基于西門(mén)子傳動(dòng)裝置的電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化研究與探討

摘" " 要：西門(mén)子大型傳動(dòng)裝置是目前海洋鉆井平臺(tái)中鉆井關(guān)鍵設(shè)備配套最多的裝置，傳動(dòng)裝置與電機(jī)的匹配性越好，控制就越平滑、越精準(zhǔn)，這對(duì)鉆井設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)西門(mén)子傳動(dòng)裝置與鉆井絞車(chē)、頂驅(qū)和泥漿泵電機(jī)的匹配性進(jìn)行了優(yōu)化研究，以海洋鉆井平臺(tái)采用最多的西門(mén)子S120系列傳動(dòng)裝置與電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化研究為實(shí)例，詳細(xì)分析了傳動(dòng)裝置與電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的意義、目的、必要條件、實(shí)現(xiàn)思路、優(yōu)化方法、途徑和流程，并結(jié)合傳動(dòng)裝置與電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化處理的具體實(shí)例進(jìn)行探討，以期為鉆井關(guān)鍵設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)裝置；電機(jī)；匹配性?xún)?yōu)化；辨識(shí)；西門(mén)子S120系列

Motor matching optimization based on Siemens transmission device

QI Funing，WANG Xilu， LIU Wei， FENG Chunfei

Drilling Branch of China" Petroleum Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Siemens large transmission device is currently the most widely equipped device for key drilling equipment on offshore drilling platforms. If the transmission device and motor match better， control will be smoother and more precise， which is crucial for the smooth operation of drilling equipment. Therefore， optimization analysis was conducted on the matching between Siemens transmission device and drilling winches， top drives， as well as mud pump motors. Matching optimization analysis between the Siemens S120 series transmission device， the most commonly used typeon offshore platforms，and the motor was taken as an example to illustrate the significance， purpose， necessary conditions， implementation ideas， methods， approaches， and processes of matching optimization between Siemens transmissiondevice and motors in detail. Besides， the discussion was carried out with specific examples of matching optimization between transmissiondevices and motors to provide technical guidance and a reference basis for the smooth operation of key drilling equipment.

Keywords：transmission device; motor; matchingoptimization; identification; Siemens S120 series

隨著海洋裝備自動(dòng)化程度越來(lái)越高，鉆井關(guān)鍵設(shè)備使用的電機(jī)功率越來(lái)越大，對(duì)控制的要求越來(lái)越多。為了實(shí)現(xiàn)更加平滑和精準(zhǔn)的控制效果，多數(shù)采用大型變頻傳動(dòng)裝置和變頻交流電機(jī)的組合方式。目前海洋鉆井平臺(tái)中鉆井關(guān)鍵設(shè)備大多采用主流的西門(mén)子S120系列變頻傳動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩和位置等運(yùn)行參數(shù)的目的，使電機(jī)輸出的功率和效率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。如何通過(guò)西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的匹配性?xún)?yōu)化，使其精準(zhǔn)和平穩(wěn)地控制電機(jī)，保障鉆井生產(chǎn)順利進(jìn)行，是本文研究的主要目標(biāo)。為此需要掌握西門(mén)子傳動(dòng)裝置優(yōu)化電機(jī)的原理、優(yōu)化方法和注意事項(xiàng)，通過(guò)優(yōu)化能夠更加有效地控制電機(jī)，從而提高電機(jī)的性能和穩(wěn)定性，這對(duì)于做好鉆井關(guān)鍵設(shè)備的維護(hù)工作至關(guān)重要。

1" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的必要性及原理

1.1" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的必要性

電機(jī)的工作環(huán)境和負(fù)載特性會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，而這些參數(shù)的變化會(huì)直接影響電機(jī)的控制效果和性能。因此，通過(guò)西門(mén)子變頻裝置，對(duì)配套電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化是非常重要的。通過(guò)對(duì)電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的測(cè)量和分析，測(cè)量電機(jī)的電氣特性、機(jī)械特性及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)等。這些參數(shù)是電機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試的重要依據(jù)，也是電機(jī)維護(hù)和故障診斷的重要參考數(shù)據(jù)。通過(guò)電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置可以更好地控制電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩和位置等參數(shù)，使電機(jī)達(dá)到最佳狀態(tài)，提高電機(jī)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性能。西門(mén)子變頻傳動(dòng)系統(tǒng)控制電機(jī)回路如圖1所示。

1.2" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化原理

任何電控系統(tǒng)都可以看成一個(gè)具有輸入和輸出參數(shù)的模型，而且真實(shí)系統(tǒng)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是非線性且時(shí)變的。西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置的電氣控制其實(shí)也是一種模型。在絕大多數(shù)情況下，通過(guò)機(jī)理分析很難獲得真實(shí)模型，即使能夠獲得，也極其復(fù)雜且無(wú)法使用。在這種情況下，通過(guò)對(duì)電機(jī)的匹配性辨識(shí)優(yōu)化，構(gòu)建一個(gè)虛擬電機(jī)等效模型，該模型的復(fù)雜度在可接受范圍內(nèi)，能夠基本反映真實(shí)系統(tǒng)的特征，且通過(guò)構(gòu)建該等效模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)性能的穩(wěn)定、精準(zhǔn)、平順控制，這就是對(duì)電機(jī)進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化的最終目的。

采用西門(mén)子變頻器傳動(dòng)裝置，對(duì)電機(jī)進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化的基本原理是：通過(guò)建立一個(gè)由電機(jī)功率模塊、電纜的阻抗感抗、電機(jī)等部件構(gòu)成的虛擬電機(jī)等效模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的匹配性?xún)?yōu)化。電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化等效模型如圖2所示。

2" " 優(yōu)化條件、方法和途徑

2.1" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的條件

采用西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置，對(duì)電機(jī)進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化需要基于一定條件和前提。明確這些條件與前提十分重要，可以避免一些不必要的問(wèn)題和故障，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更好的電機(jī)控制效果。

1）新配置變頻器及電機(jī)。對(duì)于新配置的變頻器和電機(jī)，在控制系統(tǒng)中必須要按照流程逐步開(kāi)展電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，此外還需要在電機(jī)優(yōu)化前進(jìn)行必要的程序參數(shù)設(shè)置，而后才能開(kāi)始電機(jī)優(yōu)化流程。

2）更換不同規(guī)格型號(hào)的變頻器或者同一型號(hào)變頻器的控制參數(shù)改變較大。如果更換變頻器，無(wú)論是更換不同型號(hào)變頻器，還是使用相同型號(hào)而參數(shù)改變較大，例如輸出電壓、頻率、V/F曲線等參數(shù)發(fā)生較大改變時(shí)，建議重新進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化。因?yàn)樽冾l器的參數(shù)設(shè)定會(huì)直接影響到電機(jī)的運(yùn)行，如果電機(jī)的參數(shù)與變頻器設(shè)定的參數(shù)不匹配，那么依據(jù)原變頻器或參數(shù)構(gòu)建的電機(jī)等效模型已經(jīng)不適用，此時(shí)如果不進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化而直接運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，從而危及整體設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至發(fā)生機(jī)械事故。

3）更換不同型號(hào)的電機(jī)，或者維修后的電機(jī)內(nèi)部繞組、轉(zhuǎn)子組件和參數(shù)有較大變動(dòng)。如果更換不同型號(hào)的電機(jī)，或者維修改變內(nèi)部組件而導(dǎo)致參數(shù)有了較大變動(dòng)，那么需要重新進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化。因?yàn)椴煌吞?hào)的電機(jī)在轉(zhuǎn)矩特性、電阻、電感、慣量等方面存在差異，如果不重新進(jìn)行電機(jī)辨識(shí)，則可能導(dǎo)致電機(jī)的運(yùn)行效果不佳，甚至出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障。

4）影響等效電機(jī)模型的其他因素也應(yīng)作為必須對(duì)電機(jī)重新進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化的考慮點(diǎn)。比如當(dāng)電機(jī)或變頻器進(jìn)行較大范圍的相對(duì)移位，導(dǎo)致其所使用的電纜長(zhǎng)度有較大變化時(shí)，等效模型中電纜阻抗和感抗參數(shù)則有明顯變化，此時(shí)建議重新進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化；如果電機(jī)配有編碼器作為速度環(huán)反饋信號(hào)，那么當(dāng)因更換不同類(lèi)型的編碼器而導(dǎo)致速度環(huán)控制環(huán)節(jié)參數(shù)有明顯變化時(shí)，也要進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。

2.2" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的基本方法

基于西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的基本過(guò)程分為兩步：第一步，通過(guò)對(duì)電機(jī)的測(cè)量，以及對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析來(lái)獲得電機(jī)的各種參數(shù)值，主要包括電機(jī)的電感、電阻、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦系數(shù)等參數(shù)。這些參數(shù)值對(duì)于電機(jī)的控制至關(guān)重要，因?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和控制效果都與這些參數(shù)密切相關(guān)。第二步，在測(cè)試中，通過(guò)對(duì)這些動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)值進(jìn)行不斷優(yōu)化識(shí)別，構(gòu)建出匹配性高的等效模型。

對(duì)電機(jī)匹配性進(jìn)行優(yōu)化的方法很多，目前在海洋鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備上使用的方法主要分為模型法和非模型法兩種。其中，模型法是指先對(duì)關(guān)鍵設(shè)備電機(jī)建立動(dòng)態(tài)模型，再利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；非模型法則是指先將電機(jī)作為一個(gè)黑盒進(jìn)行測(cè)試，而后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)內(nèi)容的參數(shù)優(yōu)化。無(wú)論采用哪種方法，都需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理才能得到準(zhǔn)確的參數(shù)值。目前海洋鉆井關(guān)鍵設(shè)備主要采用模型法進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，在傳動(dòng)裝置基于轉(zhuǎn)速控制的矢量模式下，必要時(shí)通過(guò)對(duì)速度環(huán)參數(shù)等專(zhuān)項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，由此進(jìn)行特殊優(yōu)化，從而使電機(jī)輸出更加符合現(xiàn)場(chǎng)使用需求。變頻傳動(dòng)裝置對(duì)電機(jī)的控制模式及邏輯關(guān)系如圖3所示。

2.3" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的途徑

基于西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置的電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化需要通過(guò)控制終端來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化命令，通過(guò)控制系統(tǒng)完成由功率單元、電纜、電機(jī)及編碼器等組件構(gòu)成等效電機(jī)模型。目前現(xiàn)場(chǎng)較多使用西門(mén)子S120系列變頻傳動(dòng)裝置，可采用以下兩種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的匹配性?xún)?yōu)化。

1）使用西門(mén)子S120系列逆變控制單元上的本地操作面板AOP30（見(jiàn)圖4）。這種控制面板是通過(guò)RS232串行通訊方式連接到控制裝置上，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻傳動(dòng)裝置的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、調(diào)試維修、控制驅(qū)動(dòng)和診斷故障報(bào)警等功能。電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化是通過(guò)該控制面板的調(diào)試維修選項(xiàng)，使變頻傳動(dòng)裝置進(jìn)入設(shè)備調(diào)試狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，在激活操作鎖或參數(shù)設(shè)置鎖后，AOP會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次“從RAM復(fù)制到ROM”，將已經(jīng)完成的優(yōu)化參數(shù)設(shè)置備份在西門(mén)子變頻裝置控制器CU320的存儲(chǔ)卡中。

2）安裝使用西門(mén)子Starter軟件的PC端。Starter軟件（見(jiàn)圖5）是西門(mén)子變頻驅(qū)動(dòng)裝置的專(zhuān)業(yè)調(diào)試軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)控、修改裝置參數(shù)、故障檢測(cè)和復(fù)位，以及跟蹤記錄功能[1]。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，推薦使用Starter軟件進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，該軟件能較好地實(shí)現(xiàn)西門(mén)子傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，對(duì)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，判斷優(yōu)化結(jié)果是否達(dá)到控制要求。

3" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的調(diào)試要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程分析

3.1" " 前置條件和調(diào)試環(huán)境

根據(jù)海洋鉆井平臺(tái)傳動(dòng)配置的特點(diǎn)，絞車(chē)、頂驅(qū)配置直剎車(chē)系統(tǒng)和速度反饋，泥漿泵無(wú)剎車(chē)系統(tǒng)和速度反饋。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配置情況，實(shí)際工作中進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化時(shí)需要注意，對(duì)絞車(chē)和頂驅(qū)電機(jī)進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化的電氣硬件前置條件是：電機(jī)處于冷態(tài)、電機(jī)無(wú)抱閘或者抱閘必須強(qiáng)制松開(kāi)（可通過(guò)Starter軟件將調(diào)試參數(shù)p1215設(shè)置為2，實(shí)現(xiàn)抱閘的強(qiáng)制松開(kāi)），以確保機(jī)械系統(tǒng)無(wú)危險(xiǎn)。電機(jī)在進(jìn)行優(yōu)化過(guò)程中，可能會(huì)引起某些部件轉(zhuǎn)動(dòng)而造成人員受傷，應(yīng)禁止無(wú)關(guān)人員在電機(jī)周?chē)毫簦⒋_保轉(zhuǎn)動(dòng)部件無(wú)松動(dòng)，同時(shí)必須保證緊急停機(jī)功能運(yùn)行正常。

電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化測(cè)量應(yīng)該在尚未啟動(dòng)運(yùn)行的電機(jī)上執(zhí)行。估算執(zhí)行測(cè)量時(shí)電機(jī)的環(huán)境溫度，并輸入到p0625中；如果使用的是KTY傳感器，需設(shè)置p0600、p0601，并讀取r0035，該值是熱電機(jī)模型和熱RS/RR適配的參考值。

對(duì)于控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，需要提前將電機(jī)銘牌信息輸入至控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)額定信息參數(shù)項(xiàng)中。另外，需要明確進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的變頻器工作模式，這將決定優(yōu)化控制參數(shù)的不同選擇，否則將出現(xiàn)優(yōu)化問(wèn)題[2]。目前海洋鉆井平臺(tái)通常設(shè)置的變頻器工作模式有兩種，頂驅(qū)和絞車(chē)變頻器工作模式p1300=21（轉(zhuǎn)速控制，帶編碼器形式），泥漿泵的變頻器工作模式p1300=20（轉(zhuǎn)速控制，采用無(wú)編碼器運(yùn)行模式，見(jiàn)圖6）。

在進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化前，應(yīng)確認(rèn)使用西門(mén)子變頻傳動(dòng)裝置時(shí)的模式設(shè)置是功率單元模式還是工藝應(yīng)用模式。目前針對(duì)海洋鉆井平臺(tái)推薦功率單元模式設(shè)置p0205=0、工藝應(yīng)用模式設(shè)置p0500=0。

功率單元模式設(shè)置p0205=0，變頻器為重過(guò)載工作模式，用于矢量驅(qū)動(dòng)。如圖7所示，即在一個(gè)工作周期中，達(dá)到150%的基本負(fù)載電流時(shí)變頻器過(guò)載60 s，達(dá)到160%時(shí)過(guò)載10 s。一旦修改該參數(shù)，所有電機(jī)參數(shù)和閉環(huán)控制單元都會(huì)根據(jù)所選應(yīng)用自動(dòng)設(shè)定。該參數(shù)不會(huì)影響到熱過(guò)載的計(jì)算。

設(shè)置工藝應(yīng)用模式p0500=0為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)（矢量），如圖8所示，該參數(shù)會(huì)影響p0578觸發(fā)的開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制參數(shù)的計(jì)算。

p0500=0時(shí)，設(shè)置以下參數(shù)觸發(fā)計(jì)算：p1574=10 V（他勵(lì)同步電機(jī)：20 V），設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓裕量；p1750.2=0，設(shè)置電機(jī)模型的配置；p1802=4（RZM/FLB無(wú)過(guò)調(diào)制），設(shè)置調(diào)制模式；p1803=106%，定義最大的占空比。

3.2" " 調(diào)試要點(diǎn)

根據(jù)目前海洋鉆井平臺(tái)采用西門(mén)子S120變頻傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)，通常完成電機(jī)的匹配性?xún)?yōu)化分為四步，首先是確認(rèn)運(yùn)行環(huán)境和條件滿足優(yōu)化要求，然后進(jìn)行電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，最后測(cè)試運(yùn)行效果，若還需要進(jìn)一步精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，可對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)行特定優(yōu)化。整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，最關(guān)鍵的是電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程。所謂靜態(tài)優(yōu)化也可以稱(chēng)為靜態(tài)計(jì)算，就是把電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)輸入作為變頻控制器參數(shù)，并進(jìn)行電機(jī)等效模型建立和計(jì)算。在這個(gè)過(guò)程中電機(jī)不通電，只是進(jìn)行控制器的參數(shù)計(jì)算；電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，是在電機(jī)通電啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)進(jìn)行電機(jī)電流測(cè)試，且通過(guò)測(cè)試結(jié)果確定系統(tǒng)摩擦與慣性數(shù)據(jù)，確定電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)磁化曲線，確定控制系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器PI時(shí)間常數(shù)，從而對(duì)電機(jī)等效模型進(jìn)行計(jì)算修正。

綜上所述，對(duì)西門(mén)子傳動(dòng)控制的調(diào)試，在進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化時(shí)建議以電機(jī)轉(zhuǎn)子軸空軸測(cè)試為最佳，以便更好地對(duì)電機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，建立更加符合電機(jī)參數(shù)的模型；而在進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)建議帶上電機(jī)轉(zhuǎn)子軸傳動(dòng)系，空載模式下測(cè)試最佳。如果電機(jī)輸出軸懸空，沒(méi)有帶上傳動(dòng)系，在電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的摩擦、慣性、速度調(diào)節(jié)器PI參數(shù)的識(shí)別上就會(huì)出現(xiàn)差別，進(jìn)而對(duì)控制的精度和平順度產(chǎn)生影響。

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，帶上電機(jī)輸出軸負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化的效果會(huì)更好。前提是機(jī)械傳動(dòng)部分允許電機(jī)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且能夠承受急加速。如機(jī)械方面不允許脫掉負(fù)載，電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化帶載后，手動(dòng)優(yōu)化速度環(huán)參數(shù)，也可以達(dá)到控制要求。

3.3" " 電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化的數(shù)據(jù)項(xiàng)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程

為了獲取更加精準(zhǔn)的優(yōu)化數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化前需要特別注意以下幾點(diǎn)：第一，由于銘牌數(shù)據(jù)是用于電機(jī)識(shí)別的初始化值，所以為確定電機(jī)信息參數(shù)，應(yīng)正確、一致地輸入銘牌數(shù)據(jù)，并采用正確的連接方式（星形/三角形）。第二，如果電機(jī)動(dòng)力線的電阻已知，最好在靜態(tài)測(cè)量（p1910）開(kāi)始前輸入該電阻（p0352），這樣在計(jì)算定子電阻p0350時(shí)，便可以將其從測(cè)得的總電阻中扣除。并且在輸入該電阻后，較長(zhǎng)電纜上熱電阻的適配精度也會(huì)有所提高。尤其在無(wú)編碼器的矢量控制中，該精度會(huì)影響低轉(zhuǎn)速時(shí)的特性。第三，如果具備一個(gè)輸出濾波器（參見(jiàn)p0230）或串聯(lián)電感（p0353），同樣也應(yīng)在靜態(tài)測(cè)量開(kāi)始前輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)。該電感會(huì)因此從測(cè)得的總漏電感中扣除。如果采用的是正弦濾波器，則只測(cè)量定子電阻、閥門(mén)閾值電壓和閥門(mén)閉鎖時(shí)間即可。

在進(jìn)行電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化時(shí)（見(jiàn)圖9、圖10），采用p1910的電機(jī)數(shù)據(jù)識(shí)別在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)定的電機(jī)參數(shù)：等效電路圖數(shù)據(jù)p1910=1，勵(lì)磁特性曲線p1910=3。電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化完成后p1910自動(dòng)復(fù)位為“0”（識(shí)別成功），或輸出故障信息F07990。執(zhí)行p1910過(guò)程需要使用變頻器，在電機(jī)靜態(tài)優(yōu)化識(shí)別過(guò)程中，變頻器有輸出電壓、輸出電流；電機(jī)可能會(huì)略微轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)最大90°；軸端無(wú)轉(zhuǎn)矩[3]。

為滿足控制技術(shù)方面的需要，建議進(jìn)行電機(jī)數(shù)據(jù)優(yōu)化識(shí)別，因?yàn)閺你懪茢?shù)據(jù)上僅可估算等效電路圖數(shù)據(jù)和電機(jī)電纜電阻[4]。例如，如果要使無(wú)編碼器的矢量控制保持穩(wěn)定，或者要在V/F曲線控制中升高電壓，則定子的電阻尤其重要。如果電源線較長(zhǎng)，或者使用其他廠家的電機(jī)，就必須執(zhí)行電機(jī)數(shù)據(jù)識(shí)別。在開(kāi)始第一次電機(jī)數(shù)據(jù)識(shí)別時(shí)，會(huì)根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)（額定數(shù)據(jù)）使用P1910=1或3，確定如表1所示的電機(jī)優(yōu)化數(shù)據(jù)。

除了通過(guò)p1910=1得到等效電路圖數(shù)據(jù)，還要通過(guò)電機(jī)數(shù)據(jù)識(shí)別（p1910=3），確定異步電機(jī)的勵(lì)磁特性曲線。由于該特性曲線的精度較高，所以應(yīng)盡量在電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化中確定該特性曲線（不帶編碼器時(shí)，p1960=1，3；帶編碼器時(shí)：p1960=2，4）；對(duì)于需要弱磁工作的電機(jī)，在有編碼器的矢量控制VC方式下，可以選擇電機(jī)磁化曲線，計(jì)算p1910=3（計(jì)算磁化曲線磁通和勵(lì)磁電流p0362～p0369），當(dāng)驅(qū)動(dòng)在弱磁范圍中運(yùn)行，尤其在矢量控制中，應(yīng)確定該特性曲線。借助勵(lì)磁特性曲線，可以更精確地計(jì)算出弱磁運(yùn)行范圍中的場(chǎng)電流，并由此獲得更高的轉(zhuǎn)矩精度。與靜態(tài)測(cè)量（p1910）相比，通過(guò)電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化旋轉(zhuǎn)測(cè)量（p1960），能夠更精準(zhǔn)地確定異步電機(jī)的額定勵(lì)磁電流及飽和特性曲線[5]，如圖11所示。

3.4" " 電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的數(shù)據(jù)項(xiàng)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程

與電機(jī)靜態(tài)數(shù)據(jù)優(yōu)化相比，電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的主要區(qū)別在于，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速控制器優(yōu)化，在優(yōu)化中會(huì)確定驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并設(shè)置轉(zhuǎn)速控制器。此外，電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化還會(huì)確定異步電機(jī)的飽和特性曲線和額定勵(lì)磁電流。

在電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化期間，驅(qū)動(dòng)不會(huì)加速到額定轉(zhuǎn)速（p0310），而是加速到在p1965中設(shè)置的某個(gè)額定轉(zhuǎn)速百分比值，該值的出廠設(shè)置為40%。在開(kāi)始測(cè)量之前，可對(duì)該參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)推薦設(shè)置較高的轉(zhuǎn)速。同樣也可以修改p1961中的轉(zhuǎn)速，飽和特性曲線的確定和編碼器測(cè)試將在該轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。

在進(jìn)行異步電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)應(yīng)采取以下步驟：在接入負(fù)載前，應(yīng)執(zhí)行完整的“電機(jī)動(dòng)態(tài)識(shí)別”；p1960=1（不帶編碼器）或p1960=2（帶編碼器）。由于此時(shí)異步電機(jī)空載，因此可以得到更準(zhǔn)確的飽和特性曲線和額定勵(lì)磁電流；接入負(fù)載后，應(yīng)基于已經(jīng)改變的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再次執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器優(yōu)化。選擇參數(shù)p1960=3（不帶編碼器）或p1960=4（帶編碼器），便可以執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化。在執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制器優(yōu)化時(shí)，會(huì)自動(dòng)取消參數(shù)p1959中的飽和特性曲線記錄功能，如圖12、圖13所示。

通過(guò)電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化執(zhí)行p1960，動(dòng)作完成后，以下數(shù)據(jù)會(huì)被測(cè)試優(yōu)化：第一，編碼器測(cè)試，配備轉(zhuǎn)速編碼器時(shí)會(huì)檢查編碼器旋轉(zhuǎn)方向和線數(shù)；第二，測(cè)量飽和特性曲線（p0362～p0369），測(cè)量勵(lì)磁電流（p0320）和確定變頻器相對(duì)于偏移補(bǔ)償?shù)钠齐妷?，測(cè)量異步電機(jī)上漏電感的飽和特性，設(shè)置電流控制器適配（p0391～p0393）；第三，轉(zhuǎn)速控制器優(yōu)化p1470和p1472（p1960=1，無(wú)編碼器運(yùn)行）、p1460和p1462（p1960=2，帶編碼器運(yùn)行），實(shí)現(xiàn)速度環(huán)參數(shù)優(yōu)化；第四，加速度前饋控制設(shè)置（p1496）實(shí)現(xiàn)更好的加速度預(yù)先控制；第五，對(duì)于總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比的設(shè)置（p0342），實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化。

如果在電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的測(cè)量期間發(fā)現(xiàn)輸入的驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)系數(shù)無(wú)法使驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行或者使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度太大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)將自動(dòng)降低，結(jié)果顯示在R1968中，應(yīng)檢查驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)系數(shù)在整個(gè)設(shè)定范圍內(nèi)是否運(yùn)行平穩(wěn)，必要時(shí)應(yīng)降低動(dòng)態(tài)系數(shù)，或者設(shè)定合適的轉(zhuǎn)速控制器Kp_n/Tn_n適配，如圖14所示。

需要特別指出的是，通過(guò)電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，系統(tǒng)完成自動(dòng)檢測(cè)、辨識(shí)和優(yōu)化，但受多種因素影響，可能需要經(jīng)過(guò)多次電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化測(cè)試才能達(dá)到符合控制精度和平穩(wěn)的要求。如果經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化還不能達(dá)到滿意的控制效果，對(duì)于配置西門(mén)子S120系列的變頻傳動(dòng)裝置來(lái)講，比較合適的解決辦法是人為干預(yù)轉(zhuǎn)速控制參數(shù)，通過(guò)對(duì)速度環(huán)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)來(lái)測(cè)試優(yōu)化效果?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整p1967（速度環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)因子），當(dāng)要求系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快時(shí)，該值需＞100%，P1960優(yōu)化結(jié)束后，加速度預(yù)控p1496設(shè)置為100%，若速度給定變化比較大或者齒輪傳動(dòng)時(shí)，建議取消加速度預(yù)控[6-8]。

4" " 電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化的故障實(shí)例

4.1" " 絞車(chē)在速度控制手柄零位時(shí)出現(xiàn)溜車(chē)現(xiàn)象

對(duì)于鉆井絞車(chē)手柄處于零位在未給定速度的情況下出現(xiàn)溜車(chē)情況，如圖15（a）所示，可通過(guò)電機(jī)優(yōu)化處理。通過(guò)電機(jī)組合、監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，只要絞車(chē)B電機(jī)參與，就會(huì)出現(xiàn)速度未給定情況下的絞車(chē)異常運(yùn)行，其余電機(jī)組合時(shí)絞車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)異常，考慮B電機(jī)存在需要優(yōu)化的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)B電機(jī)優(yōu)化處理，絞車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定，相關(guān)組合運(yùn)行正常，如圖15（b）所示。

在海洋平臺(tái)鉆井過(guò)程中，鉆井絞車(chē)作為處理鉆具的關(guān)鍵設(shè)備，其平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要，當(dāng)電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，就會(huì)在實(shí)際運(yùn)行中反映出來(lái)。引起絞車(chē)速度手柄未規(guī)定時(shí)絞車(chē)卻加減速的異常情況的原因很多，編碼器故障、干擾或電機(jī)優(yōu)化問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致該情況發(fā)生，需要通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的異常來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步排查處理；若是硬件配置改變或是新調(diào)試的電機(jī)，則需要優(yōu)先考慮電機(jī)優(yōu)化，嘗試通過(guò)電機(jī)優(yōu)化來(lái)解決該問(wèn)題。

4.2" " 頂驅(qū)電機(jī)編碼器更換不同型號(hào)后出現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象

海洋鉆井平臺(tái)頂驅(qū)編碼器損壞，在更換新編碼器后控制系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)報(bào)警編碼器差速故障，導(dǎo)致變頻器跳閘，無(wú)法正常進(jìn)行作業(yè)生產(chǎn)，如圖16（a）所示。經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)，頂驅(qū)原編碼器和新更換的編碼器為不同品牌型號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)新編碼器功能正常，接線一致，排除了新編碼器故障問(wèn)題，安裝測(cè)試時(shí)出現(xiàn)編碼器差速報(bào)警，分析原因?yàn)楦鼡Q編碼器導(dǎo)致其與電機(jī)原優(yōu)化參數(shù)不匹配，重新進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化后該頂驅(qū)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，再無(wú)報(bào)警情況發(fā)生，如圖16（b）所示。

在現(xiàn)場(chǎng)故障處理中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)備件升級(jí)或采用其他品牌型號(hào)替換舊備件的情況，在維修過(guò)程中要充分考慮配件更換對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的影響，對(duì)于配件更換后的異常情況要分析其影響因素。在電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化時(shí)，功率單元、電機(jī)、編碼器等更換不同規(guī)格型號(hào)可能會(huì)與原電機(jī)優(yōu)化建立的等效模型不匹配，必要情況下需要考慮重新進(jìn)行電機(jī)匹配性?xún)?yōu)化，以便達(dá)到需要的控制精度和平順度，這種情況在實(shí)際設(shè)備維修維護(hù)中應(yīng)引起注意[9-10]。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

本文是對(duì)目前中油海主力鉆井平臺(tái)上采用的西門(mén)子S120系列變頻傳動(dòng)裝置控制電機(jī)，進(jìn)行匹配性?xún)?yōu)化研究工作的總結(jié)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)配置變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化是在實(shí)際故障處理中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。這要求現(xiàn)場(chǎng)裝備維護(hù)人員需精準(zhǔn)掌握這項(xiàng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)，并在實(shí)際工作中熟練應(yīng)用。本文參考相關(guān)資料，結(jié)合海洋平臺(tái)頂驅(qū)絞車(chē)、泥漿泵電機(jī)配置的相關(guān)情況，針對(duì)配置了變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)，給出了一些維護(hù)、維修方面的建議，以期給現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供一些有益參考。

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作者簡(jiǎn)介：

齊賦寧（1982—），男，河北石家莊人，工程師，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，目前從事海洋石油電氣管理與技術(shù)工作。Email：qifn.cpoe@cnpc.com.cn

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