石油鉆井電機(jī)間接矢量控制策略研究

李治鋼

(川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司，成都 610051)

石油鉆井電機(jī)間接矢量控制策略研究

李治鋼

(川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司，成都 610051)

為提高石油鉆井電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，提出了一種采用異步電動(dòng)機(jī)模型的石油鉆井電機(jī)間接矢量控制策略。該策略的鉆井電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率通過類轉(zhuǎn)差頻率控制方法求得，直接通過磁鏈指令對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行計(jì)算，不需要磁鏈觀察便可獲取新的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，能夠較好地實(shí)現(xiàn)石油鉆井電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的跟蹤控制。并在Matlab/Simulink環(huán)境中建立仿真模型，驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。

石油鉆機(jī)；電動(dòng)機(jī)；間接矢量控制；仿真

石油鉆機(jī)是一種應(yīng)用于石油勘探和開發(fā)的鉆井設(shè)備，根據(jù)鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性，石油鉆機(jī)可分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，其中電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)較機(jī)械驅(qū)動(dòng)型的而言，具有優(yōu)異的調(diào)速性能、更強(qiáng)的可靠性、更低的故障率以及更高的經(jīng)濟(jì)型，并且操作方便靈活，自動(dòng)化程度高，因此在石油鉆井行業(yè)得到了更為廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1-2]。隨著數(shù)字控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，給石油鉆機(jī)的自動(dòng)控制調(diào)速系統(tǒng)的完善提供了一定的實(shí)現(xiàn)途徑[3-4]。石油勘探和開采的過程中，自動(dòng)送鉆需根據(jù)設(shè)定的速度來自動(dòng)的送鉆，此種方式能夠較好地應(yīng)用于穩(wěn)定底層及速度較高的鉆井工藝。因此，在送鉆的過程中應(yīng)保持恒速送鉆，當(dāng)?shù)貙幼枇Πl(fā)生波動(dòng)時(shí)，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)的發(fā)生一定的波動(dòng)，必須保證鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠維持在恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行[5-7]，這就對(duì)鉆機(jī)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)恒定鉆壓和恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行是高性能調(diào)速系統(tǒng)值得探討的問題。

本文提出了一種應(yīng)用于石油鉆井電機(jī)的間接矢量控制策略，該策略在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上建立異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型，直接通過磁鏈指令對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行計(jì)算，不需要磁鏈觀察便可獲取新的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，能夠快速地跟蹤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩參考值的變化。

1 石油鉆井電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文采用的用于石油鉆井的電機(jī)是交流異步電機(jī)，交流異步電機(jī)是一個(gè)具有多變量的高階非線性系統(tǒng)。在建立石油鉆井電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，為便于分析，做以下假設(shè)：

1) 不計(jì)磁飽和所帶來的影響。

2) 電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的三相繞組是對(duì)稱的，磁動(dòng)勢(shì)呈現(xiàn)正弦分布。

3) 不考慮渦流損耗和磁滯飽和。

一般情況下，交流異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)方程主要有電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程以及運(yùn)動(dòng)方程[8-9]。根據(jù)坐標(biāo)變換，異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可表示為：

電壓方程

(1)

磁鏈方程

(2)

轉(zhuǎn)矩方程

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

運(yùn)動(dòng)方程

(4)

式(1)至式(4)中，usd、usq和urd、urq分別是定子三相電壓和轉(zhuǎn)子三相電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的分量；isd、isq和ird、irq分別是定子三相電流和轉(zhuǎn)子三相電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的分量；Rs和Rr分別是定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr、Lm分別是定子的電感、轉(zhuǎn)子的電感以及定子轉(zhuǎn)子互感；ωs、ω、ωs1分別是電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差；ψsd、ψsq和ψrd、ψrq分別是定子和轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的磁鏈分量；np是極對(duì)數(shù)；J是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te和TL分別是電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；p是微分算子。

2 石油鉆井電機(jī)間接矢量控制策略

針對(duì)石油鉆井電機(jī)，在其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下的數(shù)學(xué)模型中，并沒有規(guī)定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與規(guī)定坐標(biāo)系的相對(duì)位置，令轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康摩譺與坐標(biāo)系的d軸相重合，那么得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸即是和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的。又因?yàn)閐軸和q軸是互相垂直的，則可以得到：

ψrd=|ψr|
ψrq=0

(5)

其中：

(6)

由式(6)可知，轉(zhuǎn)子的磁鏈只與d軸的定子電流相關(guān)聯(lián)，所以isd又可定義為定子電流的勵(lì)磁電流。當(dāng)isd發(fā)生突變時(shí)，勵(lì)磁的慣性會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的變化產(chǎn)生一定的阻止作用。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有：

ψrd=Lmisd

(7)

將式(5)代入式(3)可得：

(8)

由式(8)可知，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向能夠使定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量實(shí)現(xiàn)解耦，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)怯蓜?lì)磁電流isd所產(chǎn)生的，和轉(zhuǎn)矩電流isq沒有直接關(guān)系。但是，轉(zhuǎn)矩仍是和轉(zhuǎn)矩電流以及轉(zhuǎn)子磁鏈存在耦合關(guān)系。假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈保持不變，石油鉆井電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩僅僅是由轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，并且呈現(xiàn)線性的關(guān)系，所以轉(zhuǎn)子磁鏈的定向控制目標(biāo)是勵(lì)磁電流，以保證恒定的轉(zhuǎn)子磁鏈，而電磁轉(zhuǎn)矩的控制是通過對(duì)轉(zhuǎn)矩電流的控制而實(shí)現(xiàn)的。電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)解耦的前提是得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆狄约跋嘟牵谴沛湹挠^測(cè)具有較大的困難。通常，磁鏈的觀測(cè)是通過狀態(tài)觀測(cè)器的構(gòu)造和模型計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn)，該類方法都缺少誤差校正功能，具有較差的效果。

根據(jù)式(6)的轉(zhuǎn)差頻率表達(dá)式可實(shí)現(xiàn)一種石油鉆井電機(jī)間接矢量控制，該方法通過定子電流環(huán)來實(shí)現(xiàn)電流在dq坐標(biāo)下的無靜差跟蹤。在實(shí)際工程當(dāng)中，實(shí)際值用各物理量的參考值來代替。則轉(zhuǎn)差角頻率的參考值為：

(9)

石油鉆井電機(jī)的間接矢量控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。控制電路的組成部分主要包括轉(zhuǎn)速以及磁鏈的兩個(gè)解耦環(huán)節(jié)，控制環(huán)路采用的是內(nèi)外環(huán)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)的控制目標(biāo)是轉(zhuǎn)速和磁鏈，內(nèi)環(huán)的控制目標(biāo)是轉(zhuǎn)矩電流以及勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)矩電流的參考值是由轉(zhuǎn)速的參考值與實(shí)時(shí)反饋的轉(zhuǎn)速作差并經(jīng)過調(diào)節(jié)器得出，其中ASR采用的是PI調(diào)節(jié)器，ACR采用的是電流滯環(huán)控制器；而勵(lì)磁電流的參考值則是根據(jù)磁鏈的指令進(jìn)行計(jì)算所得到；將該兩類電流的計(jì)算值和參考值分別作差得到對(duì)應(yīng)的兩類參考電壓，再經(jīng)過2/3坐標(biāo)變換得到逆變器的脈沖觸發(fā)控制信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)只要是將輸出電壓經(jīng)過坐標(biāo)變換生成對(duì)應(yīng)的isd以及轉(zhuǎn)矩電流isq。

相對(duì)于傳統(tǒng)的異步電機(jī)直接矢量控制方法而言，文中所提的間接矢量控制策略具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)，采用類似轉(zhuǎn)差率控制方法來獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)子角頻率，結(jié)合所需的轉(zhuǎn)矩即可得到轉(zhuǎn)差角頻率，不需要對(duì)磁鏈進(jìn)行觀察就能夠使電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的指令進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新切換。

圖1 間接矢量控制框圖

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證提出的石油鉆井電機(jī)間接矢量控制策略具有優(yōu)異的調(diào)節(jié)性能，根據(jù)圖1的基本原理，在Matlab/SimulinK環(huán)境下建立了間接矢量控制的仿真模型。具體參數(shù)如下：三相交流電幅值和頻率分別為380V、50Hz，定子電阻Rs=0.087Ω，定子漏感Ls=0.8mH，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.025Ω，轉(zhuǎn)子漏感Lr=2mH，電機(jī)的互感Lm=34.7mH。

設(shè)定仿真的石油鉆井電機(jī)從t=0s開始啟動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)速設(shè)為1 420r/min，在t=0.5s時(shí)轉(zhuǎn)速給定值為1 200r/min，整個(gè)仿真的時(shí)間為1s。仿真結(jié)果如圖2～5所示。

圖2是鉆井電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，從圖中可知：石油鉆井電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)逐漸達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速值，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行所需時(shí)間不到0.1s，幾乎不存在超調(diào)量；在t=0.5s時(shí)，轉(zhuǎn)速的給定值由1 420r/min變?yōu)? 200r/min，經(jīng)過不到0.1s的時(shí)間最終能夠穩(wěn)定在1 200r/min，并且也不存在超調(diào)量，整個(gè)啟動(dòng)和調(diào)速過程都具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

圖3～4分別是電機(jī)的定子三相電流和逆變器的輸出方波電壓曲線，仿真結(jié)果進(jìn)一步說明了間接矢量控制策略的良好動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性較優(yōu)。

圖5是電機(jī)的磁鏈軌跡曲線圖，雖然控制系統(tǒng)的磁鏈?zhǔn)情_環(huán)控制，但是采用了滯環(huán)控制，仍具有良好的電流跟蹤特性，使電機(jī)的磁鏈軌跡呈現(xiàn)規(guī)則的圓形，有效保證了恒磁通控制。

圖2 石油鉆井電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖3 石油鉆井電機(jī)定子三相電流

圖4 石油鉆井電機(jī)逆變器的輸出電壓

圖5 石油鉆井電機(jī)定子磁鏈軌跡

4 結(jié)論

為提高石油鉆井電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性，提出了一種間接矢量控制策略。在電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用Park坐標(biāo)變換求出其在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，分別闡述了電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程以及運(yùn)動(dòng)方程。分析了間接矢量控制的基本原理。在Matlab/Simulink環(huán)境中建立了仿真模型并進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：所提出的間接矢量控制策略能夠有效地控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠快速跟隨參考值的變化，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。

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Research on Indirect Vector Control Strategy of Oil Drilling Motor

LI Zhigang

(Chuanxi Drilling Company，CCDC，Chengdu 610051，China)

In order to improve the dynamic response characteristics of oil drilling motor speed control system，an indirect vector control strategy based on asynchronous motor model is proposed in this paper.In this method，the rotor angular frequency is obtained by means of the frequency difference control method，the excitation current is calculated directly by the flux linkage，and the new torque and speed can be obtained without flux observation，which can realize the tracking control of the speed and torque of the oil rig.Finally，the simulation model is established in Matlab/Simulink environment，which verifies the feasibility and effectiveness of the proposed method.

oil drilling rig；motor；indirect vector control；simulation

1001-3482(2017)04-0008-04

2017-01-14

李治鋼(1986-)，男，四川資中人，工程師，主要從事石油鉆井電氣自動(dòng)化研究。

TE924

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.003