定，主要指鉆探設(shè)備的絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵由通過電氣變速的直流串勵(lì)電機(jī)拖動(dòng)的一類鉆機(jī)[1]。與他勵(lì)直流電機(jī)相比，串勵(lì)電機(jī)的調(diào)速控制稍微復(fù)雜一些。本文主要論述串勵(lì)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)際速度的獲取方法，以供鉆機(jī)電控系統(tǒng)成套商參考和探討。

2 6RA80

6RA80是西門子SINANICS DCM直流調(diào)速裝置系列的簡稱[2]，為高性能通用型電氣調(diào)速裝置，具備基礎(chǔ)的調(diào)速控制功能和可選功能模塊，提供用戶二次開發(fā)接口，尤其適合他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速控制。

3 控制結(jié)構(gòu)

圖1 以6RA80為基礎(chǔ)的串勵(lì)電機(jī)簡化控制結(jié)構(gòu)

圖2 以6RA80為基礎(chǔ)的他勵(lì)電機(jī)簡化控制結(jié)構(gòu)

無論是絞車、轉(zhuǎn)盤還是泥漿泵，其電氣的調(diào)速控制結(jié)構(gòu)基本上是一致的，為恒轉(zhuǎn)矩、雙閉環(huán)、負(fù)反饋、無靜差串級形式[3]。以6RA80為基礎(chǔ)的串勵(lì)電機(jī)簡化控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，與他勵(lì)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2相比，略有差別。其中，速度給定來自司鉆，RFG為給定積分器，ST、LT為速度和扭矩的PI控制器，A1為三相全控變流橋的傳遞函數(shù)，A2電樞繞組的傳遞函數(shù)，A3為電樞繞組從電流到反電勢的傳遞函數(shù)，A4為電機(jī)從反電勢到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)；A5為速度的反饋濾波傳遞函數(shù)，A6為除法器，A7為模擬磁通曲線，Is為負(fù)載扭矩對應(yīng)的電流，Es為電樞的反電勢。

4 鉆機(jī)要求

直流鉆機(jī)的要求很多，本文討論與電控系統(tǒng)有關(guān)的主要方面。首先是運(yùn)行于野外露天環(huán)境下，因此要求拖動(dòng)電機(jī)上要盡量少用對溫度、防護(hù)、安裝等有較高要求的微電子器件，如測速編碼器等；其次是拆裝頻繁，因此要盡量減少拆裝部件的數(shù)量，對于電氣方面，最好是拆裝方便、簡單；第三是要求絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵按照工藝要求能變速、穩(wěn)速，但對變速的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)要求并不；第四是一旦開始作業(yè)，中間基本上不允許停機(jī)，因此對運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性要求非常高。根據(jù)以上特點(diǎn)，直流鉆機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造時(shí)，一般采用準(zhǔn)速度負(fù)反饋控制策略，不采用容易故障的測速編碼器來獲取實(shí)際轉(zhuǎn)速。

5 轉(zhuǎn)速獲取

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n與輸入電壓Ua之間的關(guān)系為：

其中Ea為電樞的反電勢，Ia為流過電樞的電流，Ra為電樞回路電阻，Ce為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，φ為定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁通。由于鉆機(jī)對變速的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)要求不高，不追求設(shè)定速度和實(shí)際速度的精確一致，允許兩者之間存在一定范圍的誤差，電樞電阻Ra較小，因此可忽略，這樣上式可近似為：

對于他勵(lì)電機(jī)，φ為常數(shù)，Ua為調(diào)速裝置的輸出電壓，容易測量，可間接反映實(shí)際速度n，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)非常簡單并且可靠；對于串勵(lì)電機(jī)，勵(lì)磁和電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流就是電樞電流，氣隙磁通B（φ）-H（I）隨非線性由兩者共同作用而產(chǎn)生，φ不易測量并且隨著負(fù)載的變化而變化，因此不能用上述方法來獲取速度反饋信號。根據(jù)上面速度的近似表達(dá)式，為獲取速度反饋信號，需要Ua和Ia信號，并且兩者做除法運(yùn)算，Ua的獲取與上相同，φ的獲取需要根據(jù)電機(jī)的產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)或者實(shí)際測量相關(guān)參數(shù)后提前逐點(diǎn)計(jì)算并存儲，做除法運(yùn)算時(shí)根據(jù)電流點(diǎn)的數(shù)值調(diào)取。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的方法很多，在6RA80中可使用x-y曲線功能軟件模塊，其中x為輸入，y為輸出。使用時(shí)以電機(jī)的電流Ia作為輸入x，對應(yīng)的輸出y作為磁通Ia，根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)選取10個(gè)或者更多的x、y點(diǎn)作為電流-磁通曲線的參考點(diǎn)，當(dāng)實(shí)際輸入在兩點(diǎn)之間時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)按兩點(diǎn)的數(shù)值線性處理。獲取磁通φ后，再應(yīng)用軟件功能模塊除法器計(jì)算即可得到控制所需的轉(zhuǎn)子反饋速度。

6 注意事項(xiàng)

使用軟件功能做磁通模擬曲線和除法運(yùn)算時(shí)，需要特別注意兩個(gè)事項(xiàng)。一是在零電流輸入時(shí)，磁通不能為零輸出，這是因?yàn)樽鳛榇磐ǖ某龜?shù)不能為零，至于輸出為多少合適，需要根據(jù)拖動(dòng)對象的要求決定，比如泥漿泵可以高一些，絞車和轉(zhuǎn)盤可以低一些。無論數(shù)值高低，都將造成速度調(diào)節(jié)器的死區(qū)、失控等其他問題出現(xiàn)，需要另行處理；二是除法器對除數(shù)和被除數(shù)的類型有要求，在鉆機(jī)中應(yīng)用時(shí)，以實(shí)數(shù)型輸入最為合適、簡單，但x-y曲線的輸入、輸出以及除數(shù)的Ua均以16384的相對數(shù)出現(xiàn)，傳遞到除法器時(shí)內(nèi)部自動(dòng)轉(zhuǎn)換成了實(shí)數(shù)且不能更改，相當(dāng)于縮小了100倍。當(dāng)實(shí)際磁通和電樞電壓變化較小時(shí)，比如2%或5%，反映到除數(shù)、被除數(shù)只有0.02或者0.05，由于數(shù)據(jù)類型及運(yùn)算精度的原因，對此無法分別，因此計(jì)算出的實(shí)際速度誤差在小范圍內(nèi)很大，將造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)大、振蕩周期長、穩(wěn)定運(yùn)行困難、遇到負(fù)載變化時(shí)，調(diào)節(jié)過程漫長甚至振蕩等問題，因此，在數(shù)據(jù)進(jìn)入除法器前需要對除數(shù)φ、被除數(shù)Ua預(yù)先做特殊處理。

7 結(jié)束語

鉆機(jī)電控系統(tǒng)數(shù)字化是大勢所趨，以軟件功能比較齊全、二次開發(fā)比較靈活、可靠性穩(wěn)定性先進(jìn)性比較高的6RA80為基礎(chǔ)構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)，是數(shù)字化時(shí)比較理想的選擇。但在串勵(lì)電機(jī)控制過程中，不能直接簡單的使用提供的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)，特別是涉及速度反饋信號的獲取環(huán)節(jié)，需要根據(jù)鉆機(jī)的特殊要求預(yù)先處理相關(guān)數(shù)據(jù)才能達(dá)到目的。經(jīng)過一系列特殊處理后，以6RA80為核心的直流鉆機(jī)電控系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，與上位數(shù)字化系統(tǒng)的接口簡單，數(shù)據(jù)寫入、取出、傳輸安全迅速，可方便、可靠的進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；各種操作保護(hù)、自身檢測保護(hù)齊全完備，電控系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，用戶使用比較滿意。