他勵(lì)直流電機(jī)電樞并聯(lián)在電動(dòng)鉆機(jī)中的應(yīng)用

張振中，許美成

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

勝利九號鉆井平臺(tái)的絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、泥漿泵拖動(dòng)電機(jī)選用了他勵(lì)直流電機(jī)。為節(jié)省空間和投資，調(diào)速裝置采用了1臺(tái)同時(shí)供給2臺(tái)電機(jī)的“一拖二”方案。由此，兩臺(tái)電機(jī)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工作中的負(fù)載均衡就成為要解決的主要問題。本文對勝利九號鉆井平臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)“一拖二”供電方式下，負(fù)載均衡分配的實(shí)現(xiàn)方法做了具體研究分析。

2 負(fù)載分配研究與分析

2.1 主電路結(jié)構(gòu)及控制方案配置

主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中電機(jī)調(diào)速采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制方式。A、B兩臺(tái)電機(jī)負(fù)載均衡需設(shè)專用電路。勵(lì)磁調(diào)節(jié)采用單電流閉環(huán)控制方式，其中一臺(tái)勵(lì)磁固定輸出，另一臺(tái)根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)輸出。

直流電機(jī)的機(jī)械特性方程為：

式中：U為加在電樞回路上的電壓；R為電動(dòng)機(jī)電樞回路總電阻；Φ為電動(dòng)機(jī)磁通；Ce為電動(dòng)勢常數(shù)；CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；I為電樞電流。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)

由上述公式知，改變參數(shù)U、R、Φ中的任何一個(gè)，都可以對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是改變電樞電壓U的調(diào)速方案。具體到實(shí)際應(yīng)用中，由于A、B電機(jī)電樞回路是并聯(lián)連接，無法改變單臺(tái)電機(jī)的電樞電壓，通過改變電樞電壓的方案雖然能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但是無法實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)電樞電流均衡分配。為保證負(fù)載均衡，由式（2）知，必須使A、B電機(jī)的CTΦ基本一致，在電機(jī)一定的情況下，必須使兩個(gè)單獨(dú)勵(lì)磁有效磁通基本一致。由于磁通受勵(lì)磁電流大小、回路電阻、電樞反應(yīng)、溫度等因素影響，同時(shí)調(diào)節(jié)比較困難，為方便控制，一般配置A、B電機(jī)分別單獨(dú)勵(lì)磁，兩個(gè)勵(lì)磁可以同時(shí)調(diào)節(jié)控制。如果采用A電機(jī)的勵(lì)磁電流為固定值輸出，B電機(jī)的勵(lì)磁電流為可控調(diào)節(jié)輸出，B電機(jī)的勵(lì)磁電流輸出根據(jù)A、B電機(jī)電樞電流的實(shí)時(shí)檢測值做動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)變化值。即當(dāng)A電機(jī)電樞電流大于B電機(jī)電樞電流時(shí)，適當(dāng)降低B電機(jī)的勵(lì)磁電流輸出，提高B電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就可以增加B電機(jī)的負(fù)載，使A，B電機(jī)的負(fù)載趨于平衡。當(dāng)A電機(jī)電樞電流小于B電機(jī)電樞電流時(shí)，適當(dāng)增加B電機(jī)的勵(lì)磁電流輸出，降低B電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就可以減少B電機(jī)的負(fù)載，使A，B電機(jī)的負(fù)載趨于平衡。

2.2 勵(lì)磁自動(dòng)修正調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

勝利九號平臺(tái)在多年的生產(chǎn)工作中，一直困擾用戶的一個(gè)嚴(yán)重的問題就是絞車和泥漿泵電機(jī)在“一拖二”方式運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)電樞電流的嚴(yán)重不平衡或稱“劈叉”。由于兩臺(tái)電機(jī)的電樞是并聯(lián)的，且兩臺(tái)電機(jī)是同軸連接運(yùn)行，由調(diào)速式（1）知兩臺(tái)并聯(lián)電機(jī)的n和U是相同的，其余參數(shù)不可能完全一致，特性也有一定的差異，流過兩臺(tái)電機(jī)電樞回路的電流在較大范圍內(nèi)無法一致，隨著負(fù)載的增大（電樞反應(yīng)），電流差距就會(huì)越來越大。為了徹底的解決“劈叉”問題。經(jīng)過分析論證，制定了一臺(tái)電機(jī)勵(lì)磁固定，另一臺(tái)電機(jī)勵(lì)磁可調(diào)的方案。為保證方案實(shí)施的可靠性，電樞部分采用全數(shù)字電壓電流雙閉環(huán)調(diào)速方案，勵(lì)磁部分采用全數(shù)字電流閉環(huán)控制的方案。同時(shí)在A，B兩臺(tái)電機(jī)的電樞回路安裝霍爾元件實(shí)時(shí)檢測電流的大小，并將檢測到的電流值送入控制電路作為勵(lì)磁電流的一個(gè)調(diào)節(jié)參考值。勵(lì)磁的調(diào)節(jié)分為以下幾個(gè)部分來進(jìn)行闡述。

（1）A電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路為電流閉環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁調(diào)節(jié)的給定為電機(jī)的額定勵(lì)磁電流，反饋值為實(shí)時(shí)檢測的勵(lì)磁輸出電流。通過閉環(huán)控制就可以確保輸出穩(wěn)定的勵(lì)磁電流（不考慮電樞反應(yīng)和溫度等對有效磁通的影響）。

（2）B電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路為電流閉環(huán)的PI調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁調(diào)節(jié)的給定為額定勵(lì)磁電流與偏差補(bǔ)償之和，偏差補(bǔ)償為電機(jī)特性的勵(lì)磁修正值與兩臺(tái)電機(jī)電樞電流的偏差值之和，反饋值為實(shí)時(shí)檢測的勵(lì)磁輸出電流。這樣B電機(jī)的勵(lì)磁電流（考慮了兩個(gè)電樞反應(yīng)和溫度變化等參數(shù)的影響）就可以跟隨兩臺(tái)電機(jī)電樞電流變化做實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以保證兩臺(tái)電機(jī)負(fù)載的均衡。

（3）電機(jī)特性勵(lì)磁修正值的確定方法如下。首先選擇電機(jī)“一拖二”電樞并聯(lián)方式運(yùn)行，勵(lì)磁采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，使電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載從小到大分別測定各個(gè)點(diǎn)的勵(lì)磁修正值。修正值的測定方法如下。電機(jī)運(yùn)行后逐漸增加負(fù)載，觀察兩臺(tái)電機(jī)的電樞電流，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)的電樞電流差值到一定值時(shí)，保持負(fù)載不變，手動(dòng)改變B電機(jī)的勵(lì)磁電流修正給定直至兩臺(tái)電機(jī)電樞電流差值小于50A且穩(wěn)定運(yùn)行，記錄此時(shí)B電機(jī)的勵(lì)磁電流修正給定值。然后逐次增加負(fù)載，重復(fù)上面的工作，以此類推分別記錄10個(gè)修正給定值。這10個(gè)勵(lì)磁修正給定值基本涵蓋了電機(jī)的整個(gè)額定負(fù)載區(qū)間。將這10個(gè)值構(gòu)成B電機(jī)勵(lì)磁特性曲線調(diào)節(jié)的擾動(dòng)給定。以1號泥漿泵A、B電機(jī)為例測定出的修正值如表1所示。

表1 A、B電機(jī)修正值

（4）將測定好的特性曲線作為B電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的擾動(dòng)給定雖然能有效的防止由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)幅度過大而造成的系統(tǒng)振蕩。但是在電機(jī)整個(gè)負(fù)載區(qū)間內(nèi)由于運(yùn)行狀況和溫度等情況的不同，即使采用特性曲線作為擾動(dòng)給定，A、B電機(jī)的電樞電流也會(huì)有一定的差異，為了補(bǔ)償這個(gè)差異，更好的平衡兩臺(tái)電機(jī)的扭矩，還須增加一個(gè)擾動(dòng)量修正。此修正量是通過霍爾元件測出A、B兩臺(tái)電機(jī)的電樞電流，送入控制電路處理后做差分運(yùn)算，再將這個(gè)差值作為一個(gè)擾動(dòng)量疊加到B電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的給定上。這種調(diào)節(jié)方案，不但可以快速的完成勵(lì)磁的調(diào)節(jié)，平衡雙電機(jī)負(fù)載，而且勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不易振蕩。很好的解決了A、B電機(jī)的負(fù)載均衡問題。

3 結(jié)束語

以一號泥漿泵為例，實(shí)施上述措施后，獲得如圖2所示的帶載測試的電樞電流輸出波形，從波形上可以看出，A、B電機(jī)電樞電流基本一致，扭矩分配均衡。

圖2 帶載測試的電樞電流輸出波形

經(jīng)過勝利九號平臺(tái)的應(yīng)用證實(shí)，他勵(lì)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)“一拖二”電樞并聯(lián)運(yùn)行通過適當(dāng)控制可以很好的解決雙電機(jī)的負(fù)載均衡問題。這種方法實(shí)現(xiàn)起來簡單，控制效果明顯，可以在他勵(lì)電機(jī)“一對二”電樞并聯(lián)運(yùn)行的工況下推廣應(yīng)用。

參考資料：

［1］機(jī)械電子工業(yè)部，天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所編.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化手冊.ISBN 7-111-02895-3／TM.365.