直流鉆機(jī)串勵(lì)調(diào)速的控制研究

李永紅，王玉明，朱奇先

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆井公司，重慶 400021；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

由于直流串勵(lì)電機(jī)低速大扭矩、軟特性以及無(wú)勵(lì)磁裝置等特點(diǎn)，尤其適合于勘探行業(yè)的地質(zhì)負(fù)載特性和節(jié)省控制裝置體積的要求，因此在石油鉆采的裝備制造行業(yè)得到了大量應(yīng)用。本文根據(jù)勘探四號(hào)7000m直流鉆機(jī)絞車的拖動(dòng)要求，基于SINAMICS DCM整流裝置，研究串勵(lì)電機(jī)的調(diào)速控制，以供同行參考和探討。

1 拖動(dòng)要求

直流鉆機(jī)的絞車拖動(dòng)包括電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（法蘭，齒輪）、離合器、鏈條、滾筒、鋼絲繩、游動(dòng)機(jī)構(gòu)（滑輪組，大鉤）等單元［1］，拖動(dòng)要求很多［2］。絞車拖動(dòng)示意圖如圖1所示。空載鉤速階躍響應(yīng)曲線圖如圖2所示，空載鉤速階躍響應(yīng)指標(biāo)如表1所示。

表1 空載鉤速階躍響應(yīng)指標(biāo)

圖1 絞車拖動(dòng)示意圖

圖2 鉤速階躍響應(yīng)曲線圖

2 SINAMICS DCM

SINAMICS DCM為西門子的直流調(diào)速整流器系列，有多種規(guī)格可供選用。每種規(guī)格都具有標(biāo)準(zhǔn)的扭矩、速度雙環(huán)數(shù)字控制軟件，使用者可根據(jù)需要構(gòu)成特定的控制結(jié)構(gòu)，詳細(xì)信息參見《SIEMENS直流調(diào)速整流器參數(shù)手冊(cè)》［3］。

3 調(diào)速控制

3.1 控制結(jié)構(gòu)

基于SINAMICS DCM數(shù)字軟件的特點(diǎn)，構(gòu)成的串勵(lì)變磁通調(diào)速控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，常規(guī)他勵(lì)恒磁通調(diào)速控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 串勵(lì)變磁通調(diào)速控制結(jié)構(gòu)

圖4 他勵(lì)恒磁通調(diào)速控制結(jié)構(gòu)

圖中，RFG為積分器，ST為速度控制器，LT為扭矩控制器，A1為晶閘管三相橋式變流器，A2為電樞電路，A3為電流／反電勢(shì)變換環(huán)節(jié)，A4為反電勢(shì)／轉(zhuǎn)子速度變換環(huán)節(jié)，A5為濾波器，A6為除法器，A7為磁通模擬器。

3.2 參數(shù)特點(diǎn)

（1）變磁通

由于串勵(lì)機(jī)電樞與勵(lì)磁電流相同且隨負(fù)載變化，磁通隨電流按鐵芯特性非線性變化，因此，不同負(fù)載以及同一負(fù)載的加減速階段變化，使磁通幾乎處于連續(xù)變化中。

（2）變慣量

由于低檔、高檔、低速、高速時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比不同，因此在同一鉤載不同檔、速組合以及同一檔、速組合不同鉤載時(shí)，折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量不同，在鉆井整個(gè)工作過(guò)程中，總慣量在較大范圍幾乎連續(xù)變化。

（3）變參數(shù)

3.3 速度反饋

由圖1和圖2可見，不同于常規(guī)從電機(jī)轉(zhuǎn)子軸測(cè)量方式，本構(gòu)成是通過(guò)磁通模擬和除法運(yùn)算環(huán)節(jié)間接獲取速度反饋，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高、成本較低，缺點(diǎn)是實(shí)際和計(jì)算速度之間在時(shí)間配合上比較復(fù)雜、空載高速時(shí)容易振蕩，對(duì)于要求較高的鉆機(jī)，需要設(shè)置能耗制動(dòng)環(huán)節(jié)。

3.4 扭矩反饋

對(duì)于串勵(lì)電機(jī)，在額定磁通以下，輸出扭矩與電流或磁通的平方成正比，但在圖1的控制結(jié)構(gòu)配置中，不同于常規(guī)，采用電流的一次方作為扭矩反饋，其缺點(diǎn)是與實(shí)際扭矩有誤差，容易振蕩，優(yōu)點(diǎn)是避免了平方運(yùn)算的時(shí)間滯后，適合于扭矩環(huán)的快速性。由于扭矩屬于中間變量，其誤差通過(guò)扭矩環(huán)的無(wú)差調(diào)節(jié)能夠跟隨負(fù)載，不影響速度控制指標(biāo)。

4 調(diào)試注意

4.1 扭矩環(huán)

在圖2和表1中，要求速度的振蕩數(shù)不能超過(guò)1次，這是為了排除控制裝置因素后，根據(jù)后續(xù)振蕩及時(shí)準(zhǔn)確判斷井下油、汽的情況，以確保鉆井的安全。由于速度為扭矩的積分，扭矩單調(diào)上升響應(yīng)時(shí)，速度即可滿足要求，因此，內(nèi)環(huán)應(yīng)表現(xiàn)為典型I型［4］系統(tǒng)，簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)見圖5，圖中Ki為扭矩調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)，τi為其時(shí)間常數(shù)，電樞回路時(shí)間常數(shù)Tl＝L／R，L為包括電纜、電機(jī)勵(lì)磁繞組、換向繞組、電樞繞組在內(nèi)的總電感，TS為包括運(yùn)算、濾波在內(nèi)的總時(shí)間常數(shù)，應(yīng)調(diào)整參數(shù)盡量使Tl＝τi。

圖5 簡(jiǎn)化后的內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

4.2 磁通器

由于反饋速度通過(guò)除法器計(jì)算獲取，因此作為除數(shù)的模擬磁在負(fù)載電流從0～5%時(shí)，須具有一定的數(shù)值，例如恒定為5%，同時(shí)通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娏髋c整流電壓輸入到發(fā)生器的濾波時(shí)間，以保證計(jì)算與實(shí)際速度的變化同步。

4.3 速度環(huán)

將扭矩內(nèi)環(huán)等效簡(jiǎn)化后并考慮計(jì)算速度的滯后效應(yīng)，得到速度環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)見圖6，圖中TN＝2Ts。

圖6 速度環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的表現(xiàn)取決于ST的配置。根據(jù)絞車操作工藝，在貓頭速度掛擋加載時(shí)，無(wú)論鉆具輕重，鉤載速度V＞0，考慮串勵(lì)機(jī)加載降速的固有軟特性影響，為保證V＞0要求，則ST須配為比例積分（PI）調(diào)節(jié)，此時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)為II型；絞車掛好檔腳踏滿速起升時(shí)，考慮變參數(shù)Tm的影響并保證最多振蕩1次要求，ST須配為比例調(diào)節(jié)（P），此時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)為I型。無(wú)論ST為P還是PI，其放大倍數(shù)和積分常數(shù)均需根據(jù)Tm的變化自動(dòng)適應(yīng)。

4.4 誤差補(bǔ)償

當(dāng)ST從PI轉(zhuǎn)換為P時(shí)，積分量雖然能夠保持，但其大小隨積分作用時(shí)間的長(zhǎng)短而不同，導(dǎo)致2次P狀態(tài)輸出的給定扭矩不同，最終誤差大小也不同，表現(xiàn)的鉤速也不同。為保證2次誤差基本一致，需采取措施使積分作用時(shí)間盡量保持一致。

5 結(jié)論

串勵(lì)機(jī)雖有其在相同功率下輸出較大扭矩和不需單獨(dú)勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，但其扭矩、速度、磁通之間相互影響，加之鉆機(jī)絞車的變檔、變速以及不同鉤載時(shí)所導(dǎo)致的機(jī)電時(shí)間常數(shù)連續(xù)變化，使其控制比他勵(lì)恒磁要復(fù)雜且極易振蕩。以軟件為核心的SINAMICS DCM直流調(diào)速整流器為工具，根據(jù)電機(jī)及工藝特點(diǎn)，構(gòu)成具有特色的控制結(jié)構(gòu)，并采取了變參數(shù)自適應(yīng)措施。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，取得了比較理想的調(diào)速結(jié)果，達(dá)到了用戶要求的工藝操作指標(biāo)。證明該控制方法實(shí)用可靠，可供同行參考。