直流钻机串励调速的控制研究

李永红，王玉明，朱奇先

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻井公司，重庆 400021；2.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃 天水 741020）

由于直流串励电机低速大扭矩、软特性以及无励磁装置等特点，尤其适合于勘探行业的地质负载特性和节省控制装置体积的要求，因此在石油钻采的装备制造行业得到了大量应用。本文根据勘探四号7000m直流钻机绞车的拖动要求，基于SINAMICS DCM整流装置，研究串励电机的调速控制，以供同行参考和探讨。

1 拖动要求

直流钻机的绞车拖动包括电机、传动机构（法兰，齿轮）、离合器、链条、滚筒、钢丝绳、游动机构（滑轮组，大钩）等单元［1］，拖动要求很多［2］。绞车拖动示意图如图1所示。空载钩速阶跃响应曲线图如图2所示，空载钩速阶跃响应指标如表1所示。

表1 空载钩速阶跃响应指标

图1 绞车拖动示意图

图2 钩速阶跃响应曲线图

2 SINAMICS DCM

SINAMICS DCM为西门子的直流调速整流器系列，有多种规格可供选用。每种规格都具有标准的扭矩、速度双环数字控制软件，使用者可根据需要构成特定的控制结构，详细信息参见《SIEMENS直流调速整流器参数手册》［3］。

3 调速控制

3.1 控制结构

基于SINAMICS DCM数字软件的特点，构成的串励变磁通调速控制结构如图3所示，常规他励恒磁通调速控制结构如图4所示。

图3 串励变磁通调速控制结构

图4 他励恒磁通调速控制结构

图中，RFG为积分器，ST为速度控制器，LT为扭矩控制器，A1为晶闸管三相桥式变流器，A2为电枢电路，A3为电流／反电势变换环节，A4为反电势／转子速度变换环节，A5为滤波器，A6为除法器，A7为磁通模拟器。

3.2 参数特点

（1）变磁通

由于串励机电枢与励磁电流相同且随负载变化，磁通随电流按铁芯特性非线性变化，因此，不同负载以及同一负载的加减速阶段变化，使磁通几乎处于连续变化中。

（2）变惯量

由于低档、高档、低速、高速时传动机构的传动比不同，因此在同一钩载不同档、速组合以及同一档、速组合不同钩载时，折算到电机轴上的负载惯量不同，在钻井整个工作过程中，总惯量在较大范围几乎连续变化。

（3）变参数

3.3 速度反馈

由图1和图2可见，不同于常规从电机转子轴测量方式，本构成是通过磁通模拟和除法运算环节间接获取速度反馈，其优点是可靠性较高、成本较低，缺点是实际和计算速度之间在时间配合上比较复杂、空载高速时容易振荡，对于要求较高的钻机，需要设置能耗制动环节。

3.4 扭矩反馈

对于串励电机，在额定磁通以下，输出扭矩与电流或磁通的平方成正比，但在图1的控制结构配置中，不同于常规，采用电流的一次方作为扭矩反馈，其缺点是与实际扭矩有误差，容易振荡，优点是避免了平方运算的时间滞后，适合于扭矩环的快速性。由于扭矩属于中间变量，其误差通过扭矩环的无差调节能够跟随负载，不影响速度控制指标。

4 调试注意

4.1 扭矩环

在图2和表1中，要求速度的振荡数不能超过1次，这是为了排除控制装置因素后，根据后续振荡及时准确判断井下油、汽的情况，以确保钻井的安全。由于速度为扭矩的积分，扭矩单调上升响应时，速度即可满足要求，因此，内环应表现为典型I型［4］系统，简化后的动态结构见图5，图中Ki为扭矩调节器放大倍数，τi为其时间常数，电枢回路时间常数Tl＝L／R，L为包括电缆、电机励磁绕组、换向绕组、电枢绕组在内的总电感，TS为包括运算、滤波在内的总时间常数，应调整参数尽量使Tl＝τi。

图5 简化后的内环动态结构

4.2 磁通器

由于反馈速度通过除法器计算获取，因此作为除数的模拟磁在负载电流从0～5%时，须具有一定的数值，例如恒定为5%，同时通过设置适当的电流与整流电压输入到发生器的滤波时间，以保证计算与实际速度的变化同步。

4.3 速度环

将扭矩内环等效简化后并考虑计算速度的滞后效应，得到速度环的动态结构见图6，图中TN＝2Ts。

图6 速度环的动态结构

系统的表现取决于ST的配置。根据绞车操作工艺，在猫头速度挂挡加载时，无论钻具轻重，钩载速度V＞0，考虑串励机加载降速的固有软特性影响，为保证V＞0要求，则ST须配为比例积分（PI）调节，此时系统表现为II型；绞车挂好档脚踏满速起升时，考虑变参数Tm的影响并保证最多振荡1次要求，ST须配为比例调节（P），此时系统表现为I型。无论ST为P还是PI，其放大倍数和积分常数均需根据Tm的变化自动适应。

4.4 误差补偿

当ST从PI转换为P时，积分量虽然能够保持，但其大小随积分作用时间的长短而不同，导致2次P状态输出的给定扭矩不同，最终误差大小也不同，表现的钩速也不同。为保证2次误差基本一致，需采取措施使积分作用时间尽量保持一致。

5 结论

串励机虽有其在相同功率下输出较大扭矩和不需单独励磁的优点，但其扭矩、速度、磁通之间相互影响，加之钻机绞车的变档、变速以及不同钩载时所导致的机电时间常数连续变化，使其控制比他励恒磁要复杂且极易振荡。以软件为核心的SINAMICS DCM直流调速整流器为工具，根据电机及工艺特点，构成具有特色的控制结构，并采取了变参数自适应措施。经过现场实际验证，取得了比较理想的调速结果，达到了用户要求的工艺操作指标。证明该控制方法实用可靠，可供同行参考。