ACS800變頻器主從控制在鉆機(jī)中應(yīng)用研究

黃冰，陳波，張大業(yè)（中石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都610057）

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ACS800變頻器主從控制在鉆機(jī)中應(yīng)用研究

黃冰，陳波，張大業(yè)
（中石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都610057）

摘要：介紹ABB-ACS800交流變頻器主從控制在鉆機(jī)中應(yīng)用。介紹“頻率限幅”現(xiàn)象，分析變頻器通過主從控制分配轉(zhuǎn)矩的過程；介紹“控制轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象，分析變頻器由主從控制下的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)為非主從控制下的速度控制過程。實(shí)際應(yīng)用證明通過合理設(shè)置參數(shù)，防止上述現(xiàn)象出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩合理分配和控制轉(zhuǎn)速差。

關(guān)鍵詞：變頻器；主從控制；頻率限幅；控制轉(zhuǎn)換

ZJ70DBS是全數(shù)字化交流變頻電動鉆機(jī)?？刂葡到y(tǒng)是Simens的S7-400 PLC；驅(qū)動裝置是ABB的ACS800-107-1160/1740-7柜式逆變單元，它是ABB新一代全數(shù)字高端交流變頻器，能完美控制交流電機(jī)。

1　主從控制

1.1簡述

對多電機(jī)傳動系統(tǒng)，為得到理想的同步和負(fù)載均分的控制效果，ACS800變頻器采用主從控制技術(shù)：每臺變頻器控制1臺電機(jī)，變頻器間通過光纖連接，其中1臺變頻器設(shè)為主機(jī)，其它變頻器為從機(jī)。外部信號（包括啟動、停止、給定信號等）只與主機(jī)通訊，主機(jī)將從機(jī)控制字和轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)矩給定值廣播給所有從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對從機(jī)的控制；從機(jī)不通過主/從連接給主機(jī)發(fā)送、反饋數(shù)據(jù)。

1.2原理

主從控制的主機(jī)采用速度控制：根據(jù)DTC原理，比較編碼器反饋值和轉(zhuǎn)速給定值，通過PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出轉(zhuǎn)矩給定值T1（參數(shù)2.09），該值經(jīng)過頻率限幅、直流電壓限幅、功率限幅和轉(zhuǎn)矩限幅后，得到最終轉(zhuǎn)矩給定值T2（參數(shù)2.13）：不受限幅限制，則T2=T1；受限制，T2＜T1。T2和定子磁通給定值分別同相應(yīng)的實(shí)際值在滯環(huán)比較器內(nèi)進(jìn)行比較，得到最優(yōu)的PWM信號，直接控制IGBT開關(guān)狀態(tài)，輸出一定頻率電流，獲得轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

從機(jī)根據(jù)主、從機(jī)連接方式選擇控制方式。主、從機(jī)間通過皮帶等連接的是柔性連接；通過齒輪、鏈條等連接的是剛性連接。由于多電機(jī)傳動系統(tǒng)重要的是主從同步，柔性連接機(jī)構(gòu)不能確保同步，因而從機(jī)常采用速度控制：跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)速給定，主、從機(jī)轉(zhuǎn)速給定一致，但負(fù)載轉(zhuǎn)矩不能平均分配；剛性連接機(jī)構(gòu)耦合緊密，確保同步，從機(jī)常采用轉(zhuǎn)矩控制：無轉(zhuǎn)速比較，從機(jī)直接接收來自主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，該值仍會經(jīng)過4個限幅，不受限，則與主機(jī)平分負(fù)載轉(zhuǎn)矩；受限，主機(jī)重新分配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，見圖1。

圖1　主、從機(jī)轉(zhuǎn)矩給定鏈Fig.1 Master，follower′s torque reference chain

2　實(shí)例

該ZJ70DBS鉆機(jī)僅絞車是雙電機(jī)驅(qū)動，剛性連接（見圖2），主機(jī)為速度控制，從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制。以“頻率限幅”和“控制轉(zhuǎn)換”二實(shí)例來說明主從控制的原理及應(yīng)用。

圖2　絞車傳動圖Fig.2 Drawworks′transmission diagram

2.1頻率限幅

2.1.1現(xiàn)象

絞車使用雙電機(jī)，A電機(jī)為主機(jī)，B電機(jī)為從機(jī)，最高轉(zhuǎn)速nmax均設(shè)為1 560 r/min；將速度手柄推到底（即以1 560 r/min為轉(zhuǎn)速給定值），正轉(zhuǎn)勻加速上提游車，轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值（設(shè)為nlim）后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，B電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率降低甚至為負(fù)值，電流降低；而A電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩、功率均大幅增加，A，B電機(jī)負(fù)載嚴(yán)重不平衡。

2.1.2數(shù)據(jù)

表1為來自工控機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

表1　“頻率限幅”中A，B電機(jī)參數(shù)表Tab.1 A，B motors′parameter list in“frequency constraint”

2.1.3分析

絞車電機(jī)是三相交流異步變頻電機(jī)，其電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩公式為

式中：T為轉(zhuǎn)矩；s為轉(zhuǎn)差率；R2為轉(zhuǎn)子每相繞組電阻；U1為定子每相繞組感應(yīng)電動勢；f1為定子電流頻率；X2為轉(zhuǎn)子每相繞組最大感抗值。其中(sX2)2對轉(zhuǎn)矩值影響小。

式中：n1為同步轉(zhuǎn)速；n2為電機(jī)轉(zhuǎn)速；p為極對數(shù)；Φm為旋轉(zhuǎn)磁場通過單相繞組的最大磁通；N1為單相繞組匝數(shù)。

將式（2）、式（3）代入式（1）得：

1）4～6 s，主、從機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩幾乎一致。根據(jù)前述原理，主機(jī)計(jì)算所需合轉(zhuǎn)矩，并平均分配給主、從機(jī)；同時，負(fù)載以a1勻加速運(yùn)行，主、從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及合轉(zhuǎn)矩均不變，根據(jù)式（4），T不變，則n1即f1隨n2升高而增加。

2）7～10 s，主、從機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎一致，但輸出轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡。這其實(shí)是從機(jī)轉(zhuǎn)矩受“頻率限幅”限制，主、從機(jī)重新分配轉(zhuǎn)矩的結(jié)果。

由于從機(jī)按轉(zhuǎn)矩給定值運(yùn)行，但不向主機(jī)反饋其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速實(shí)際值，且僅依賴編碼器對速度監(jiān)控，保護(hù)不足，因此從機(jī)變頻器內(nèi)部會計(jì)算一個估算速度值（設(shè)為n估），轉(zhuǎn)速達(dá)到nlim但小于nmax時，由于估算值偏大，n估= nmax，此時電機(jī)定子電流頻率為f1 lim。

由于外部信號只與主機(jī)通訊，決定了絞車的轉(zhuǎn)速給定值是主機(jī)最高轉(zhuǎn)速而不是從機(jī)的，盡管從機(jī)n估=nmax，但主機(jī)未達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，主機(jī)繼續(xù)加速，通過機(jī)械耦合，從機(jī)跟隨轉(zhuǎn)動，從機(jī)轉(zhuǎn)速n2繼續(xù)升高，但從機(jī)定子電流頻率f1不變（即n1不變），保持為f1 lim，這就叫“頻率限幅”；同時，主機(jī)f1仍隨n2升高而增加，負(fù)載以a2勻加速運(yùn)行，主、從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不平衡但合轉(zhuǎn)矩不變。

根據(jù)式（4），從機(jī)n1不變和加速時合轉(zhuǎn)矩不變：

n2升高但n2＜n1，從機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，主機(jī)轉(zhuǎn)矩升高；

n2=n1，從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為0，主機(jī)輸出全部轉(zhuǎn)矩；

n2＞n1，從機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，處于發(fā)電狀態(tài)，不對外作功，卻將一部分主機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；主機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速升高，其轉(zhuǎn)矩不僅用于負(fù)載，一部分用于拖動從機(jī)。

2.1.4結(jié)論及措施

頻率限幅導(dǎo)致主、從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡，這種狀況主要與從機(jī)估算速度值有關(guān)，如果n估始終小于nmax，就能避免該現(xiàn)象；因此設(shè)定從機(jī)最高轉(zhuǎn)速高于主機(jī)的，在從機(jī)達(dá)到主機(jī)最高轉(zhuǎn)速期間，n估始終小于從機(jī)的nmax。實(shí)踐中，將主機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)為1 560 r/min，從機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)為1 610 r/min以上，沒再出現(xiàn)頻率限幅現(xiàn)象。

2.2控制轉(zhuǎn)換

2.2.1現(xiàn)象

絞車使用雙電機(jī)，A電機(jī)為主機(jī)，速度控制；B電機(jī)為從機(jī)，轉(zhuǎn)矩控制，主機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)為2 050 r/min（也是主、從變頻器最大輸出轉(zhuǎn)速），而從機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)為2 100 r/min以上（不會“頻率限幅”）。

1）啟動雙電機(jī)，解除剎車，轉(zhuǎn)速給定為0，主、從機(jī)懸持，輸出轉(zhuǎn)矩一致；

2）絞B電機(jī)聯(lián)軸器拆開，啟動雙電機(jī)，誤操作解除剎車，轉(zhuǎn)速給定為0，絞B電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升高至約2 050 r/min，并保持該轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；絞A電機(jī)幾s微動后，懸持。

2.2.2數(shù)據(jù)

表2為來自工控機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

表2　“控制轉(zhuǎn)換”中A，B電機(jī)參數(shù)表Tab.2 A，B motors′parameter list in“control convert”

2.2.3分析

啟動雙電機(jī)，解除剎車，轉(zhuǎn)速給定為0，主機(jī)A計(jì)算所需合轉(zhuǎn)矩，并分配給主、從機(jī)。

1）從機(jī)B：由于聯(lián)軸器拆開，負(fù)載轉(zhuǎn)矩幾乎為0，從機(jī)接受主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值，輸出轉(zhuǎn)矩?負(fù)載轉(zhuǎn)矩，絞B迅速加速，f1隨n2升高而增加，30～33 s，在達(dá)到2 050 r/min前，一直輸出略增加的轉(zhuǎn)矩值；33～35 s，在達(dá)到2 050 r/min后，從機(jī)B將轉(zhuǎn)為速度控制，轉(zhuǎn)速給定為2 050 r/min，主機(jī)A對從機(jī)B的轉(zhuǎn)矩給定值無效，從機(jī)遵循前述速度控制原理，重新計(jì)算轉(zhuǎn)矩，使其等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，最終通過降低f1迅速獲得低轉(zhuǎn)矩，以保證按轉(zhuǎn)速給定值2 050 r/min運(yùn)行，防止超速；見圖3。

圖3　“控制轉(zhuǎn)換”中從機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度圖Fig.3 Follower′s torque and speed diagram in“control convert”

2）主機(jī)A：30～33 s，由于與從機(jī)分配轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩＜（懸重）負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)反轉(zhuǎn)，游車下滑，但轉(zhuǎn)速給定為0，為克服反轉(zhuǎn)動，主機(jī)A重新計(jì)算合轉(zhuǎn)矩，該值會增大，但由于轉(zhuǎn)矩分配的原因，電機(jī)會繼續(xù)微動；33～35 s，在從機(jī)B轉(zhuǎn)為速度控制后，絞A，B電機(jī)間無主從控制，類似于單電機(jī)運(yùn)行，主機(jī)A按轉(zhuǎn)速給定的0 r/min運(yùn)行，承受全部（懸重）負(fù)載轉(zhuǎn)矩，保持懸持，從機(jī)B按轉(zhuǎn)速給定2 050 r/min勻速運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)矩幾乎為0。

2.2.4結(jié)論及措施

這是一個誤操作造成的極端案例，通常不會出現(xiàn)這種工況。從1）到2），可推論出：從機(jī)轉(zhuǎn)矩控制時，始終接受主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值并輸出，當(dāng)從機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減少或丟失，從機(jī)會加速，偏離主機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到限值時，從機(jī)轉(zhuǎn)化為速度控制，輸出轉(zhuǎn)矩會降低，主、從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不平衡。

在工程中，通常會允許負(fù)載不平衡，但會限制主、從機(jī)轉(zhuǎn)速差，不會出現(xiàn)案例中主、從機(jī)差速過大現(xiàn)象。一方面，從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，按主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值運(yùn)行，確保轉(zhuǎn)矩分配；未按轉(zhuǎn)速給定值運(yùn)行，從機(jī)速度總會偏離主機(jī)的，主、從機(jī)就有轉(zhuǎn)速差，因此，一定的轉(zhuǎn)速差是允許和必要的；另一方面，從機(jī)不向主機(jī)反饋其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速實(shí)際值，可能造成主、從機(jī)轉(zhuǎn)速差過大，導(dǎo)致主、從機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波動大，狀態(tài)不穩(wěn)定。為此，在從機(jī)的速度環(huán)節(jié)中增加了窗口控制功能：將參數(shù)26.01 TORQUE SELECTOR設(shè)為“ADD”，23.07 WINDOW INTG ON設(shè)為“ON”，并設(shè)定速度上偏差23.08 WINDOW WIDTH POS和下偏差23.09 WINDOW WIDTH NEG。當(dāng)從機(jī)速度誤差超過上/下偏差，控制字7.02b7激活窗口控制功能，從機(jī)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)器輸出一個負(fù)/正轉(zhuǎn)矩值，該輸出值與主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值的和作為最終的從機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值，以保證從機(jī)轉(zhuǎn)速限制在窗口限定的范圍之內(nèi)；反之，從機(jī)按主機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值運(yùn)行。實(shí)踐中，合理設(shè)置參數(shù)后，沒再出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過度升高導(dǎo)致控制轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。見圖1及圖4。

圖4　“窗口控制”功能的從機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度圖Fig.4 Follower′s torque and speed in“windows control”

3　結(jié)論

從實(shí)例分析可知，針對同軸連接需要同步運(yùn)行的場合，通過合理設(shè)置參數(shù)，ACS800變頻器的主從控制在多數(shù)情況下能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均勻分配，并控制主從轉(zhuǎn)速差，保證多個同軸電機(jī)的同步運(yùn)行，減少了設(shè)備因不同步、負(fù)載分配不平衡而導(dǎo)致的系統(tǒng)和設(shè)備故障。

參考文獻(xiàn)

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修改稿日期：2015-09-11

Master/Follower Control′s Applied Research in Rig about ACS800 Converter

HUANG Bing，CHEN Bo，ZHANG Daye
（Chuanxi Drilling Company of Ccdc，Cnpc，Chengdu 610057，Sichuan，China）

Abstract:Introduced the ABB-ACS800 AC converters′master/follower control′s application in rig. Introduced the“frequency constraint”，analysed the torque sharing′s process by master/follower control；introduced the“Control convert”，analysed the process from the torque control of master/follower control to speed control of no-master/follower control. Protect the above mentioned appearance by setting reasonable parameter，put through the reasonable torque sharing and control the velocity contrast.

Key words:converter；master/follower control；frequency constraint；control convert

收稿日期：2015-04-17

作者簡介：黃冰（1976-），男，本科，機(jī)電工程師，Email：331854667@qq.com

中圖分類號：TM921

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A