（机械电子工程专业论文）交流变频驱动特深井钻机绞车协调控制技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 交流变频驱动特深井钻机绞车协调控制技术研究 机械电子工程 杨瑞帆( 签名) 彭勇( 签名) 摘要 特深井钻机的绞车由多台大功率电机通过并车后驱动，保证了钻井过程的功率需求； 由于绞车多电机传动系统的结构对称，滚筒轴的振动和受力不均等问题明显的减少。但 是，由于制造上的原因，即使型号、规格相同的电机也存在着机械特性差别。因此，在 驱动绞车滚筒的过程中，电机组各电机之间存在着不同步、负载分配不均等情况，影响 了系统的传动效率，造成了不必要的能源损耗。如果该情况长时间存在，不但会对电机 造成损害，还会影响钻井进程。 针对上面的问题，本论文结合实际工况，从理论上探讨、研究了绞车多电机的协调 控制技术。本文首先分析了双电机传动系统的结构及原理，找出并车传动过程中，同轴 联接的电机组负载不均衡的原因，并选用主从同步传动方式来消除多电机间的功率差； 接着本文对交流异步电机的矢量控制进行分析，建立了电机以及传动系统的数学模型， 据此设计含有转速转矩环的闭环传动系统方案；最后在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，对 多电机传动系统进行了仿真。仿真中运用了模糊p i d 控制算法，文中对涉及到的模糊控 制策略进行了详细介绍，并设计了核心单元模糊p i d 控制器。仿真过程中考虑了系 统稳定工作以及受到负载冲击这两种不同情况，并对这两种情况下的控制响应进行了分 析。通过仿真试验表明本文中的设计可以取得良好的控制效果。 关键词：绞车；多电机传动系统；协调控制；模糊p i d 控制 论文类型：应用技术研究 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h er e s e a r c ho nc o o r d i n a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fa cv a r i a b l ef r e q u e n c y d r i v ed e e pd r i l l i n gw i n c h m e c h a n i ca n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g y a n g r u i f a n p e n g y o n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ew i n c ho fe x t r ad e e ps h a f tr i gi sd r i v e nb ym u l t i p l eh i g hp o w e rm o t o r st h a tp a r a l l e l e d ， w h i c h g u a r a n t e e sd r i l l i n g sp o w e rr e q u i r e m e n t ；a n d b e c a u s et h es t r u c t u r eo fw i n c h m u l t i p l e m o t o rd r i v es y s t e mi ss y m m e t r i c a l ，t h e r e f o r et h ep r o b l e m ss u c ha sv i b r a t i o no fd r u m s h a f ta n du n b a l a n c eo fs t r e s sa r e o b v i o u s l y r e d u c e d b u _ t ， b e c a u s es o m er e a s o n so f m a n u f a c t u r i n g ，e v e ni ft h em o t o r s - h a v es a m em o d e la n dr a t i n g ，t h e r es t i l le x i s td i f f e r e n c eo n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nt h e m t h e r e f o r e ，i nt h ep r o c e s so fd r i v i n gw i n c hr o l l e r , t h e m o t o rg r o u pa p p e a r ss o m es i t u a t i o nl i k eo u t - o f - s t e pa n dl o a du n b a l a n c e d t h o s es i t u a t i o nh a s a f f e c t e ds y s t e m st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , a n dc a u s e du n n e c e s s a r i l ye n e r g yw a s t a g e i ft h o s e s i t u a t i o ne x i s to v e ral o n gt i m e ，i tw i l ln o to n l yc a u s ed a m a g et ot h em o t o r s ，b u ta l s oa f f e c tt h e p r o c e s so fd r i l l i n g i nv i e wo ft h ea b o v eq u e s t i o n ，t h i sp a p e rc o m b i n e da c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n dt h e n d i s c u s s e d 、s t u d i e dc o o r d i n a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u eo fw i n c hm u l t i m o t o r f i r s t l y , t h ep a p e r a n a l y z e dt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fd u a l m o t o rd r i v es y s t e m ，s ot h a tt of i n do u tt h er e a s o n o fl o a di m b a l a n c e da g a i n s tm o t o rg r o u pw h i c hc o n n e c t e db yt h es a m ea x l ei nt h ep r o c e s so f c o m p o u n dt r a n s m i s s i o n ，a n ds e l e c tt h em o d eo fm a s t e r - s l a v es y n c h r o n i z a t i o nt oe l i m i n a t et h e p o w e rd i f f e r e n c ew h i c he x i s t e di nm u l t i m o t o r ；t h e nt h ep a p e ra n a l y s i s e dv e c t o rc o n t r 0 1 o fa c a s y n c h r o n o u sm o t o r ，a n de s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o t o r sa sw e l la s t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n dd e s i g n e dp r o p o s a lo fc l o s e d - l o o pt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c h i n c l u d e st h er o t a t i o ns p e e d p o w e rr i n g ；f i n a l l y , u n d e rt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，i t h a si m p l e m e n t e ds i m u l a t i o nt ot h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fm u l t i m o t o ni tu s e dt h ef u z z y - p i d c o n t r o la l g o r i t h mt oa c c o m p l i s hs i m u l a t i o ni np a p e r , a n di n t r o d u c ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi n d e t a i l ，a l s od e s i g n e dt h ec o r eu n i t f u z z yp i dc o n t r o l l e r ；i nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i o n , i th a s c o n s i d e r e ds t e a d yw o r ka n ds u b j e c t e dt ol o a ds h o c ks u c ht w ok i n d so fs i t u a t i o n s ，a n dt h e n c a r r i e do na n a l y s i st oc o n t r o lr e s p o n s ef o rt h o s es i t u a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g no ft h i st h e s i sc a ng e tag o o dc o n t r o le f f e c t k e y w o r d s ：w i n c h ；m u l t i p l e - - m o t o rd r i v es y s t e m ；c o o r d i n a t e dc o n t r o l ；f u z z y - - p i dc o n t r o l 主要符号表 主要符号表 一电动机转速，r r a i n ； 疋气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，v ； z 定子频率，h z ； 。每极气隙磁通量，啪； p 电动机功率，单位w ； 国电动机角速度，单位l a d $ ； r 转矩，柳； ，系统的转动惯量，堙所2 ； g d 2 飞轮距，册2 ： f 减速器的传动比； 7 7 传动效率； s 转差率； z 转子电磁时间常数，s ： 缈，转子磁链，啪； 0 定子电流的励磁电流分量，a ； 乙定子电流的转矩电流分量，a ； 助比例因子； 鼢积分因子； r s 电机定子电阻，q ； r r 电机转子电阻，q ； i r 电机定子电感，h ； i 广电机转子电感，h ； i m - 电机互感，h ； 刀口电机极对数。 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期：趔旦：笸坦 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 盘趣 耀 日期： 日期：、o g i 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 绞车是石油钻机起升系统中的关键设备，它担负着起升与下放钻具和井架、给进钻 速以及处理井下复杂事故等一系列任务，这样一个重要的传动部件能否安全稳定的工作 是保证整个钻井过程正常运转的前提。随着石油勘探开发工作中钻采难度和深度的增加， 以及近年来深海勘探作业的步伐大大加快，大功率、高性能的绞车需求加大，现代钻井 工艺对新型绞车也有了更高的要求：可进行精确的控制，安全与可靠性高；负载与过载 能力大，能够及时处理井下事故，同时在频繁起下钻这样的工况中保持高效率。交流变 频电驱动( a c v f d - a c ) 钻机绞车可以很好的完成这些任务，这类绞车由交流变频器、 异步电动机及有关仪器组成的系统来拖动，与传统的机械和直流驱动方式相比，交流变 频钻机绞车的机械结构简化，传动效率提高，易于实现对滚筒的转矩及速度的控制，有 利于提高钻井的自动化n 。近十年来，交流变频钻机绞车适应了新型石油钻采工艺需求 而得到了迅速的发展，已成为国内外高性能大型钻机所配备绞车的主要型式和发展方向 2 1 o 特深井( 钻深9 0 0 0 m 以上) 钻机是近年来应用于钻井的一种重要类型的大型钻机，主 要用于传统钻机无法满足的海洋深水、超深井、大位移井等复杂钻井工况。该类型钻机 多以交流变频方式驱动绞车，绞车拖动功率强大，如果采用单个大功率电机拖动虽控制 方法简单，但稳定性差、精度低；同时一台电机的功率往往也不能满足拖动功率需求， 因此需要多台电机共同拖动来完成任务。现已研制成功的特深井钻机通常以多台( 一般 为4 - - - 5 台) 大功率交流异步电动机驱动绞车，通过对几台电动机的并车控制，可以初步 实现电动机运行过程同步以及无冲击的切入、切出口1 。但是目前使用多台大功率变频电 机驱动特深井绞车的工程实践运用有限，仍然需要做大量的试验研究工作，该系统常存 在的一些控制技术难点有：在电机负载出现突变或速度跳变时，电机组之间原有的稳定 和同步状态被打破，系统对外界扰动的调节反应慢；各电机间的转矩不平衡，表现为加 载在绞车滚筒轴上的功率分配不均匀，造成系统的相关有害应力成倍增加，严重时影响 整个钻井过程。因此保证钻机绞车传动系统的电机协调同步运行仍是一个工程技术难点。 在前人的基础上，深入讨论多电机的同步控制方案和控制策略，得出相应的改进方法， 提高钻机的整体性能，对石油钻机的实际生产具有重要的意义。 1 2 交流变频技术应用于钻机的背景知识 交流变频技术的应用通常分为两大类：一类是用于电气传动调速；另一类是提供各 种静止电源。对石油钻机来说，交流变频技术一个典型的应用是电气传动调速，通过使 用交流变频器、异步电动机及有关仪表组成的系统来驱动绞车和钻并泵等。这其中交流 变频器( v f d ) 是交流变频技术的应用设备，它在绞车上的应用主要体现在3 个方面： 西安石油大学硕士学位论文 为电动机提供交流变频电源，间接为绞车提供动力；通过改变电源频率调节电动机转 速，实现对绞车传动性能的控制；作为控制器，控制调节电动机组之间的并车运行， 使其转速一致、负荷均衡。 1 2 1 交流变频控制技术 应用交流变频技术能使电动机获得优异的调速和启动、制动性能，同时具备高效率、 高功率因数的优点，因此交流变频技术常被用来提高工艺流程、改善工作环境、推动技 术进步等。鉴于众多优点，该技术已成为目前公认的最有发展前途的调速方式之一。交 流电机的控制方法众多，目前实用的交流调速系统的控制方法有以下几种： 1 v f 控制 早期的交流变频控制大多采用开环恒压频比v f 的方式，它的原理是正弦脉宽调制， 即s p w m 。为保持转子磁通的恒定，必须在变频的同时变压，在控制过程中始终保持 v f = c 。v 腰控制方式的优点是结构简单、价格低廉、使用调试方便，应用于风机、水 泵等场合时，节电效率高，使用效果好。缺点是系统性能不高，速度动态特性较差，电 机转矩利用率低，其控制曲线会随着负载的变化而变化，低频工作时，会出现转矩减小、 转矩脉动、谐波加大的问题，因此不适宜在低频时运行h 1 。 2 转差频率控制 转差频率控制引入了速度闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或降低，与v f 控制相比，加、诫速更为平滑，且容易使系统稳定。但是转差频率控制未能实施对电机 瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。 3 矢量控制 矢量控制是由西德b l a s c h k e f 等人在2 0 世纪7 0 年代初提出的电机控制理论，它是 通过坐标变换，将电机的定子电流解耦为产生磁通的电流分量( 励磁电流) 和产生转矩 的电流分量( 转矩电流) ，然后分别对这两个分量进行控制陆1 。这样一个过程将复杂的交 流异步电机等效为直流电动机模型，使其具有与直流电机同等水平的控制性能。矢量控 制实施应用中出现过几个不同的方式：基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感 器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 4 直接转矩控制 直接转矩控制( d t c ) 是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐 标系下分析异步电动机的数学模型。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式， 从而在算法上不存在旋转坐标变换，它是通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间 矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直 接控制畸3 。由于d t c 以转矩控制为中心，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰， 从某种程度上来讲，d t c 方法要比矢量控制方法具有更高的鲁棒性。但是d t c 也存在 不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想阳1 。 2 第一章绪论 目前来说矢量控制在实际中的应用最为广泛。矢量控制的交流调速系统中通常采用 传统p i d 控制器，其结构简单、易于实现，适合于线性系统，但对于交流调速控制系统 这样一个非线性强耦合的受控对象，p i d 控制的精度与响应速度均不太理想。现在，国 内外学者将现代控制理论中的智能控制与传统控制结合起来，这是研究出高性能的交流 调速系统基本思路口1 。 1 2 2 交流变频钻机的发展现状 钻机电传动系统按其驱动电机的不同分为直流传动和交流传动两种类型。直流电传 动系统由柴油机驱动交流发电机发出交流电，通过s c r 整流装置后将其转换为可控的直 流电，控制直流电动机驱动绞车、转盘等。交流变频传动系统是由柴油机驱动交流发电 机发出交流电，通过变频装置将其转换为频率范围可调整的交流电源，控制交流变频电 动机驱动绞车、转盘等疆1 。相比而言，交流变频钻机绞车具备更卓越的性能，已成为近 年来电动钻机的重要形式，也是本文的研究对象。 1 国外交流变频钻机的发展现状 国外早在2 0 世纪8 0 年代后期就开始对交流变频电动钻机进行研究。其中特深井变 频钻机的早期产品有n a t i o n a l o i l w e l l 公司生产的2 0 4 0 u d b e 型钻机，它的名义钻井深 度达到1 2 1 9 2 m ；此外还有加拿大的d r e c o 公司生产的d 4 0 0 0 型钻机，其名义钻井深度 也超过1 2 0 0 0 m 坶。 进入2 1 世纪后，国外在特深井交流变频钻机方面的研制有了新的发展，实现了交流 电气传动的自动化控制。美国n a t i o n a l o i l w e l l 公司6 0 0 0 型交流变频钻机采用变频器与 西门子s 7 3 0 0 型p l c 结合控制完成绞车传动系统的自动化：张建成介绍了美国h i t e c 和n a t i o n a l o i l w e l l 公司根据现代海洋钻机深海作业需求，研制出配备a h d ( a c t i v eh e a v e d r i l l i n g ) 系统的大功率交流钻机，a h d 系统的特点是可以根据绞车滚筒速度、位置、 负载对游车进行升降补偿n 们。该钻机绞车使用8 台6 6 0 k w 的交流电机驱动，它们并车 组成一个复杂而高效的传动控制系统。 2 国内交流变频钻机的发展现状 国内的科技人员和有关单位在2 0 世纪9 0 年代后期将交流变频调速技术应用于石油 钻机。王定亚与孙娟从钻深和技术发展两方面出发，概述了国内交流变频钻机的发展历 程，认为我国交流变频钻机可以划分为以下3 大发展阶段h 。 第一阶段始于1 9 9 7 年，宝鸡石油机械有限责任公司( 宝石公司) 首次在石油钻机中 引入交流变频技术，开发了国内第一台z j l 5 d b 变频钻机，随后又相继研发了z j 3 0 d b 、 z j 4 0 d b 等型号的中深井交流变频钻机，该时期国内开发的变频钻机并未充分发挥交流 变频技术的优越性，绞车的传动方式也仍保留了传统的多挡、链条驱动形式；第二阶段 始于2 0 0 1 年，交流变频技术和高速交流变频电动机技术的成熟与发展推动了钻机开发研 制的进步发展，以宝石公司和四川宏华公司为代表，于2 0 0 2 年分别研制了z j 7 0 d b 和 3 西安石油大学硕士学位论文 z j 5 0 d b s 深井交流变频钻机，该时期的钻机绞车已采用一挡单轴齿轮传动形式并应用了 先进的交流变频矢量控制技术；第三阶段从2 0 0 5 年开始，交流变频钻机开始朝大型化方 向发展，超深井、特深井钻机被提到重要发展议程，宝石公司在2 0 0 6 年和2 0 0 7 年先后 研制出国内首台具有我国自主知识产权的9 0 0 0 m 和+ 1 2 0 0 0 m 特深井石油钻机，绞车功率 分别达到2 9 4 0 k w ( 4 0 0 0 h p ) 和4 4 0 0 k w ( 6 0 0 0 h p ) ，均由4 台同规格型号的大型交流变频 电机驱动，对4 台电机采用先进的控制策略，较好的实现在不同工况需求下进行4 台电 机之间的平稳切换、功率匹配，大大提高了钻机的整体智能化、自动化水平，可以说是 中国石油钻机史上的一次重大历史突破。 1 3 多电机协调控制技术的背景知识 特深井钻机的绞车由多台大功率电机联轴驱动，多台电机之间需要实现协调控制。 多电机协调控制是一个跨学科的综合性研究课题，它涉及到电力电子、机械、自动化控 制及计算机技术等学科n 刁。多电机协调控制问题在垂直升船机、大型龙门吊车、冶金、 机械、纺织等行业也广泛存在n3 1 。按照驱动电机间的连接关系，多电机传动系统可分为 三类：第一类是各电机之间相互独立，不存在物理连接；第二类是各电机间通过柔性件 物理连接，如皮带等，这类情况中各电机的工作状态相互影响；第三类是电机之间通过 硬轴连接，转速严格一致n 钔。 大型石油钻机绞车的传动系统中的电机属于第三种连接方式，该类型绞车通常由几 台有机械联系的电机共同驱动，各电机通过各自的减速器后和同一根滚筒轴联在一起， 由变频器进行调速控制，组成一个完整的同步控制系统，整个系统要求电机速度同步、 转矩均衡。与单电机传动系统不同的是，由几台电机组成的传动系统通过齿轮啮合进行 物理连接，相互之间存在着强耦合作用，对它们的控制不应采用独立方式，而需考虑到 彼此互相关联。如果将这些电机的传动都当作独立单元来控制，绞车运行时各电机的速 度、转矩将难以匹配均衡，会带来诸多问题，例如机械连接轴滚筒轴两边的电机实 际转矩不均衡，这会在轴上产生一定的扭矩差，该扭矩差在电机运行过程中是一个动态 值，会使滚筒轴产生一定的扭振、造成滚筒受力不稳定等影响，这对绞车以及钻井过程 都是不利的。 目前已有许多专家学者针对双电机和多电机的同步传动方法做了大量研究和总结。 已提出的方法有：两电机电枢的串、并联连接方法n 司；基于补偿原理的多电机同步联动 控制方法( 差电流负反馈和差速度负反馈等) d 叼；以及基于现代控制理论的控制方法等 1 1 7 【1 8 】 0 随着工程应用中对精度、效率等要求的不断提高，新型控制实现方式得到迅速发展， 相应的研究也在同步进行。 4 第一章绪论 1 3 1 钻机绞车传动系统构成 本文以钻机绞车传动系统为研究对象，围绕多电机同轴驱动滚筒轴的协调同步技术 寻找解决方法，主要是对功率平衡的问题进行相关研究。 1 一大功率交流变频电机；2 传动轴i ；3 一齿轮箱 4 一滚筒轴总成；5 一液压盘式刹车；6 传动轴i i 图1 - 19 0 0 0 m 海洋钻机绞车传动结构原理 如图1 1 所示为9 0 0 0 m 海洋钻机绞车传动结构，4 台型号相同的7 0 0 k w 交流电动机 通过传动轴、并车齿轮箱合力驱动滚筒轴，为绞车提供提升动力，满足多种钻井工况下 的技术性能要求，这种传动方式在提供钻井所需功率的同时也能提高电机的使用寿命、 改善电机效率，是目前特深井钻机绞车重要的结构形式之一。 1 3 2 多电机同步控制策略 如图1 1 所示的绞车电机传动方式称为并车。理想情况下，当多台型号相同的电动 机通过硬性轴同轴联结时，由于每台电动机的机械特性相同，则理论上各电机的负载平 均分配，均匀受力。但在实际中，即使型号相同的电动机往往也会由于制造工艺等诸多 因素的影响而出现电枢电阻或磁通( 转差率) 不相等的情况，这就使得各电机的实际运 行特性并不一致，负载也不能在电机间平均分配，这是在绞车传动系统中时常遇到的问 题。类似的情况也出现在其它行业设备上，如钢铁、铜等金属冷轧机的主轧机和卷取机 设备、大型龙门吊车等，这种多电机传动系统的关键是解决好速度控制和力矩均衡控制 两大问题n 钔。可以说，多台电机同轴驱动方式在改善电机性能、提高传动效率、减少能 量损耗的同时也带来了问题采用什么样的控制技术来实现多电机的协调控制。针对 多电机同步控制相关技术问题，国内外学者开展了广泛的研究，在理论和实践上取得了 一定的进展，较为成熟的同步协调控制方式主要有以下三种啪3 ： 1 并列同步控制 并列同步控制的原理框图见图1 2 。这是一种最简单的同步控制方法瞳，该控制方 法的特点是：每台电动机都由一台变频调速器调节，变频器的调速工作与单电机运行时 的情况相同，该控制方式不考虑电机问的相互影响，通过变频调速器给定使各电机具有 西安石油大学硕士学位论文 相同的数值，如n l - - m = 爿h 。 图卜2 多电机并列i 司步控制系统结构图 这种控制策略实际上是一种非交叉耦合控制方式，每台变频控制器对应控制一台电 机，而对其它电机的变化具有不可见性，这种方式中变频控制的优点只能一定程度的体 现在单台电机上，由于各电机之间不能跟踪调整，从而影响多电机系统难以实现协调控 制。 采用这种控制方式的优点是电机之外附加的设备少，缺点是工作不确定，功率分配 不平衡，运行起来问题也较多，只适用于对控制精度要求不高的领域。 2 主从同步控制 主从同步控制方式的原理框图见图1 3 。 图卜3 多电机主从同步控制系统结构图 主从同步控制方式的特点是：选择系统中的一台电动机作为主电机，主电机的工作 情况与单机运行情况相同，而其余电机为从动电机，它跟踪主电机的速度或其他指标， 并与自身值做差后得到修正值，反馈后控制电机达到功率平衡。采用这种控制方式的优 点是从电机可以跟踪主电机的负载扰动信号，从而共同承担负载、消除扰动；缺点是该 控制策略常采用常规p i d 控制器，控制精度可满足一定要求，但不是很高。 3 交叉耦合控制 交叉耦合控制策略最初由k o r e n 在1 9 8 0 年提出。在实现交叉耦合控制策略时，一般 是将几台电机的速度或其它信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号。跟 6 第一章绪论 踪这个附加的反馈信号，系统就能够反映出任何一台电机的负载变化，从而获得良好的 同步控制精度。但是文献【2 2 指出，这种控制策略不适合两个以上电动机的同步控制情 况捌。 1 3 3 多电机控制理论的发展 多电机同步控制的研究已经获得了一些成果，同步控制理论中有传统的p i d 控制， 此外还有比较先进的智能控制理论，如神经网络、模糊控制1 。 神经网络产生于2 0 世纪4 0 年代，8 0 年代后期在多种学科的研究应用中进入发展高 潮。神经网络是由大量的人工神经元广泛互连而成的网络，它可以模拟人的形象思维并 具备学习、获取知识的能力。神经网络在控制中的作用一般有两种：充当被控对象模 型；用作控制器。由于神经网络在控制中具有自学习、自适应性，因此它具备了同线 性系统的自适应控制相似的特点。但在多电机同步控制系统使用中，由于实时性的要求 限制了神经网络的应用。 1 9 7 4 年，伦敦大学教授e h m a m d a n i 用模糊逻辑开发了世界上第一台模糊控制的蒸 汽机，开创了模糊控制的历史阱1 。模糊控制在传动系统中的应用较为广泛，许多研究人 员在这方面做了大量的研究工作。文献 2 3 】中提到应用神经网络对电机定子电流分析是 个可靠的办法，作者还考虑到在应用中电机负载转动惯量会随工况发生变化，系统非线 性因素较多，如果能将智能控制与矢量控制、直接转矩控制结合起来，就能改善变频调 速控制系统中不确定因素带来的种种影响。文献 2 5 1 在设计中利用模糊控制器代替速度 环p i 调节器来控制电机拖动系统；文献 2 6 1 综合了p i d 控制与模糊控制的优点，利用模 糊p i d 补偿方案对多电机同步驱动系统进行了仿真获得较好的同步性能，该控制方法解 决了高精度和高可靠性同步驱动控制问题，可广泛应用于闸门、龙门吊车的电轴传动及 造纸、电缆等系统的同步协调传动中。 将模糊控制应用于交流电机调速中是一个前途广阔的课题。它对被控对象的数学模 型没有精确的要求，能够克服非线性因数的影响。在使用模糊控制时，交流电机多输入、 多输出、非线性的特点能很好的被表达，从而解决传统控制方法不能解决的问题。 1 4 论文的研究内容 本文以交流变频钻机为讨论研究对象，考虑绞车电动机的特性参数与电机组并车驱 动绞车时的具体情况，研究交流变频控制下多电动机的协调同步问题。主要完成了一下 几个方面的工作： ( 1 ) 介绍了绞车传动系统的相关基础理论，分析了交流变频调速时电机带负载运转 的机械特性和稳定运行条件，并对大功率绞车的多轴传动系统进行了简化。 ( 2 ) 以两台电机合力拖动滚筒轴为例，分析双电机合力拖动同一机构时的机械特性， 找出并车过程中功率不平衡的原因以及功率平衡所需满足的条件。根据分析结果，设计 7 西安石油大学硕士学位论文 选择了主从式功率( 负载) 平衡方案。 ( 3 ) 利用坐标变换理论分析交流异步电机的矢量控制，建立电机解耦数学模型，并 根据选定的磁链开环转差型矢量控制方式对多电机传动系统进行了设计分析。 ( 4 ) 根据绞车传动过程中的机电模型以及设计选定的协调控制方案，利用 m a t l a b s i m u l i n k 对绞车传动系统进行仿真，并对其给予分析说明。 1 5 创新点 针对绞车的多电机传动系统，考虑电机组之间的耦合作用，在分析了两台电机并 车基础上，结合交流变频技术建立了四台电机控制系统的数学模型。 结合绞车电动机的特性参数与实际工程需求，应用模糊p i d 控制策略对四台电机 组成的绞车传动系统进行了基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真，分析了并车电机组数目选取与 系统效率间的关系。 1 6 论文来源 论文研究内容来源于西安石油大学承担的“大功率钻机绞车并车控制技术研究 科 研项目。 8 第二章交流变频传动系统基础 第二章交流变频传动系统基础 钻机绞车的传动系统是一个机电结合的系统，其中的电力拖动部分是通过交流调速 方式，控制电机将电能转换为机械能，得到所需的转矩与转速；机械部分则是由电机、 齿轮、滚筒轴共同组成的一个复杂、多质量、以弹性元件相联系的力学体系，存在着机 械系统的过渡过程。本章将从电动机交流调速和机械动力学两方面介绍绞车传动系统， 后续的章节以两台电机同轴传动为例分析解决多机协调问题。 在各种异步电动机调速系统中，变频调速系统效率最高、同时性能最好，是交流调 速的主要发展方向。由电机学知道，异步电动机的转速可表示为： 刀：盟( 卜s ) ( 2 1 ) p 式中，n 为电动机转速i 厂为电动机定子的供电频率；s 为转差率；p 为电动机定 子绕组极对数。 由公式( 2 1 ) 可知，电动机的输出转速与三个因素有关：输入电源频率、转差率、一 电机极对数，因此可选取的调速方式有变极调速( 调整p ) 、能耗转差调速( 调整j ) 和 变频调速( 调整厂) 等阱1 。 当转差率变化不大时，速度刀与频率厂基本成正比，于是通过改变供电电源频率就 能调节异步电动机的转速，这种调速方式称为变频调速，能获得较宽的调速范围，调速 平滑性好同时相对稳定，在工程上得到广泛应用。 2 1 变频调速的基本方式 在进行异步电机调速时，希望保持电动机中每极磁通量。为额定量不变。如果磁 通太弱，电机铁心不能得到充分利用，也不会产生足够的电磁力矩，这就影响电机在加 减速时的快速性；如果磁通太大，又会使电机铁心饱和，从而产生过大的励磁电流，严 重时可能会造成绕组过热而损坏电机。 交流异步电机定子每相绕组感应电动势的有效值为： 乓= 4 4 4 f n l k l 。 ( 2 - 2 ) 式中： e 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) ； 石定子频率( h z ) ； m 定子每相绕组串联匝数； k ，基波绕组系数； 。每极气隙磁通量( m ) 。 由式( 2 2 ) 可知l 和k 。是常数，要控制磁通肘，就要控制好t 和石。为此可以 考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种调速情况。 9 西安石油大学硕士学位论文 2 1 1 基频以下调速 由式( 2 - 2 ) 可知，要保持挪不变，在调节频率石从额定值变小时同时也应该降低乓， 保持 乓伤= 常值 ( 2 3 ) 该控制方式称为恒电动势频率比。 然而，绕组中的感应电动势是不容易直接测量到的，由于通常的情况下电动势值较 高，因此常可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，认为定予相电压u 1 与e g 相等，此时得 到： 阢崩= 常值 ( 2 4 ) 该情况下的控制方式称为恒压频比，其控制特性如图2 1 所示。 u l u 1 n o f l n n 工j 图2 - 1 恒压频比控制特性 低频率时，u l 和乓的值都较小，定子绕组漏阻抗压降所占的比例较大，此时就不 能忽略，可以有意的把电压u 。提高一些，这样就能一定程度的补偿定子漏阻抗压降。如 图2 1 所示，线1 为无补偿的控制特性，线2 为有定子压降补偿的恒压频比控制特性。 2 1 2 基频以上调速 将频率在额定频率万。的基础上继续升高便成为了基频以上调速。此时要注意：电机 定子电压u 难以超过额定电压q 矗，最多只能保持= u 月。由式( 2 2 ) 可知，此时磁 通与频率将呈现反比特性，类似于直流电机弱磁调速的情况。 将基频以下和基频以上两种调速情况结合起来就得到异步电动机变压变频调速控 制，其特性如图2 - 2 所示。 1 0 第二章交流变频传动系统基础 图2 - 2 异步电机变压变频调速控制特性 如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在温升允许情 况下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。根据电力拖动原理，在基频以下，保持磁通 恒定就能使转矩恒定，具有“恒转矩调速”性质；而在基频以上时，转速的升高会造成 转矩降低，总体上能保持“恒功率调速 。 2 2 绞车传动系统的转矩及运动方程 钻机绞车的传动系统实际上是以电动机为原动机，通过传动机构来拖动滚筒轴，使 之按照人们给定的规律运动的电力拖动系统。它是一个机电控制系统：既有电机的电磁 转化关系，同时又包括机械动力学的问题，与其它的机械运动系统一样，它可以用一个 数学方程式来描述。而且只有建立电力拖动系统的运动方程式后，才能深入的分析和研 究其运动特性。 电机和负载的合成转矩使电力拖动系统产生了一定方向的运转。如果要分析系统的 运行状况，首先得分别了解电机的转矩特性和负载转矩的特性，然后分析这两个转矩共 同作用到系统上的效果。 2 2 1 电机转矩特性 电机内电磁作用会产生转矩，它是转速的函数，一般表达为t = 厂( 缈) 。也经常写成 缈= 石( 丁) 的形式嘲。鼠笼式异步电机的转速与转矩的关系式如图2 3 所示为一条曲线， 即为电机的机械特性曲线。 在已知电机轴的功率的情况下，可以计算转矩值 丁：! ( n m ) ( 2 5 ) 国 式中p 电机轴上的功率，单位w ； 缈电机的角速度，单位r a d $ 。 西安石油大学硕士学位论文 0 _ ) 0 图2 3 异步电机的机械特性 通常电机的转速是以n ( r m i n ) 表示，则 r ：墅竺( 2 6 ) 刀 如果电机的功率单位为k w ，则 z ：9 5 5 0 p( 2 。7 ) 拧 上面几式求出的转矩丁是电机轴上的转矩，与电磁转矩相比，少了一个电机空载损 耗转矩瓦，在实际工程计算时可以忽略这个差别。 2 2 2 负载转矩特性 生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系称为负载转矩特性。常见的负载转 矩特性分为三大类： 1 ) 恒功率转矩特性； 2 ) 风泵类负载转矩特性； 3 ) 恒转矩负载的转矩特性。 其中恒功率转矩特性的特点是负载转矩与转速成反比，涉及的行业比如车床切削加 工，其切削功率尸是恒定值p = t o j ，可以看出这种加工工艺中负载的转速与转矩成反比； 风泵类负载转矩特性特点是负载转矩与转速的平方成正比，油泵、水泵、鼓风机、螺旋 桨等单方向旋转的机械属于一类。钻机绞车的负载转矩特性属于第三种垣转矩负载 的转矩特性，图2 - 4 反应了该类型的转矩特性恒转矩负载转矩特性，具体说是位能 性恒转矩负载特性。 位能性恒转矩负载特性中的负载转矩由重力作用产生，也称为位能转矩。其特点是 工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，而且方向不变。绞车提升下放钻具、钻杆等 重物过程就属于此情况。当绞车提升重物时，负载转矩是阻碍运动的制动性转矩，其作 用方向与电动机的旋转方向相反；当下放重物时，负载转矩是帮助运动的拖动性转矩， 其作用方向与电动机的旋转方向相同，促使电动机旋转。可以看出位能转矩保持其作用 1 2 第二章交流变频传动系统基础 方向不变，其特性线是一条位于第一象限和第四象限的直线。 1 1ji t lt o 图2 - 4 位能性恒转矩负载转矩特性 2 2 3 绞车传动系统的简化运动方程 研究绞车传动系统的运动方程，通常以滚筒轴为主要对象。在推导运动方程式时， 可以先从最简单的单轴电机拖动系统来分析。如图2 5 所示，电机通过联轴节直接带动 生产机械。 图2 5 单轴电机拖动系统 电动机产生的转矩t 起推动运动的作用，而负载对运动起阻碍作用， 系统的定律得拖动系统的运动方程式为 t z ：，塑 。 击 式中t ，t i 电机转矩，负载转矩( n m ) ； ，系统的转动惯量( k g m 2 ) ； 根据旋转运动 ( 2 8 ) 缈电动机的旋转角速度( r a d s ) ； 半电动机的旋转角加速度( r a d s 2 ) 。 讲 式( 2 8 ) 是简单电机拖动系统的运动基本方程式。在实际工程计算时也可以不用转 动惯量，而是把电动机转子看作是均匀的圆柱体，用飞轮惯量( 飞轮距) g d 2 来代替， 表示系统的惯性作用。 转动惯量与飞轮距g d 2 之间的关系式为 西安石油大学硕士学位论文 止争2 = 詈 沼9 ， g 三 q g g d 2 是整个旋转系统的飞轮转量，是一个整体不能分开。 在工程中也很少用角速度缈，而是使用转速n 来表示系统转动速度。转速刀与角速 度国之间的关系式为 2 z c n 牡百 2 1 0 ) 把式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 代入运动方程式( 2 8 ) 化简后可得： 卜互= 罢害 协 上式为电动机拖动系统中通用的运动方程式，式中3 7 5 是换算常数；转矩单位为 n m ；转速单位为r m i n 。 2 2 4 绞车传动系统工作的稳定性 电动机转矩与负载转矩特性的交叉点即为绞车传动系统的工作点，当系统受到干扰 后( 负载变化，以及电气参数变化等) 系统要有能力回到稳定状态，即返回工作点。 异步电机带动位能恒转矩负载时的工作特性如图2 - 6 ( a ) ，其中有两个转矩平衡点a 和b ，a 点是稳定工作点，而b 点不是稳定工作点。 0 3 d o 0 0 ( a ) 异步电机稳定运行点( b ) 异步电机的稳定工作分析曲线 图2 - 0 异步电机的稳定情况 在平衡时t = z ，当系统受到干扰时，平衡状态就破坏了。假设在受到干扰后，转 矩和转速的增值为t 、a t , 和a c o 。在微小偏差的情况下，电机和负载转矩特性可以 用平衡交叉点处的切线来代替，如图2 6 ( b ) 所示，该情况下有 a t = a l a o ) r = a , a c o ， - 式中，岱。：d t d o ，仪，= d t l d o 、a ，代表了平衡交叉点处电机特性和负载转矩特性各自的切线相对于转速轴夹 1 4 第二章交流变频传动系统基础 角的正切函数。 = t a n 仍 a 2 = t a n 仍 将运动方程式写成增量的形式 缈一口，缈= j d a 西o 1 魂 对上式积分，可得： 盟兰f a c o = a c o n e j ( 2 1 2 ) 式中，干扰后转速变