深井鉆機(jī)絞車多電機(jī)主從同步控制設(shè)計(jì)*

馮莉萍

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司,甘肅蘭州 730314)

深井鉆機(jī)絞車多電機(jī)主從同步控制設(shè)計(jì)*

馮莉萍

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司,甘肅蘭州 730314)

隨著鉆井深度不斷地加深,大功率、高性能的絞車呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。大功率的絞車就必須采用多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng),解決好多電機(jī)同步控制關(guān)鍵就是找到一種新的控制方法來(lái)消除或減小多電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩差值。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,以7 000 m變頻鉆機(jī)為研究對(duì)象,借鑒了國(guó)內(nèi)在多電機(jī)控制方面的各種方案對(duì)比,找出更適合絞車多電機(jī)同步控制方法-主從同步控制。解決好多電機(jī)同步性的問(wèn)題,為未來(lái)超深井鉆機(jī)絞車的研制奠定科學(xué)依據(jù)。

深井鉆機(jī);絞車;多電機(jī)同步;主從控制設(shè)計(jì)

0 引 言

絞車作為石油鉆機(jī)起升系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備,它擔(dān)負(fù)著起升與下放鉆具和井架、給進(jìn)鉆速以及處理井下復(fù)雜事故等一些列重要任務(wù)。它的性能好壞直接影響到石油鉆采設(shè)備使用壽命和使用性能。隨著鉆井深度不斷地加深,大功率、高性能的絞車需求量增大,現(xiàn)代鉆井工藝對(duì)絞車設(shè)備提出了更高的要求。如何制造出高品質(zhì)、高性能絞車是石油裝備制造業(yè)當(dāng)前所面臨的重大課題。那么解決好絞車的多電機(jī)同步控制又是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

7 000～9 000 m的鉆機(jī)所配置絞車的傳動(dòng)系統(tǒng)通常都是由2～4多臺(tái)電機(jī)聯(lián)軸驅(qū)動(dòng),多電機(jī)之間需要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。絞車不論是直流或交流電機(jī)之間連接是通過(guò)硬軸連接的,該類絞車是由2～4臺(tái)電機(jī)通過(guò)機(jī)械連接共同驅(qū)動(dòng),直流絞車各電機(jī)之間通過(guò)軸和多組鏈輪與滾筒軸相連;交流絞車各電機(jī)通過(guò)各自的減速箱后與滾筒軸相連。它們共同的特點(diǎn)就是不論交、直流它們的連接都是物理連接,相互之間存在著強(qiáng)耦作用,對(duì)它們的控制不應(yīng)采用獨(dú)立方式,需要考慮到彼此互相關(guān)聯(lián)。圖1所示的就是1臺(tái)9 000 m交流變頻驅(qū)動(dòng)的絞車傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 9 000 m交流變頻驅(qū)動(dòng)絞車傳動(dòng)系統(tǒng)圖

從圖1中可看出,該絞車由4臺(tái)800 kW變頻電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)滾筒,由于各電機(jī)轉(zhuǎn)差率、安裝誤差和負(fù)載變化等原因,導(dǎo)致各電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不一致,既出現(xiàn)功率不平衡現(xiàn)象,同時(shí)又會(huì)在軸上產(chǎn)生一定的扭矩差,該值在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)值,會(huì)使?jié)L筒軸產(chǎn)生扭振、造成滾筒受力不均。使絞車和相關(guān)設(shè)備應(yīng)力成倍加大,甚至損壞設(shè)備。因此,要保證絞車系統(tǒng)可靠的運(yùn)行,控制好絞車各電機(jī)同步協(xié)調(diào)性是非常重要的。研究多電機(jī)的同步控制方案和控制策略,制定出相應(yīng)的改進(jìn)措施,對(duì)提高深井鉆機(jī)絞車品質(zhì)具有深遠(yuǎn)的意義。

1 絞車多電機(jī)主從同步控制方案

以雙電機(jī)為研究對(duì)象,從理論上講,當(dāng)2臺(tái)型號(hào)相同的電機(jī)通過(guò)硬性軸同軸聯(lián)結(jié)時(shí),由于每臺(tái)電機(jī)的機(jī)械特性相同,則理論上2臺(tái)電機(jī)的負(fù)載均衡分配;受力均勻,但實(shí)際中,即型號(hào)和功率相同的2臺(tái)電機(jī)在制造過(guò)程中由于制造者工藝手法等諸多因素影響,使得生產(chǎn)出來(lái)2臺(tái)電機(jī)電樞電阻或磁通不相同,這就使得2臺(tái)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行特性并不一致,負(fù)載也不能在電機(jī)間平衡分配,這就是傳動(dòng)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是速度控制和力矩均衡控制。

如何協(xié)調(diào)好多電機(jī)控制同步性問(wèn)題,不論在石油行業(yè)還是冶金、化工、軋鋼等領(lǐng)域都屢見(jiàn)不鮮,就這一課題國(guó)內(nèi)、外學(xué)者先后開(kāi)展了廣泛的研究,在理論和實(shí)踐中也取得一定進(jìn)展,具體分為交叉耦合控制和主從同步控制2種控制模式[1]。對(duì)于石油鉆機(jī)絞車控制,更適用于選擇后者主從同步控制。

石油鉆機(jī)絞車主從同步控制的特點(diǎn)是,選擇絞車設(shè)備其中的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為主電機(jī),主電機(jī)的工作運(yùn)行情況與單機(jī)相同,其余電動(dòng)機(jī)為從動(dòng)電機(jī),它跟蹤主電機(jī)的速度及其他指標(biāo),并與自身做差后得到修正值,反饋后控制電機(jī)達(dá)到功率平衡。采用這種方式優(yōu)點(diǎn)是從動(dòng)電機(jī)可以跟蹤主電機(jī)的負(fù)載擾動(dòng)信號(hào),從而共同承擔(dān)負(fù)載、消除擾動(dòng),缺點(diǎn)就是由于采用常規(guī)PID控制器,控制精度一般不是很高,但對(duì)于石油鉆采行業(yè),它不需要精確位置控制,此精度已能滿足鉆井工藝的要求且成本低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。其主從控制方框圖如圖2所示。

圖2 多電機(jī)主從同步控制系統(tǒng)方框圖

2 絞車多電機(jī)主從同步控制設(shè)計(jì)

2.1 雙電機(jī)同軸拖動(dòng)機(jī)械特性

以ZJ70/4500DB絞車研究對(duì)象,如圖3(a)所示,絞車由2臺(tái)交流變頻電機(jī)通過(guò)各自2擋齒輪減速箱變速后直接驅(qū)動(dòng)滾筒軸。從圖3(a)中得知,絞車的傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電結(jié)合的系統(tǒng),其中的電力拖動(dòng)部分是通過(guò)交流調(diào)速方式,控制電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,得到所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速;機(jī)械部分則是由電機(jī)、齒輪、滾筒軸共同組成的一個(gè)復(fù)雜、多質(zhì)量、以彈性元件相聯(lián)系的力學(xué)體系。將其簡(jiǎn)化成單軸拖動(dòng)的系統(tǒng),簡(jiǎn)化后結(jié)構(gòu)如圖3(b)。1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)上所承擔(dān)的負(fù)載力矩分別為T1和T2,雙電機(jī)總的拖動(dòng)力矩為兩臺(tái)電機(jī)各自拖動(dòng)力矩之和,即T=T1+T2,且合力后機(jī)械特性硬度大于單臺(tái)電機(jī)工作時(shí)的機(jī)械特性。通過(guò)計(jì)算和分析找出維持兩臺(tái)點(diǎn)擊平衡運(yùn)行條件。

圖3 7 000 m絞車變頻同步驅(qū)動(dòng)圖

2.2 雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)功率平衡運(yùn)行條件

通過(guò)計(jì)算和分析得知兩臺(tái)電機(jī)平衡運(yùn)行條件是:

式中:K為兩電機(jī)功率平衡系數(shù),n1e為1號(hào)電機(jī)實(shí)際額定轉(zhuǎn)速(實(shí)際額定轉(zhuǎn)速即為標(biāo)定額定轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上,考慮轉(zhuǎn)差率和工況以后的實(shí)際值);n2e為2號(hào)電機(jī)實(shí)際額定轉(zhuǎn)速,n0是電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。K值的大小反映系統(tǒng)功率是否平衡或失衡的程度,要使K=1時(shí),就要保證n1e=n2e,即兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)際額定轉(zhuǎn)速相等?？傊?在控制系統(tǒng)中就要采取各種方法消弱或消除掉由轉(zhuǎn)差率s不同而帶來(lái)的功率差。如何消除消弱或消除掉由轉(zhuǎn)差率s不同而帶來(lái)的功率差。就要從控制系統(tǒng)著手,找出一種控制方式來(lái)解決。

2.3 絞車雙電機(jī)主從同步控制原理

在變頻鉆機(jī)絞車控制系統(tǒng)中引入主從控制模式,采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式,主機(jī)設(shè)定在速度模式工作,從機(jī)設(shè)定在轉(zhuǎn)矩模式工作,將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值。這樣保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),從機(jī)轉(zhuǎn)矩始終與主機(jī)保持一致,同時(shí)因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的原因從機(jī)速度始終與主機(jī)相同,這樣就完成了轉(zhuǎn)矩的分配。

2.4 絞車雙電機(jī)主從同步控制設(shè)計(jì)

擬將變頻電機(jī)M1設(shè)定為主電機(jī),采用速度模式工作,對(duì)電機(jī)M1采用帶速度傳感器的磁場(chǎng)定向矢量控制,如圖4所示。

由絞車操作手柄進(jìn)行速度給定,電機(jī)M1上編碼器作為速度反饋信號(hào),形成速度閉環(huán)控制。而變頻電機(jī)M2作為從電機(jī),設(shè)定為轉(zhuǎn)矩工作模式,將主電機(jī)M1的轉(zhuǎn)矩輸出值作為從電機(jī)M2的轉(zhuǎn)矩(電流)給定,和電機(jī)M2的變頻器輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較,如實(shí)際轉(zhuǎn)矩低于給定轉(zhuǎn)矩,則升速,反之,則減速。這樣當(dāng)電機(jī)M1是速度給定偏大時(shí),其負(fù)載轉(zhuǎn)矩將增大,同時(shí)電機(jī)M1將增大了的轉(zhuǎn)矩值傳給從動(dòng)電機(jī)M2,則電機(jī)M2給定轉(zhuǎn)矩大于實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)矩,電機(jī)M2將在很短時(shí)間內(nèi)升速、直到其轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩平衡,這樣兩電機(jī)間的線速度和轉(zhuǎn)矩就可以達(dá)到實(shí)時(shí)平衡。在這里主從傳動(dòng)速度或轉(zhuǎn)矩分配是由主/從站的變頻器參數(shù)設(shè)置來(lái)完成的。

圖4 有速度傳感器矢量控制調(diào)節(jié)

2.4.1 主回路

(1)電源進(jìn)線柜 本設(shè)計(jì)方案選用1個(gè)1600 A進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜,型號(hào)為6SL3700-0LG41-6AA3-Z,用于將柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出來(lái)的600 V交流電中的高次諧波進(jìn)行濾波。

(2)整流柜 基本整流模塊BLM是用于2象限運(yùn)行的緊湊型供電裝置,無(wú)再生電能反饋,本設(shè)計(jì)方案中整流模塊選用SIEMENS 6SL3730-1TG41-8AA3 -Z。

(3)逆變柜 本設(shè)計(jì)中將用于驅(qū)動(dòng)絞車A、B電機(jī)的逆變器選用相同的2個(gè)模塊,模塊的型號(hào)為SIEMENS 6SL3720-1TG41-0AA3,絞車起下鉆時(shí),需要準(zhǔn)確停車,因此需要配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。

2.4.2 控制回路

本方案采用SIEMENS S7-300 PLC為核心,邏輯功能主要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)有一套控制單元CU320-DP,在絞車A、B電機(jī)軸上分別安裝一個(gè)增量型編碼器,用來(lái)檢測(cè)A、B實(shí)際轉(zhuǎn)速,控制單元和A、B電機(jī)編碼器通過(guò)DP電纜與PLC通訊。兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要同步,在S120變頻器中設(shè)置主、從控制,采用 CU320的多軸模式, DRIVE-CLIQ連接。

2.4.3 變頻器參數(shù)配置

使用STARTER軟件對(duì)S120變頻器進(jìn)行調(diào)試, STARTER可實(shí)現(xiàn)如下功能:硬件組態(tài)和識(shí)別;參數(shù)的設(shè)置;動(dòng)態(tài)性能的調(diào)試;故障診斷;程序上傳及下載。

設(shè)置參數(shù),首先選擇控制模式為矢量(Vector)控制;選擇電機(jī)控制方式;配置電源,配置逆變模塊、編碼器、DP通訊等等,檢查輸入電機(jī)相關(guān)參數(shù)。接著將配置好的參數(shù)保存在ROM中,對(duì)變頻器進(jìn)行優(yōu)化等等操作,使絞車力矩輸出達(dá)到平衡,完成A、B電機(jī)同步控制協(xié)調(diào)性。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,鉆機(jī)絞車采用主從控制,其中的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為主電機(jī),主電機(jī)的工作運(yùn)行情況與單機(jī)相同,其余電動(dòng)機(jī)為從動(dòng)電機(jī),它跟蹤主電機(jī)的速度及其他指標(biāo),并與自身做差后得到修正值,反饋后控制電機(jī),解決負(fù)載功率平衡問(wèn)題。滿足多電機(jī)負(fù)載均衡分配,力矩平衡,多電機(jī)無(wú)沖擊投入推出。在鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和鉆井工況自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù),還可把專家們的意見(jiàn)整理變?yōu)閷＜覜Q策思想輸入其中進(jìn)行控制,從而提高鉆井經(jīng)濟(jì)效益。

多電機(jī)主從同步控制絞車具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①保持驅(qū)動(dòng)力平衡,減少機(jī)械磨損;②實(shí)現(xiàn)電機(jī)合理配置,減少功率冗余,提高電機(jī)利用率;③提高同步驅(qū)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)整體機(jī)械特性的硬度;④相比超大功率特種電機(jī),使用多臺(tái)大功率電機(jī)的性價(jià)比更高。深入研究這一問(wèn)題對(duì)超深井鉆機(jī)絞車的研制具有重要意義。

[1] 孫文喚,程善美,王曉翔,等.多電機(jī)協(xié)調(diào)控制的發(fā)展[J].電氣傳動(dòng),1999(6): 3-6.

Design for Master-Slave Synchronous Control of Multi-Motor in Drawworks of Deep Well Drilling Rig

FENG Li-ping
(Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

With the development of drilling depth,the number of high-power and high-performance drawworks increases year by year.High-power drawworks must be driven by multi-motor synchronization,the key point for multi-motor synchronization control is to find a new control method to eliminate or reduce the torque difference between multi-motors.To solve this problem,in this paper,taking a 7000 meters variable frequency electric drive drilling rig as the research object,comparisons are made among the multi-motor control solutions in domestic,finally it is found that the master-slave synchronization control is find a better multi-motor synchronization control method for drawworks.Solutions to this problem can provide a scientific basis for the future development of ultra-deep drilling rig drawworks.

deep well drilling rig;drawworks;multi-motor synchronization;master-slave control design

TE922

A

1007-4414(2015)05-0181-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.067

2015-08-08

馮莉萍(1964-),女,浙江湖州人,高級(jí)工程師,主要從事石油鉆機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作。