交流變頻驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的控制系統(tǒng)

1、油田生產(chǎn)事業(yè)部 鉆修井作業(yè)公司 裝備管理部1 二、變頻器的基本工作原理三、能耗制動(dòng)一、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介四、變頻器對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的要求五、常見(jiàn)的交流變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)2一、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介近20年來(lái)，以各種電力電子器件構(gòu)成的變頻器已經(jīng)發(fā)展了好幾代，使當(dāng)今高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量可靠，技術(shù)指標(biāo)趕超了直流調(diào)速系統(tǒng)。從而，交流變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入了普及階段。交流變頻調(diào)速的數(shù)字控制系統(tǒng)由于具有控制精度高、動(dòng)態(tài)性能好、功率因數(shù)相對(duì)較高、效率高、諧波小以及交流電機(jī)無(wú)火花、防爆性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以在電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的應(yīng)用上得到了迅速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)直流全數(shù)字控制系統(tǒng)的全

2、部功能，而且應(yīng)用于絞車和自動(dòng)送鉆電機(jī)，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)和四象限運(yùn)行。無(wú)需主電路切換系統(tǒng)就能快速停車與正反轉(zhuǎn)，工作安全可靠。除此之外，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可以自動(dòng)投入制動(dòng)，制動(dòng)迅速平穩(wěn)。3一、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介三、能耗制動(dòng)二、變頻器的基本工作原理四、變頻器對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的要求求五、常見(jiàn)的交流變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)4二、變頻器的基本工作原理1、主電路：使用、主電路：使用IGBT器件的器件的PWM逆變器逆變器 在當(dāng)今的交流變頻傳動(dòng)中，“交直交、電壓型、PWM變頻器”已成為主流形式。二極管不控整流直流環(huán)節(jié)電容儲(chǔ)能PWM（Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制）逆變的電路結(jié)構(gòu)是主流結(jié)構(gòu)；自

3、關(guān)斷器件IGBT是逆變器的主流器件。IGBT是復(fù)合型場(chǎng)控器件，它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身。具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電流小、通態(tài)壓降小、耐壓高及承受電流大等特點(diǎn)，因此器件發(fā)展得很快。如圖1所示：+-VLRN+dN SSSSSSDDDDDD135462135462NLR圖圖1 電壓型逆變電路及負(fù)載接線方式電壓型逆變電路及負(fù)載接線方式5二、變頻器的基本工作原理電壓型逆變電路進(jìn)行PWM控制，就能夠產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻率、可調(diào)電壓的三相正弦波對(duì)稱輸出的電源。其輸出波形如圖2所示：它就可提供給交流異步電動(dòng)機(jī)作調(diào)速之用。圖中等效為電動(dòng)機(jī)三相繞組的L、R，可以接成Y形，

4、也可以接成形?，F(xiàn)在PWM控制技術(shù)日趨完善，但實(shí)用中也還存在著各種各樣的PWM調(diào)制方法。主要有：用正弦波與三角波相交的SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）技術(shù)、磁鏈追蹤型PWM調(diào)制技術(shù)等等。UUUNVNUVUUWNeUVeeW0+Vd22d-V+V2d-V2d+V2d-V2d00-Vd0+Vd圖圖2 PWM逆變器的輸出相電壓與線電壓波形逆變器的輸出相電壓與線電壓波形6二、變頻器的基本工作原理2、控制策略：、控制策略：V/F控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速的控制方式較多。最簡(jiǎn)單的是標(biāo)量控制（V/F控制）；在高性能的變頻器控制方式上，主要有：以SIEMENS公司為代表的矢量控制

5、技術(shù)（VC）和以ABB公司為代表的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC）兩大流派。（1）V/F控制：它是簡(jiǎn)單地將逆變器的輸出電壓和輸出頻率之間，按照電壓/頻率（V/F）保持為常數(shù)的原則,對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。V/F恒定，就是保持氣隙磁通近似不變，可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩平滑調(diào)速；達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，再維持額定電壓不變，進(jìn)入弱磁恒功率升速的調(diào)速區(qū)。這種調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)性能不太好。而且在調(diào)速范圍較大的場(chǎng)合下，低速時(shí)輸出頻率低，由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的阻抗壓降導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩下降，調(diào)速控制性能差,甚至無(wú)法正常運(yùn)行。所以它只適用于調(diào)速要求不高的場(chǎng)合，一般作為通用變頻器使用。（2）矢量控制：矢量控制理論的基本思想是：認(rèn)為異步電

6、動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是磁場(chǎng)和與其相垂直的電流的乘積。但是，由于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，很難通過(guò)分析方法求解，通常都采用坐標(biāo)變換的方法加以改造。7二、變頻器的基本工作原理 矢量控制的基本慨念是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，建立三相交流繞組、兩相交流繞組和旋轉(zhuǎn)的直流繞組三者之間的等效關(guān)系，從而求出與異步電動(dòng)機(jī)繞組等效的直流電動(dòng)機(jī)模型。這種等效，就相當(dāng)于觀察者站到鐵芯上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，這時(shí)，他看到的便是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流量磁場(chǎng)電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的控制，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，達(dá)到對(duì)靜止坐標(biāo)系上三相交流量

7、的控制，就能控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)的目的，矢量控制基本框圖如圖3所示。MV V V FRSTUVWiA*i*i*BCi*i*i*i*TM控制器直交變換變換給定信號(hào)信號(hào)反饋圖圖3 矢量控制基本框圖矢量控制基本框圖8二、變頻器的基本工作原理在鉆機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用矢量控制的變頻器有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）全數(shù)字化，具有多種控制方式；配以制動(dòng)單元可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，調(diào)速范圍大，控制精度高，動(dòng)態(tài)性能好。（2）參數(shù)改變方便靈活，有些參數(shù)可在線修改。（3）完善的自診斷、自保護(hù)功能。防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，縮短故障維修時(shí)間。（4）完善的自優(yōu)化功能。（5）強(qiáng)大靈活的通訊功能，通過(guò)USS協(xié)議或通過(guò)RS48

8、5接口的Profibus-DP協(xié)議，使變頻器可以在本地或遠(yuǎn)程進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)和參數(shù)設(shè)置，并和PLC構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。（6）開(kāi)關(guān)量輸入、輸出及模擬量輸入、輸出口供系統(tǒng)靈活選用。（7）保護(hù)功能齊全，具有開(kāi)機(jī)自檢、電源電壓檢測(cè)、逆變器溫度過(guò)熱保護(hù)、缺相保護(hù)、直流母線電壓高、直流母線電壓低、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、過(guò)流、通訊中斷等故障保護(hù)和外部故障停機(jī)功能。矢量控制型變頻器提供了多種控制方式。按照鉆機(jī)的實(shí)際工況需要，一般將絞車、轉(zhuǎn)盤和自動(dòng)送鉆電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成為有速度傳感器的矢量控制方式；而將泥漿泵電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為無(wú)速度傳感器的矢量控制模式。9二、變頻器的基本工作原理圖圖4 有速度傳感器矢量控制調(diào)節(jié)

9、回路有速度傳感器矢量控制調(diào)節(jié)回路有速度傳感器的矢量控制方案如圖4所示：10二、變頻器的基本工作原理圖圖5 無(wú)速度傳感器矢量控制調(diào)節(jié)回路無(wú)速度傳感器矢量控制調(diào)節(jié)回路無(wú)速度傳感器的矢量控制方案如圖5所示：11二、變頻器的基本工作原理(3）直接轉(zhuǎn)矩控制：ABB公司的ACS600和ACS800系列變頻器是直接轉(zhuǎn)矩控制模式。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制模式的變頻器也還有許多種控制策略。以其中最典型的磁鏈圓形的直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，其基本思想是：在準(zhǔn)確觀測(cè)定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以及準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過(guò)控制電機(jī)

10、的瞬時(shí)輸入電壓來(lái)控制電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，來(lái)改變它對(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，達(dá)到直接控制電機(jī)輸出的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制在控制思想上與矢量控制不同的是：直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來(lái)間接控制電流，不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來(lái)了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低速性能下降的缺點(diǎn)。直接轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)。這樣就避開(kāi)了在矢量控制技術(shù)中，控制性能易受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響的問(wèn)題。當(dāng)然，定子磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性，是DTC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。定子磁鏈無(wú)論其幅值還是相位，

11、若出現(xiàn)較大的誤差，控制性能都會(huì)變壞，甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定。 12 二、變頻器的基本工作原理一、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介三、能耗制動(dòng)四、變頻器對(duì)交流變頻電動(dòng)機(jī)的要求五、常用的交流變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)13三、能耗制動(dòng)由于鉆機(jī)是小電網(wǎng)供電，不允許再生制動(dòng)的特點(diǎn)，變頻器的整流部分可以選用無(wú)能量回饋能力的三相橋式不控整流電路。在絞車和自動(dòng)送鉆的應(yīng)用中：當(dāng)位勢(shì)負(fù)載的重物下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)再生發(fā)電過(guò)程，再生能量將使濾波儲(chǔ)能電容上充電而電壓升高，稱為“泵升電壓”。一般采用設(shè)置過(guò)壓點(diǎn)的方法來(lái)限制這種過(guò)電壓。當(dāng)直流側(cè)電壓高于預(yù)設(shè)置的最高值時(shí)，由制動(dòng)單元（制動(dòng)斬波器）以直流PWM方式接通制動(dòng)電阻，將回饋能量以發(fā)熱的形式消耗掉，從而

12、限制了直流電壓進(jìn)一步升高。采用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，要考慮到應(yīng)有足夠的制動(dòng)功率來(lái)保障可靠制動(dòng)。一般設(shè)計(jì)多臺(tái)制動(dòng)單元和多臺(tái)制動(dòng)電阻并聯(lián)供一臺(tái)變頻柜使用。這樣多臺(tái)制動(dòng)單元之間的制動(dòng)功率均衡分配，就需要精確調(diào)節(jié)每臺(tái)制動(dòng)單元的導(dǎo)通電壓值來(lái)解決問(wèn)題，才能使得可靠的電氣能耗制動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。在選用制動(dòng)單元時(shí)要注意：各供貨廠家（公司）的制動(dòng)單元，其標(biāo)稱功率的定義各不相同，需要經(jīng)過(guò)換算。14三、能耗制動(dòng)CGH1RRD外部制動(dòng)電阻 圖圖6 制動(dòng)單元原理圖制動(dòng)單元原理圖絞車和自動(dòng)送鉆的傳動(dòng)系統(tǒng)中使用了能耗制動(dòng)的功能?？梢宰詣?dòng)投入制動(dòng)運(yùn)行，工作可靠，制動(dòng)迅速平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了快速停車與正反轉(zhuǎn)，及零速額定轉(zhuǎn)矩的“懸?！惫δ堋Ｔ诮?/p>

13、流變頻鉆機(jī)中，以能耗制動(dòng)代替了電磁剎車或其它輔助剎車，不僅使鉆臺(tái)重量減輕，節(jié)省了鉆臺(tái)空間，減少了投資，并且制動(dòng)特性好。這也是交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)最顯著的優(yōu)越性制動(dòng)單元的原理圖如圖6所示：15 二、變頻器的基本工作原理三、能耗制動(dòng) 四、變頻器對(duì)交流變頻電動(dòng)機(jī)的要求一、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介五、常見(jiàn)的交流變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)16四、變頻器對(duì)交流變頻電動(dòng)機(jī)的要求由于變頻器的輸出是PWM波，對(duì)所供電的交流異步電動(dòng)機(jī)造成了不良影響，因而對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)就要提出一些特殊要求：（1）由于變頻器供電的電源中含有豐富的諧波，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)附加的發(fā)熱、振動(dòng)、噪音及扭矩波動(dòng)；PWM變頻器的高載頻化及開(kāi)關(guān)器件的高速切換，對(duì)大地產(chǎn)生的高

14、頻漏電流通過(guò)軸承造成軸電流等不良影響。因此變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮這些因素，適應(yīng)這些條件。（2）變頻器輸出電壓的PWM波，其dv/dt很高。陡峭的電壓前沿的傳輸，相當(dāng)于行波沿動(dòng)力電纜前進(jìn)，輸至電動(dòng)機(jī)的進(jìn)線端會(huì)發(fā)生反射波。這樣的電壓重復(fù)施加在電動(dòng)機(jī)的輸入端，極易引起絕緣的破壞，所以要求電動(dòng)機(jī)的絕緣要加強(qiáng)。而且動(dòng)力電纜的長(zhǎng)度是受限制的，如果超過(guò)100m，就必須加裝正弦波濾波器（這樣勢(shì)必顯著地增加投資和增大體積、重量）。當(dāng)然，如果在變頻器的輸出端加裝了正弦波濾波器，就可以使用普通電動(dòng)機(jī)了。（3）由于變頻調(diào)速系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)之前要對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自檢，并以此為據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，所以要求異

15、步電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)要符合設(shè)計(jì)要求，分散度不能太大。由此看來(lái)，一般情況下，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)必須使用特殊設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，而不能使用普通交流異步電動(dòng)機(jī)。17 二、變頻器的基本工作原理三、能耗制動(dòng)五、常見(jiàn)的交流變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)四、變頻器對(duì)交流變頻電動(dòng)機(jī)的要求一、交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介18五、常見(jiàn)的交流變頻電動(dòng)機(jī)參數(shù)鉆機(jī)中常用的交流變頻異步電動(dòng)機(jī)，除進(jìn)口及引進(jìn)技術(shù)合資生產(chǎn)的外，國(guó)內(nèi)研制的有YJ系列各種規(guī)格的產(chǎn)品，列表于下，見(jiàn)表1：型 號(hào)YJ13YJ13AYJ14YJ14AYJ19YJ19A/A1YJ19B/CYJ21YJ21AYJ23YJ27YJ27AYJ31YJ31A額定電壓，V AC55055

16、0600660600380690690額定電流，A10405825178507145109601077最大電流，A15608737761280額定功率，kW8004004008006002309701100額定轉(zhuǎn)速，r/min660660660800660490800999額定頻率，Hz33.533.433.540.533.533.540.650.5絕緣等級(jí)，級(jí)200200200200200HH200防護(hù)等級(jí)正 壓 防 爆額定功率因數(shù)0.860.860.810.860.850.740.90.9額定效率，%9592.392.39595939394額定轉(zhuǎn)矩，N*m11575578757879550

17、868444821157510520最大轉(zhuǎn)矩，N*m17360868086801432013000481217362最高恒功轉(zhuǎn)速，r/min10601060106012001060117010831500最高頻率，Hz5455556154556076冷卻方式強(qiáng) 迫 通 風(fēng)質(zhì)量，kg31002200220030002650231531003100型 號(hào)YJ31BYJ31C/C1YJ31DYJ31EYJ35/YJ35AYJ35H/YJ35AHYJ39/YJ39AYJ23AYJ23A3/YJ23A4YJ13C1額定電壓，V AC600600400690400600400600額定電流，A826575776.35745566001034854額定功率，kW720500400550300500600700額定轉(zhuǎn)速，r/min600540687794653660672661額定頻率，Hz30.527.53540.633.533.43433.5絕緣等級(jí)，級(jí)200200200200200200200200防護(hù)等