直流鉆機(jī)絞車(chē)的特殊振蕩

張建，張康利，王玉明，朱奇先

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆井公司，重慶 400021；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

串勵(lì)調(diào)速拖動(dòng)在直流鉆機(jī)中有大量應(yīng)用，但高速輕載時(shí)的絞車(chē)工藝振蕩是其固有缺點(diǎn)。如何消除振蕩、滿足操作要求是設(shè)計(jì)控制裝備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以SINAMICS DCM整流裝置構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)并研究其控制策略，以供同行參考和探討。

1 起鉆工藝

直流鉆機(jī)的絞車(chē)用于拖動(dòng)鉆具，電機(jī)輸出軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載之間通過(guò)機(jī)械離合器傳遞動(dòng)力［1］。在起鉆工藝中，大鉤以貓頭速度帶上鉆具負(fù)載后，司鉆踩下腳踏控制器（速度給定階躍到額定），電機(jī)以控制系統(tǒng)設(shè)定的方式加速到額定速度并將大鉤從鉆臺(tái)面提升至二層臺(tái)附近或特定位置，再松開(kāi)腳踏（撤除額定、恢復(fù)貓頭速度給定）、斷開(kāi)離合器（卸去負(fù)載），進(jìn)行完其他工藝后，重復(fù)上述過(guò)程，直到下鉆工藝結(jié)束。在卸去負(fù)載到恢復(fù)貓頭速度之前，電機(jī)處于高速空載狀態(tài)，如果控制系統(tǒng)沒(méi)有合適的預(yù)防措施，轉(zhuǎn)速將大幅波動(dòng)而無(wú)法進(jìn)行下一步的工藝操作。

2 調(diào)速結(jié)構(gòu)

本文以SINAMICS DCM直流調(diào)速整流器［2］的數(shù)字控制軟件功能塊搭建控制架構(gòu)，串勵(lì)變磁通調(diào)速控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中RFG為積分器，ST為速度控制器，LT為扭矩控制器，A1代表晶閘管三相橋式變流器，A2代表電樞電路，A3為電流／反電勢(shì)變換環(huán)節(jié)，A4為反電勢(shì)／轉(zhuǎn)子速度變換環(huán)節(jié)，A5為濾波器，A6為除法器，A7為磁通模擬器。由圖可見(jiàn)，速度反饋方式與傳統(tǒng)的獲取略有不同。

圖1 串勵(lì)變磁通調(diào)速控制結(jié)構(gòu)圖

3 振蕩原因

3.1 電流斷續(xù)

本文中的電機(jī)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，供電回路見(jiàn)圖2。其中，電源G的電壓為 AC600V50Hz，漏感 LT＝0.0025mH，電抗器的漏感 Llx＝0.0211mH。

表1 YZ08（A）串勵(lì)數(shù)據(jù)

圖2 供電回路

參照文獻(xiàn)［3］的 6－74 式，取計(jì)算系數(shù) C＝0.1時(shí)，計(jì)算的電機(jī)電感量為：

按圖2回路供電時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［3］的6－77式，取計(jì)算系數(shù) Klx＝0.1、KL＝2、KUV＝2.34、UVΦ＝600／1.732時(shí)，電流的連續(xù)最小計(jì)算值為：

實(shí)際空載運(yùn)行時(shí)電流為50A左右，對(duì)比可知其處于斷續(xù)狀態(tài)。因此，按電流連續(xù)配置設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)控制參數(shù)在此時(shí)容易振蕩。

3.2 反饋斷續(xù)

（1）降速時(shí)間

在摩擦扭矩Td作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子從額定速度ne降低到貓頭速度na＝0.2ne時(shí)，計(jì)算的平均時(shí)間：

隨著速度的降低，靜摩擦阻力逐漸增大，實(shí)際時(shí)間比計(jì)算的有所減小，實(shí)測(cè)為40s左右。

（2）調(diào)節(jié)過(guò)程

松開(kāi)腳踏瞬間，由于反饋（ne）遠(yuǎn)大于給定（0.2ne），在速度控制器ST、扭矩控制器LT作用下，橋式變流器A1關(guān)斷，無(wú)電壓輸出，回路電流中斷，反饋?zhàn)兞?；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，貓頭給定在ST、LT作用下，A1開(kāi)通，輸出相應(yīng)電壓，由于斷續(xù)，電流和磁通立即出現(xiàn)，因慣性，轉(zhuǎn)子速度較高，感應(yīng)的反電勢(shì)也較高，通過(guò)計(jì)算獲取的速度反饋仍然大于給定，在ST、LT作用下，A1重新關(guān)斷。因此，A1將重復(fù)關(guān)斷、開(kāi)通、再關(guān)斷、再開(kāi)通，直到轉(zhuǎn)子下降到貓頭速度為止。

（3）反饋狀態(tài)

根據(jù)上面論述，結(jié)合速度反饋獲取方式以及電流斷續(xù)的情況，起鉆工藝的這個(gè)階段，在降速期間，反饋狀態(tài)不是恒定量，而是時(shí)有時(shí)無(wú)，兩次有的量值隨著轉(zhuǎn)子速度的變化而變化，在調(diào)節(jié)參數(shù)合適時(shí)處于減幅振蕩狀態(tài)，不合適時(shí)處于增幅振蕩狀態(tài)。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 控制方面

（1）自適應(yīng)

在滿足電流連續(xù)的控制系統(tǒng)參數(shù)下，給電流調(diào)節(jié)器LT增加斷續(xù)自適應(yīng)控制。根據(jù)文獻(xiàn)［4］，具體的做法就是在電流斷續(xù)時(shí)，使其從較大的比例積分器變成小時(shí)間常數(shù)的積分器，且使該常數(shù)按變流器A1放大倍數(shù)的降低而相應(yīng)降低。

（2）斷反饋

增加自適應(yīng)功能后，由于放大倍數(shù)較低，控制系統(tǒng)反應(yīng)較慢，在貓頭速度加載提升時(shí)，有可能出現(xiàn)大鉤停轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)的不允許現(xiàn)象。因此，可以采用在升速空轉(zhuǎn)時(shí)有自適應(yīng)，在帶載時(shí)取消自適應(yīng)，從帶載到卸載空轉(zhuǎn)速度降到貓頭速期間斷開(kāi)反饋的結(jié)構(gòu)變化解決振蕩問(wèn)題，這在本文所采用的控制器中很容易實(shí)現(xiàn)。

（3）加制動(dòng)

加制動(dòng)的方式在ROSS HILL模擬控制的鉆機(jī)中大量采用，其實(shí)現(xiàn)方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。

4.2 操作方面

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，振蕩多數(shù)產(chǎn)生于先卸載后松腳踏的操作方式。如果先松腳踏，等速度降到接近貓頭速時(shí)，再卸載，則基本上不會(huì)有振蕩現(xiàn)象。這雖然犧牲了部分的操作自由度，但換來(lái)了控制的簡(jiǎn)單、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)。從解決問(wèn)題的角度看，也不失為一種有效的措施，只是改變了操作習(xí)慣而已。

5 結(jié)論

空載高速時(shí)的振蕩是串勵(lì)調(diào)速的固有缺點(diǎn)，這主要是由于電流斷續(xù)和反饋振蕩所致。采用自適應(yīng)控制和合理處理好速度反饋后，能夠很好地應(yīng)用于工藝復(fù)雜的鉆機(jī)絞車(chē)拖動(dòng)，可帶來(lái)成本較低、控制簡(jiǎn)單、可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)。本文以SINAMICS DCM直流調(diào)速整流器為基礎(chǔ)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，采取了多種控制措施，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，其對(duì)于消除振蕩取得了比較理想的效果，可供同行參考。