無碼變頻鉆井泵及其控制系統(tǒng)研究

龔治濱，楊硯杭，陳湘陵，朱奇先

（1.渤海鉆探第五鉆井公司，河北河間062450；2.中國石油渤海鉆探第四鉆井公司，河北任丘062550；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834009；4.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

鉆井泵為鉆機(jī)的必配裝備，常規(guī)變頻鉆機(jī)配置中，泥漿泵大多是由單臺變頻器拖動，采用無編碼器速度控制。從控制結(jié)構(gòu)上來說簡單、方便。但隨著鉆井泵功率的增加，在綜合考慮成本、性價(jià)比等因素下，選擇兩臺變頻器來拖動是比較好的解決方案。本文就鉆井泵電機(jī)及其拖動裝置的選擇原則以及在控制方法上應(yīng)注意的幾個問題進(jìn)行論述，以供相關(guān)人員參考。

2 鉆井泵

鉆井泵種類較多，功率等級的規(guī)格也很多，對不同的鉆機(jī)和鉆井要求有不同的配置。4000m以上的變頻鉆機(jī)大多配置 2 臺或更多的 F-1600/1600L/1600HL 型鉆井泵［1］，其技術(shù)參數(shù)見表 1、2［2］。

表1 F-1600/1600L 鉆井泵技術(shù)參數(shù)

表2 F-1600HL鉆井泵技術(shù)參數(shù)

3 電機(jī)及變頻裝置選型

鉆井泵的輸出功率P2由下式計(jì)算：

與其輸入功率P1之間的關(guān)系為：

其中 p 為額定壓力 MPa，Q 為排量 L/s，η2為容積效率，在上述鉆井泵中 η2＝0.9。對應(yīng) F-1600L，F(xiàn)-1600HL，在同一傳動比和額定120沖時，其輸出功率對比見表3.

表3 F-1600L/HL 輸出功率對比

由上表計(jì)算可見，鉆井泵的額定功率指其輸入功率，只要輸入功率相同，無論高低壓泵，需要拖動電機(jī)的功率是相同的。因此拖動電機(jī)選型的第一個要求，是額定輸出功率應(yīng)不小于鉆井泵的輸入功率。其次需要確定電機(jī)的額定速度。對于鉆井泵，根據(jù)額定沖數(shù)n3、齒輪傳動比i可以計(jì)算輸入轉(zhuǎn)速n2為：

對于直驅(qū)鉆井泵，這個速度就是電機(jī)的額定輸出速度，對應(yīng)的直驅(qū)扭矩T2為：

對于通過皮帶驅(qū)動的鉆井泵，需要根據(jù)皮帶的規(guī)格以及拖動電機(jī)的安裝位置確定電機(jī)的額定速度，當(dāng)確定電機(jī)的額定速度n1為1000rpm時，需要的額定扭矩為：

此時的皮帶傳動比為：

由于在確定的額定電機(jī)速度（對應(yīng)額定電壓）下，扭矩與輸入電流成比例，而輸入電流須由變頻裝置提供，因此過高的扭矩要求不利于變頻裝置和電纜的選擇，推薦在相同功率下，盡量選用高速電機(jī)。例如當(dāng)電機(jī)的額定速度選為1500rpm時，需要的額定扭矩為：

皮帶傳動比為：

兩相比較，后一種更容易選擇變頻裝置，但后一種變比能否實(shí)現(xiàn)，則取決于從電機(jī)輸出軸到鉆井泵輸入軸之間變比的合理匹配。對于功率因數(shù) cosφ＝0.88，傳輸效率 η1＝0.95 的常規(guī)單機(jī)變頻電機(jī)來說，需要的額定輸入電流（額定輸入電壓U1＝600V）I1為：

亦即變頻裝置最小的額定輸出電流；對于雙機(jī)拖動的變頻裝置，單臺裝置的額定輸出電流為總電流一半再加5%。綜上所述，拖動電機(jī)功率的選擇根據(jù)鉆井泵功率，速度取決于直驅(qū)還是間驅(qū)；根據(jù)確定的電機(jī)速度（對應(yīng)電壓/頻率）和傳輸效率及功率因數(shù)選擇變頻裝置的額定輸出電流和恒功率V/f點(diǎn)。

4 控制方式

鉆井泵為鉆機(jī)工作時提供穩(wěn)定的具有一定壓力的泥漿流量，對其輸出特性的要求為：在設(shè)定的沖數(shù)下，能夠自動、快速地抗擾泥漿壓力變化而保持沖數(shù)不變。與此對應(yīng)，變頻裝置應(yīng)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩變速控制模式上，即轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)無差控制，內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定來自轉(zhuǎn)速外環(huán)的輸出，轉(zhuǎn)矩實(shí)際值通過檢測電機(jī)實(shí)際扭矩獲取；外環(huán)的速度給定來自工作指令，速度實(shí)際值通過檢測電機(jī)的實(shí)際速度獲取；內(nèi)外環(huán)控制器均采用比例（P）積分（I）無差調(diào)節(jié)器。這些功能要求在變頻器上屬于標(biāo)準(zhǔn)配置，只須正確使用即可。電機(jī)實(shí)際扭矩（對應(yīng)泥漿壓力）的獲取方法很多，普遍的做法的是通過檢測變頻器輸出電流根據(jù)算法模型間接獲取，精度很高，已可滿足使用要求；需要注意的是實(shí)際速度的獲取方式，雖然采用速度編碼器直接測量最為準(zhǔn)確，但考慮到鉆機(jī)工作的實(shí)際環(huán)境以及其他方面的要求，這種方式實(shí)際不易實(shí)施，不如采用間接計(jì)算獲取更為實(shí)用可靠?？傊趯?shí)際應(yīng)用中，絕大多采用的是無速度編碼器的矢量或者轉(zhuǎn)矩控制模式，基本能夠完全滿足鉆井泵的要求。

5 存在問題及解決措施

5.1 靜態(tài)扭矩

采用上述控制方式，當(dāng)設(shè)定速度低于參考額定頻率的5%以下時，速度閉環(huán)自動切換到開環(huán)方式，控制性能下降，電機(jī)處于不受控制的抖動狀態(tài)，忽而正傳，忽而反轉(zhuǎn)。給定零泵沖換鉆桿即是這種工況。為避免這種情況產(chǎn)生意外后果，通常用增大靜態(tài)輸出扭矩進(jìn)行抑制，為使抑制效果明顯，變頻器一般對此設(shè)置較高，默認(rèn)為額定扭矩的80%甚至更高。但在上述工況下，這種設(shè)置將使變頻器工作狀況隨時間的延長嚴(yán)重惡化，而時間的長短決定于換鉆桿時的鉆井工藝，最長可能到10min～30min。這將導(dǎo)致功率器件IGBT或IGCT嚴(yán)重過熱、極易損壞，可能會大幅增加運(yùn)行成本，影響鉆井效率！解決方法是規(guī)定操作程序，換桿時必須停機(jī)；同時壓低靜態(tài)扭矩設(shè)置到額定的30%或以下。

5.2 扭矩均衡

當(dāng)用雙機(jī)雙變頻器拖動時，無論轉(zhuǎn)矩控制還是矢量控制，均以準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，輔以合理的主從控制結(jié)構(gòu)，很容易做到雙機(jī)間扭矩均衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。以編碼器檢測實(shí)際速度的話，這個設(shè)想的實(shí)現(xiàn)非常容易。對于無測速編碼器情況，轉(zhuǎn)子位置和速度計(jì)算沒有了共同的基礎(chǔ)，加上雙機(jī)間調(diào)節(jié)過程不可能完全同步，最終結(jié)果將使兩機(jī)間在同一轉(zhuǎn)速下扭矩大小相差懸殊，甚至方向相反，造成軸上扭矩處于振蕩狀態(tài)。扭矩對時間的積分形成轉(zhuǎn)速，因此振蕩的扭矩必然導(dǎo)致振蕩的轉(zhuǎn)速，使鉆井泵無法正常工作。為解決這個問題，采取的第一個措施是兩機(jī)間控制結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，每機(jī)V/f控制。試驗(yàn)的結(jié)果為速度扭矩同時振蕩，而且隨著泵壓負(fù)載的增大振動加劇直至變頻器故障停機(jī)；在第一個措施上加強(qiáng)聯(lián)系，增加主從控制通道，各機(jī)仍然采用V/f控制，經(jīng)過試驗(yàn)，效果沒有改觀；再在第二方案上將控制器改為比例調(diào)節(jié)，經(jīng)過試驗(yàn)，可以同步運(yùn)行，扭矩有小幅震蕩，但在泵負(fù)載增加時，泵沖下降明顯，負(fù)載變化時，泵沖達(dá)到穩(wěn)定過程的時間相當(dāng)長，這種情況在實(shí)際上無法使用。經(jīng)過對變頻器控制過程和故障現(xiàn)象的深入分析，大體上找到了問題所在。原來變頻器在調(diào)節(jié)運(yùn)算中，始終監(jiān)視設(shè)定速度和實(shí)際速度，正常工作時，由于數(shù)字運(yùn)算速度很快，在外部機(jī)電大慣性時間常數(shù)下，速度設(shè)定基本上等于實(shí)際速度，兩者相差很小。當(dāng)產(chǎn)生扭矩振蕩時，電流變化劇烈，以此為輸入快速計(jì)算出的速度與電流同步的劇烈變化，振蕩幅度和持續(xù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了允許的最大范圍，變頻器為保護(hù)自身和相關(guān)設(shè)備，必然要做出故障停機(jī)動作。為消除這個問題，經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，造成扭矩振蕩的原因是速度調(diào)節(jié)器的輸出，扭矩調(diào)節(jié)器的輸入，關(guān)鍵是其中的積分量增大過快，實(shí)際速度由于要經(jīng)過大慣性的機(jī)電時間延遲后才反映到轉(zhuǎn)速上，而調(diào)節(jié)器按照固有的運(yùn)算速度很快的輸出了要求加速的扭矩，綜合后必然使調(diào)節(jié)器振蕩。如果將快速增長的積分量的一部分作為速度調(diào)節(jié)器的反向信號輸入到速度調(diào)節(jié)器，將抵消一部分加速扭矩及其快速變化，進(jìn)而消除振蕩。因此以主從控制結(jié)構(gòu)，用速度調(diào)節(jié)器部分積分量反向疊加組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，取得了兩機(jī)速度平穩(wěn)，扭矩相差最大在額定的5%以下的優(yōu)良性能指標(biāo)，完全達(dá)到了實(shí)際現(xiàn)場的使用要求！

6 結(jié)束語

變頻泥漿泵配置電機(jī)時，只要輸入功率確定，沒有高壓泵和低壓泵區(qū)分，需要的拖動電機(jī)功率相同；在確定的功率下，高速電機(jī)比低速電機(jī)取用的電流小，較小的電流易于選用變頻器和傳輸電纜；控制結(jié)構(gòu)一般為無測速傳感器的轉(zhuǎn)速扭矩雙閉環(huán)無差恒轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)；在使用中要盡量避免5%額定速度以下的區(qū)段；對于雙機(jī)拖動同一硬性連接軸的應(yīng)用，除去用在5%額定速度以下區(qū)段外，還須采用主從控制結(jié)構(gòu)以保證扭矩均衡，同時還要采取措施降低加速扭矩，設(shè)法使雙機(jī)間扭矩誤差在設(shè)定范圍內(nèi)。做好以上工作后，雙機(jī)拖動的無編碼器鉆井泵性能完全可以和有編碼器的相媲美，并且更為可靠、易用！