基于变频传动技术在石油钻机电控系统研究

川庆国际工程公司　吴科欣

基于变频传动技术在石油钻机电控系统研究

川庆国际工程公司吴科欣

随着我国石油开采步伐的加快，对石油钻机电控系统的综合性能也提出较高的要求。然而以往电驱动钻机控制中，所采用的多以直流传动系统为主，其很难保证石油钻机运行中保持较高的效率。通过实践研究发现，将变频传动技术引入其中，可使这些问题得以解决。本文将对变频调速的原理、6SE70矢量控制结构、石油钻机电控系统中变频器的应用进行探析。

石油钻机电控系统；变频传动；应用

前言

作为集计算机控制技术、现代控制理论等于一体的技术，变频调速以其自身的优势被广泛用于电动钻机中。需注意的是尽管近年来钻机中应用的大功率变频器，逐渐将矢量控制方式引入，但仍有较多亟待解决的问题，如自动送钻、能耗制动代替涡流刹车等，是变频器应用面临的难题，极大程度上制约变频传动技术优势的发挥。因此，本文对石油钻机电控系统中变频传动技术的应用研究，具有十分重要的意义。

1.变频调速原理分析

关于变频调速技术，在研究中首先可从电机学中的相关公式极性分析，如：

其中n0、f与p分别表示为异步电动机转速、电源频率以及电机极对数。从该公式中可发现，在电源频率调整的情况下可达到电机转速控制的目标。而这一目标的实现也就是变频调速技术应用的原理。从变频传动技术应用的优势看，本身表现为静态稳定性较好、运行效率高且调速范围大等，如将通用变频器设置于笼形异步电动机中，有利于系统可靠性的提升。从现行变频调速的主要方法看，主要体现在基频以下与基频以上两种变频调速方式层面，前者应用中强调按转差频率对系统进行控制，将直流电机双闭环系统中的优势引入其中，对系统性能的提高可起到明显作用。但需注意一旦系统磁通处于动态环境下，将无法保持恒定，因此看控制效果难以保证。而基频以上类型，主要指电压额定值不变的情况下，通过磁通的调解使调速得以实现，与直流电动机弱磁调速较为相近。将该技术引入到钻机电控系统中，对系统综合性能的提升可起到明显作用［1］。

2.6SE70矢量控制系统结构研究

2.1矢量控制基本原理

由于现行异步电动机运行中，需考虑到磁场定向控制问题，要求将其中的变量进行明确，此时便要求将矢量控制引入其中。对于石油钻机传动系统，其在构成上主要以泥浆泵传动、转盘传动以及绞车传动等为主。以绞车传动为例，其作为位势性负载，要求保证电机四象限稳定运行，尽管无需考虑调速指标问题，但要求绞车位置合理。此时，矢量控制应用下，主要将有速度传感器矢量控制引入到绞车传动控制中。而对于泥浆泵传动、转盘传动，可直接选择无速度传感器矢量控制，便能满足控制要求。其中矢量控制的应用，可理解为对电机旋转变换、控制器反变换器进行抵消，矢量控制中的动态性、静态性等与直流调速系统的实现原理较为相近［2］。

2.26SE70矢量控制系统结构

在矢量控制理论应用下，本文主要选择6SE70变频器作为实例，其中可应用的矢量控制结构主要表现为两方面，即：第一，有速度传感器矢量控制系统。该系统应用下主要为满足钻机绞车传动要求，其中的控制中心为CUVC矢量控制，且将电压型PWM变频器用于功率变换中，同时选择鼠笼式异步电机。此时系统设计中各部分都需达到具体的功能要求，包括：①给定通道。利用数字通道、模拟电位器通道给定信号，并通过相应的比例因子调整，使正转、反转得以实现；②斜坡函数发生器。该装置应用于传动系统中，主要可对变加速度进行控制，避免因电动机运行中的转矩突变而使系统受到冲击，保证机械平稳运行；③速度传感器。应用中主要通过A/D转换模拟信号，使数字信号被获取，在此基础上由信号处理单元对数字信号进行处理；④磁通调节器。一般磁通调节器运用下，相似于速度调节器，主要通过PI控制算法实现转矩电流、磁通的调节。

第二，无速度传感器矢量控制系统的应用。钻机电控系统运行中，其中的部分系统对调速性能要求较低，如转盘、泵等。此时便可考虑引入无速度传感器矢量控制。需注意的是假若系统处于低速运行状态，所获取的速度测量值将不具备较高的准确性，所以可考虑采取速度开环控制方式。或在明确系统调速范围的基础上，利用相应的速度观测模型对同步旋转速度进行判断。由此可见，该系统尽管应用优势较为明显，但实施中难度也较大，需在日后实践研究中进一步完善［3］。

3.石油钻机电控系统中6SE70变频器的应用研究

3.1变频器应用原理分析

在6SE70变频器应用中，本身以矢量变量调速系统为主，该系统具有软件编程模块化、硬件自由配置等优势。而且变频器中本身装有多处理器，对开环与闭环控制、复杂运算等都可起到明显作用，能够保证电控系统在动态控制、静态控制上得以优化，且参数控制精度也将得到提高。同时，从该变频器中矢量控制软件看，主要表现为：第一，在频率控制方面利用V/F特性曲线实现。该方式应用下无需将转速值发送器设置其中，能够满足传动同步运转要求。第二，磁场定向闭环控制。该方式应用下对高动态性能传动系统较为适用，可直接对磁通电流分量、转矩电流分量进行推测并调节，一般可达到2.5KHz的调节频率。由于6SE70变频器应用中无法从硬件结构上进行变动，所以可考虑利用PI调节器替代原有的模糊控制器，这样可使交流电机速度控制目标得以实现。而其中的参数应保证设置合理，如在输入速度调节器方面，将32001ms作为积分时间功能参数，再如PI调节器增益参数，P315为1，而对于实际值连接量参数P222为0。通过这些参数的合理设置，使速度反馈环节、速度闭环控制等都可实现［4］。

3.26SE70变频器的设计与具体应用效果

以70DB钻机电控系统为例，将变频器引入，首先要求做好变频器设计工作。其中主回路部分，要求变频器在构成上为逆变桥、可控整流桥，前者考虑将可关断器件IGBT引入，而后者强调直流母线电压的电压由可控整流桥提供，其可整流50Hz交流电源，使直流电压满足直流母线运行要求。而在系统控制方面，要求将集成电路ASIC、遥控器、PWM触发装置以及微型控制器等融入其中。另外，在控制电路部分，可考虑通过CUVC矢量控制单元实现，并配合相关的辅助单元，使变频器应用效果得以提升。

为进一步验证变频器应用效果，假定在电机参数明确的基础上，如额定功率因素为0.89、额定转子频率为37.5Hz、额定转速为741r/min、额定电流与电压分别为915A与950kw。此时对变频器中的相关参数进行设计，如在磁通调节器方面，要求使转子全磁通处于恒定状态，使励磁分量、转矩分量都较为合理。同时，在速度调节器、转矩电流调节器上进行参数的设计，其涉及的内容集中表现在转矩电流环、转速环设计方面。通过钻机绞车传动系统中变频器应用情况看，定子电流在动态条件下得到调整，且其他区输出电压波形以及线电流波形都保持平稳，充分说明变频器应用下可取得良好的控制效果。需注意的是，变频器应用过程中要求各参数的设计合理，如转矩电流调节器、速度调节器等，这样才能保证为钻机电控系统的应用提供技术支撑。

4.结论

变频传动技术的应用是提高石油钻机电控系统综合性能的重要途径。实际引入该技术中，应正确认识其基本原理与应用优势，将矢量控制理论引入其中，在此基础上做好矢量控制系统的设计。本文研究中主要以6SE70变频器作为实例，通过分析发现，其在电控系统中的应用可起到明显效果，有利于控制系统运行效率的提升，且控制效果较好，因此，将变频传动技术引入，对推动钻机电控系统的进一步完善将起到突出作用。

［1］周骥.石油钻机电气控制系统功能优化设计［D］.西安建筑科技大学，2014.

［2］于兴军，宋志刚，魏培静，张润松，曹振兴，李庆福，樊勇利.国内石油钻机自动化技术现状与建议［J］.石油机械，2014（11）：25-29.

［3］张莉莉.四川中曼电气工程技术有限公司发展战略研究［D］.西南交通大学，2011.

［4］李岭.石油钻机自动送钻系统和模拟加载系统研究［D］.兰州理工大学，2013.