交流变频驱动钻机的控制系统

1、油田生产事业部 钻修井作业公司 装备管理部 1 二、变频器的基本工作原理 三、能耗制动 一、交流变频传动系统简介 四、变频器对交流异步电动机的要求 五、常见的交流变频电动机参数 2 一、交流变频传动系统简介 近20年来，以各种电力电子器件构成的变频器已经发展了 好几代，使当今高性能的交流变频调速系统在技术上已经成熟、 产品质量可靠，技术指标赶超了直流调速系统。从而，交流变 频调速技术进入了普及阶段。 交流变频调速的数字控制系统由于具有控制精度高、动态性 能好、功率因数相对较高、效率高、谐波小以及交流电机无火 花、防爆性能好等优点，所以在电驱动钻机的应用上得到了迅 速的发展。 交流变频调速系统不

2、但能够实现直流全数字控制系统的全部 功能，而且应用于绞车和自动送钻电机，能够很容易地实现能 耗制动和四象限运行。无需主电路切换系统就能快速停车与正 反转，工作安全可靠。除此之外，交流变频调速系统可以自动 投入制动，制动迅速平稳。 3 一、交流变频传动系统简介 三、能耗制动 二、变频器的基本工作原理 四、变频器对交流异步电动机的要求 求 五、常见的交流变频电动机参数 4 二、变频器的基本工作原理 1、主电路：使用、主电路：使用IGBT器件的器件的PWM逆变器逆变器 在当今的交流变频传动中，“交直交、电压型、PWM变频器” 已成为主流形式。二极管不控整流直流环节电容储能PWM（Pulse Widt

3、h Modulation脉宽调制）逆变的电路结构是主流结构；自关断器 件IGBT是逆变器的主流器件。 IGBT是复合型场控器件，它将MOSFET和GTR的优点集于一身。具 有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、驱动电路简单、驱动电流小、 通态压降小、耐压高及承受电流大等特点，因此器件发展得很快。 如图1所示： + - V L R N + + d N SSS SSS DDD DDD 135 462 135 462 N LR 图图1 电压型逆变电路及负载接线方式电压型逆变电路及负载接线方式 5 二、变频器的基本工作原理 电压型逆变电路进行PWM控制，就能够产生一个可调频率、可调电压的三 相正弦波对

4、称输出的电源。其输出波形如图2所示： 它就可提供给交流异步电动机作调速之用。图中等效为电动机三相绕组的L、 R，可以接成Y形，也可以接成形。 现在PWM控制技术日趋完善，但实用中也还存在着各种各样的PWM调制方 法。主要有：用正弦波与三角波相交的SPWM（正弦波脉宽调制）技术、磁链追 踪型PWM调制技术等等。 U UUN VN UVU UWN eU V eeW 0 +Vd 2 2 d-V +V 2 d -V 2 d +V 2 d -V 2 d 0 0 -Vd 0 +Vd 图图2 PWM逆变器的输出相电压与线电压波形逆变器的输出相电压与线电压波形 6 二、变频器的基本工作原理 2、控制策略：、控

5、制策略：V/F控制、矢量控制和直接转矩控制控制、矢量控制和直接转矩控制 变频调速的控制方式较多。最简单的是标量控制（V/F控制）；在高 性能的变频器控制方式上，主要有：以SIEMENS公司为代表的矢量控制 技术（VC）和以ABB公司为代表的直接转矩控制技术（DTC）两大流派。 （1）V/F控制： 它是简单地将逆变器的输出电压和输出频率之间，按照电压/频率 （V/F）保持为常数的原则,对交流异步电动机进行开环控制。V/F恒定， 就是保持气隙磁通近似不变，可以实现交流电动机的恒转矩平滑调速； 达到额定转速后，再维持额定电压不变，进入弱磁恒功率升速的调速区。 这种调速方法，动态性能不太好。而且在调速

6、范围较大的场合下，低速 时输出频率低，由于电动机内部的阻抗压降导致转矩下降，调速控制性 能差,甚至无法正常运行。所以它只适用于调速要求不高的场合，一般作 为通用变频器使用。 （2）矢量控制： 矢量控制理论的基本思想是：认为异步电动机和直流电动机具有相 同的转矩产生机理，即电动机的转矩是磁场和与其相垂直的电流的乘积。 但是，由于异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变 量系统，很难通过分析方法求解，通常都采用坐标变换的方法加以改造。 7 二、变频器的基本工作原理 矢量控制的基本慨念是以产生相同的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组、 两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系，从而求

7、出与异步电动机绕 组等效的直流电动机模型。这种等效，就相当于观察者站到铁芯上与坐标系一起 旋转，这时，他看到的便是一台直流电动机。通过对旋转坐标系上的直流量磁 场电流分量和转矩电流分量的控制，然后经过相应的坐标反变换，达到对静止坐 标系上三相交流量的控制，就能控制电动机的转矩，从而达到控制异步电动机的 目的，矢量控制基本框图如图3所示。 M V V V F RST UVW iA* i * i * B C i * i * i * i * T M 控制器 直 交 变 换 变 换 给 定 信 号 信 号 反 馈 图图3 矢量控制基本框图矢量控制基本框图 8 二、变频器的基本工作原理 在钻机变频传动系

8、统中，采用矢量控制的变频器有如下优点： （1）全数字化，具有多种控制方式；配以制动单元可实现四象限运行，调速 范围大，控制精度高，动态性能好。 （2）参数改变方便灵活，有些参数可在线修改。 （3）完善的自诊断、自保护功能。防止故障进一步扩大，缩短故障维修时间 。 （4）完善的自优化功能。 （5）强大灵活的通讯功能，通过USS协议或通过RS485接口的Profibus-DP 协议，使变频器可以在本地或远程进行控制、监测和参数设置，并和PLC构成现 场总线网络控制系统。 （6）开关量输入、输出及模拟量输入、输出口供系统灵活选用。 （7）保护功能齐全，具有开机自检、电源电压检测、逆变器温度过热保护、

9、 缺相保护、直流母线电压高、直流母线电压低、电机堵转、过流、通讯中断等故 障保护和外部故障停机功能。 矢量控制型变频器提供了多种控制方式。按照钻机的实际工况需要，一般将 绞车、转盘和自动送钻电机的传动系统，设计成为有速度传感器的矢量控制方式 ；而将泥浆泵电机的传动系统设计成为无速度传感器的矢量控制模式。 9 二、变频器的基本工作原理 图图4 有速度传感器矢量控制调节回路有速度传感器矢量控制调节回路 有速度传感器的矢量控制方案如图4所示： 10 二、变频器的基本工作原理 图图5 无速度传感器矢量控制调节回路无速度传感器矢量控制调节回路 无速度传感器的矢量控制方案如图5所示： 11 二、变频器的基

10、本工作原理 (3）直接转矩控制： ABB公司的ACS600和ACS800系列变频器是直接转矩控制模式。直接转矩控 制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的定子磁链和 转矩。直接转矩控制模式的变频器也还有许多种控制策略。以其中最典型的磁链 圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是：在准确观测定子磁链的空间位置和大 小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时 输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率， 达到直接控制电机输出的目的。 直接转矩控制在控制思想上与矢量控制不同的是：直接转矩控制通过直接控 制转矩和磁链来间接控制电流，

11、不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效 、转化，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此具有结构简单、转矩响 应快以及对参数鲁棒性好等优点，但同时也带来了转矩脉动、低速性能下降的缺 点。直接转矩磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出 来。这样就避开了在矢量控制技术中，控制性能易受转子参数变化影响的问题。 当然，定子磁链观测的准确性，是DTC技术实现的关键。定子磁链无论其幅值还 是相位，若出现较大的误差，控制性能都会变坏，甚至出现不稳定。 12 二、变频器的基本工作原理 一、交流变频传动系统简介 三、能耗制动 四、变频器对交流变频电动机的要求 五、常用的交流变频电动机参

12、数 13 三、能耗制动 由于钻机是小电网供电，不允许再生制动的特点，变频器的整流 部分可以选用无能量回馈能力的三相桥式不控整流电路。在绞车和自 动送钻的应用中：当位势负载的重物下放时，电动机出现再生发电过 程，再生能量将使滤波储能电容上充电而电压升高，称为“泵升电 压”。一般采用设置过压点的方法来限制这种过电压。当直流侧电压 高于预设置的最高值时，由制动单元（制动斩波器）以直流PWM方 式接通制动电阻，将回馈能量以发热的形式消耗掉，从而限制了直流 电压进一步升高。 采用制动单元和制动电阻，要考虑到应有足够的制动功率来保障 可靠制动。一般设计多台制动单元和多台制动电阻并联供一台变频柜 使用。这样

13、多台制动单元之间的制动功率均衡分配，就需要精确调节 每台制动单元的导通电压值来解决问题，才能使得可靠的电气能耗制 动得以实现。在选用制动单元时要注意：各供货厂家（公司）的制动 单元，其标称功率的定义各不相同，需要经过换算。 14 三、能耗制动 C G H1 RR D 外 部 制 动 电 阻 图图6 制动单元原理图制动单元原理图 绞车和自动送钻的传动系统中使用了能耗制动的功能。可以自动投 入制动运行，工作可靠，制动迅速平稳，实现了快速停车与正反转，及 零速额定转矩的“悬停”功能。在交流变频钻机中，以能耗制动代替了 电磁刹车或其它辅助刹车，不仅使钻台重量减轻，节省了钻台空间，减 少了投资，并且制动

14、特性好。这也是交流变频传动系统最显著的优越性 制动单元的原理图如图6所示： 15 二、变频器的基本工作原理 三、能耗制动 四、变频器对交流变频电动机的要求 一、交流变频传动系统简介 五、常见的交流变频电动机参数 16 四、变频器对交流变频电动机的要求 由于变频器的输出是PWM波，对所供电的交流异步电动机造成了不良影响， 因而对变频电动机就要提出一些特殊要求： （1）由于变频器供电的电源中含有丰富的谐波，会造成电动机附加的发热 、振动、噪音及扭矩波动；PWM变频器的高载频化及开关器件的高速切换，对 大地产生的高频漏电流通过轴承造成轴电流等不良影响。因此变频调速异步电动 机，在设计时就要充分考虑这

15、些因素，适应这些条件。 （2）变频器输出电压的PWM波，其dv/dt很高。陡峭的电压前沿的传输， 相当于行波沿动力电缆前进，输至电动机的进线端会发生反射波。这样的电压重 复施加在电动机的输入端，极易引起绝缘的破坏，所以要求电动机的绝缘要加强 。而且动力电缆的长度是受限制的，如果超过100m，就必须加装正弦波滤波器 （这样势必显著地增加投资和增大体积、重量）。当然，如果在变频器的输出端 加装了正弦波滤波器，就可以使用普通电动机了。 （3）由于变频调速系统在开机之前要对异步电动机的参数进行自检，并以 此为据进行系统优化，所以要求异步电动机的基本参数要符合设计要求，分散度 不能太大。 由此看来，一般

16、情况下，交流变频传动系统必须使用特殊设计的变频调速异 步电动机，而不能使用普通交流异步电动机。 17 二、变频器的基本工作原理 三、能耗制动 五、常见的交流变频电动机参数 四、变频器对交流变频电动机的要求 一、交流变频传动系统简介 18 五、常见的交流变频电动机参数 钻机中常用的交流变频异步电动机，除进口及引进技术合资生产的外，国内研 制的有YJ系列各种规格的产品，列表于下，见表1： 型 号 YJ13 YJ13A YJ14 YJ14A YJ19 YJ19A/A1 YJ19B/C YJ21 YJ21AYJ23 YJ27 YJ27AYJ31YJ31A 额定电压，V AC55055060066060

17、0380690690 额定电流，A10405825178507145109601077 最大电流，A15608737761280 额定功率，kW8004004008006002309701100 额定转速，r/min660660660800660490800999 额定频率，Hz33.533.433.540.533.533.540.650.5 绝缘等级，级200200200200200HH200 防护等级正 压 防 爆 额定功率因数0.860.860.810.860.850.740.90.9 额定效率，%9592.392.39595939394 额定转矩，N*m1157557875787955

18、0868444821157510520 最大转矩，N*m17360868086801432013000481217362 最高恒功转速，r/min10601060106012001060117010831500 最高频率，Hz5455556154556076 冷却方式强 迫 通 风 质量，kg31002200220030002650231531003100 型 号 YJ31B YJ31C/C1 YJ31D YJ31E YJ35/ YJ35A YJ35H/ YJ35AH YJ39/ YJ39AYJ23A YJ23A3/ YJ23A4YJ13C1 额定电压，V AC600600400690400600400600 额定电流，A826575776.35745566001034854 额定功率，kW720500400550300500600700 额定转速，r/min600540687794653660672661 额定频率，Hz30.527.53540.633.533.43433.5 绝缘等级，级20020020020020020020