基于频率矢量(F+V)控制的石油钻机电气驱动控制系统设计.pdf

《基于频率矢量(F+V)控制的石油钻机电气驱动控制系统设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于频率矢量(F+V)控制的石油钻机电气驱动控制系统设计.pdf（2页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、学 术 论 坛 S c i e n c e a n d T e c h n o I o g y I n R o v 8 基于频率+矢量(F+V)控制的石油钻机电气 驱动控制系统设计方案研究 王洪诚 李红伟 陈贵(西南石油大学 四川成都 6 1 0 5 0 0)摘要：通过深入研 究石油钻机 电气驱动系统 的构成和控 制方 法，提 出了基于频率 4-矢量(F+V)控制的 电气驱 动系统设计方案，介绍 了系 统 的特点和 主要设 备选 型及 预期结 果。关键词：变频调速 矢量控制 电气驱动 系统 中图分类号：I M 9 2 1 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 4 0 9 8 X(2 0 0 8

2、)0 7(b)一 0 1 4 l-0 2 1前言 石 油钻 机 是 石 油 天然 气 勘探 开 发 工 程 中 的重 要 成 套 设 备，主 要 包 括旋 转 钻 进 系 统、钻机液循环系统、钻具起升系统、动 力供 应 系统、仪 器仪 表 系统、底 座 和其 他 辅 助设 备等I I I。直接电驱动钻机 自2 0世纪 7 0 年代开始 应 用，目前 已进 入 全面 代替 传统 的 机 械 液 压 传 动系 统 钻机 时期，技 术 已非常 成熟。电 气控 制 系 统 主 要 包括 电能 供 应 系 统，泥 浆泵、绞车、转 盘和 自动 送钻 驱动 系统，照 明和 仪 器仪 表 控 制 系统 I。电

3、能 供 应 系统 和照明、仪器仪表控制系统部比较 简单，控制方法明确，其差异是控制 器件的不同。电动机驱动调速系统则比较复杂，控 制方 法 灵 活 多 样，目前 在 这 一 领 域 非 常 活 跃。通 过对 交、直流 调 速 系 统 和 矢量 控制 系统 的正 开 究，结合石油钻机的工作特点和钻井 工 艺要 求，本人 提 出 了一 种 基于 频率 矢 量(F+V)控 制的 全数字 交流调速控 制方案，供 同 行 参 考。2钻机电气控制系统的总体方案 根据 直接 电驱 动 石 油 钻 机 电 气控 制 系 统的组成，基于频率 f矢量(F V)控制的一 般直接 电驱动石油钻机 电气控制系统的原 理

4、 框 图 如 图 1所示。坭装泵电机 皱车驱动电机 转盎电机 进钻电机 图 l F V 控制 的石 油钻 机 电气控制 系统一般性 原 理框 图 考虑 到 石 油 钻 机 的 工 作 环 境 和 电 源 供 应条 件，电能 供 应 系统 仍 然 采 用 设 备 自备 独 立 电源 和 国家 电 力 网双 重 电源 系 统。自 备 独立 电源 由 4 台柴 油 发 电机 组并 联 运 行(其中一台备用)组成专用小型供电网；国 家电力网由 l 0 kV线路引入，经电力变压器 变换成 0 6 k V后在低压母线与自备电源并 网或 者 互 为备 用。钻机 供 电 系统 的 容 量 视 钻 机 的 总

5、设 备 装 机 情 况 和 使 用 容 量 确 定，图 2 全数字通用变频器一异步 电动机调速系统原理框 图 西南石油大学校级科技基金资助编号：2 0 0 7 X J zl l 5 对于 ZJ 7 0中型钻机，一般在 7 5 0 0KVA 左 右。包 括 电能 供 应 系 统在 内的 整个 钻 机 的 控 制采用工控机 I PC+P LC+P r f i b u s现场 总 线并 与开 关 柜 相 结 合的 混 合控 制 方 式，柴 油 发 电机组的调速 采用 电子调速器如 23 0l A 电液型或者 E6 V 电动型，PLC选 用 S i e mn e s 公司的 s 7 3 0 0 产品，

6、这是非常成熟 的技 术，很容 易实现【3 I。照明和仪器仪表、操作控制台都属于 常规 电 气控 制，采用 P L C 或 开关 器件 即可 实 现。泥 浆 泵驱 动 电机、绞 车、转 盘 驱 动 电 机和 自动送钻驱动电机的控制是钻机控制 系统 的 核 心。这 几 种 驱动 系统 虽然 具 有 一 定的 关联，但 每个 系统 相 对独立，而 且部 属 于调速 系统或者传动系统，控 制方法可以 统一，只是在具体的参数和性 能指标要求 上有 差异。近 2 0年研 究 发展，钻机 驱动 电 气传动系统 目前在国内外基本上趋 交流 变频调速 矢量控制的方式。3电气驱动系统设计 电气驱动 系统是以电动机

7、为控制对象 控制的运动控制系统，在石油钻机 中主要 包括泥浆泵，绞车，转盘和顶驱动电机(自 动送 钻 电机)。3 1泥浆泵，转盘电机驱动系统 泥 浆泵、转盘 驱 动 系统 由于要 求不 高，只要运行速度平稳，有一定的稳态精度 和动态抗干扰能力即可。为 了便于 实现，减少设备 调试维护难度，可采用 目前交流 科技创新导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d 1 4 1 维普资讯 http:/ 2 0 0 8 NO 2 0 百 忑 d T e c h n o l o g y I n n o

8、v a t i o n He r a l d 变频调速中广泛采用的全数字通用变频器 一一异步电动机 调速 系统，系统原理框图 如图 2所示。其 中变频器可选用国内外任 何 一 家 专 业 变 频 器 厂 的 产 品 均 可满 足 要 求，对于 Z J 7 0中型钻机，每台电机可分别 选用 l l O O kW，06 0 0 V和 8 0 0 kW，06 0 0 V 变频柜即可。交流 电机可选用 国内外普通 鼠笼式三相异步电动机，也可以选用近年 来 专 为 变 频 调 速 生 产 的 变 频 电 机。对 于 ZJ 7 0中型钻机，泥浆 泵配用 l l 0 0 k W 6 0 0 V 三相异步 电

9、机，转 盘配用 8 0 O kW、60 0 V 三 相 异 步 电 动 机。系统需要设定的控制信号主要有 Uf 特性 曲线、工作频率、频率升高时 间和频 率 下降时间等。系统为转速开环恒压频比 控制，在低频或负载的大小不同时，由改变 Uf函数 发生 器的 特性 曲线 来 补偿。可 以 在操 作中根据钻机实际的工作情况，在微 机 中存 储 不 同 斜 率 的 工 作 特 征 曲线 函 数，由技术人员根据现场实际需要选择最佳特 征 曲线来进 行补偿。也可以采 用霍尔电流 传感器适时检测异步电动机定子电流或变 频 器直流回路电流，根据 电流的大小，自动 控 制变频 器的 I GBT 或 I PM(功

10、率 模块)实现 对 电压的补偿。但是这种系统始终存在着 过补偿或者 欠补偿的可能。由于 系统 自身 没 有 自动限制电动机 起制动 电流 的作用，因此，频 率设定 必须通过给定积分算法产 生 平 缓 的 升 速 或 降 速 信号，升 速 和 降 速 的 积 分 时 间根 据 负 载 需要，由司 钻 人 员分 别 选定，其基本控制作用如图 3所示 3 2绞车送钻电机驱动系统 绞 车 电机 控 制 钻具(钻 头、钻 杆)的起 升，要求 定 位准 确，升 降 速度 平 稳，加 减 速 度快，动态性好。自动送钻电机控制钻井 压 力，影 响 钻井 的 掘进 速度 和钻 井 质量，在 钻机运行中要求钻压恒

11、定，一般不超过 5 k N，否则将会产生顿钻等钻井事故，损坏 钻 具。为此，对 绞车 和 送 钻 电机 采用 转 速、磁 链闭 环 的 矢量控 制 系统+能 耗制 动 单元 实现四象限运行控制方式，控制系统 原理 图 如 图 4 所 示(图 中未 出现 能 耗制 动 单 元)。图4中的电流滞环PWM 变频器结构原 理 框 图如 图 5所 示。变频 器可选 用 S i e mn e s 6 S E7 1 系列的绞 车 变 频 柜 和 自动 送 钻 变 频 柜，容 量根 据钻 机所 配备 的电机 容量 确定，如 Z J 70型 钻机 可选用 8 0 0 k W，6 0 0 V绞车变频柜和 4 5

12、k W，40 0V 自动送钻 变频柜 即可。电动机 则可选 用国内外生产的普通三相感应式异步 电动 机，数字测速采用数字编码器。4预期结果 本设计方案 已经 由作者在实验室进行 图3 P WM 变压变频器的基本控制作用 学 术 论 坛 驱动电路 图 4 带转矩内环的转速、磁链闭环纹车、送钻电机矢量控制系统原理结构图 图5电流滞环PWM 变频器构原理框图 了大 部分 的 实验，并 进行 了计算 机仿 真，虽 还 存 在 一 些 需 要 进 一 步 解 决 的 问 题，但 实 验 和仿真效果较好，下一步准备 在西 南石 油大学 石油天然 气装备研究实验室开放 课题“钻机起升和井 下工具 综合实验装

13、 置研制”项 目中应 用。本设计方案基本体 现 了目前国内直接 电驱动石油钻机的发展 水平，具有方案合理，技术先进，容易操作，便 于 实 现 的特 点。参考文献 【1】张军，石油钻机电传动控制系统方案优化 A B C 配置【J】电工技术杂志，2 0 0 4(8)，3 9 4 0【2 1王代华，电驱动石油钻机电气传动控制系 统设 计研究【J】电气传动，2 0 0 5，3 5(8)3 5 【3】安建军，安建珍 钻机变频传动电控系统 的总体设 计【J】电气传动 自动 化，2 0 0 6，2 8(6)，4 0 4 2 【4】陈佰时，电力拖动自 动控制系统运动控制 系统【M】第 3版 1 8 5 1 8

14、 7北京 机械 工业 出版 社，2 0 0 3 8【5】同【4】：第 3版 2l l 一2 1 2(上接 1 4 0页)达 到“自然 任 真 的 人 格境 界”。当然，我 们并 不是 苛 求每 个 人都 是诗 人。但胸怀“诗意”之人，不作诗也可以是 诗人。“诗意的栖居”即倡导人们有一颗敏 感 的、发现 美的 心 灵。让 自然 之 美 如 春 水 微澜荡漾在我们的心田，让 我们能诗意地【3】陶渊明集 栖 居 在 大 地 上。【4】叶 嘉莹 叶 嘉莹说 汉魏 六朝诗 参考文献【l】任俊华，刘晓华 环境伦理学的文化阐释 【2】蒙培元，人 与 自然 1 4 2 科技创新导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n H e r a l d 维普资讯 http:/