石油鉆機(jī)泥漿泵在SINAMICS S120上的直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用

徐策，楊冬波，韓冰，沈童，尹雪霏

（渤海裝備遼河鉆采裝備分公司電氣調(diào)試分廠，遼寧 盤錦 12400）

隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，鉆機(jī)系統(tǒng)由交流變頻驅(qū)動(dòng)取代可控硅直流驅(qū)動(dòng)，交流變頻鉆機(jī)系統(tǒng)具有機(jī)械鉆機(jī)和直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)趨勢(shì)。目前，鉆機(jī)的電動(dòng)泵組采用電動(dòng)機(jī)+皮帶或鏈條傳動(dòng)方式為主，存在以下問題：（1）泵組質(zhì)量大、體積大、不利于搬運(yùn)；（2）傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、傳動(dòng)效率較低；（3）功率損耗大、傳動(dòng)環(huán)節(jié)有易損件、維護(hù)成本高及電動(dòng)機(jī)規(guī)格多、備件管理困難[1]。電動(dòng)直驅(qū)技術(shù)簡(jiǎn)化了整體機(jī)械設(shè)計(jì)，省去了許多傳動(dòng)部件和組件，實(shí)現(xiàn)泥漿泵單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，讓整個(gè)系統(tǒng)變得更加緊湊。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)有著高可靠性、高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)。由于減少了中間的傳動(dòng)部件和不必要的磨損，直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較大程度上消除了能量傳輸過程中的損耗，能源利用的效率得以大幅提升。

在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，采用電子-電氣-機(jī)械一體化設(shè)計(jì)思路，建設(shè)機(jī)械設(shè)備的同時(shí)提升可靠性，電機(jī)與泥漿泵外殼結(jié)構(gòu)融合。變頻器是泥漿泵的核心驅(qū)動(dòng)裝置，西門子S120利用傳統(tǒng)的矢量變頻控制方式，可以實(shí)現(xiàn)精確的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)扭矩控制，具有較高的載荷能力和啟動(dòng)能力。

1 直驅(qū)技術(shù)概述

西門子提供了針對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)完整電控解決方案：工藝控制系統(tǒng)以西門子PLC（S7-1500）為控制核心，通過現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFINET／PROFIBUS）實(shí)現(xiàn)工藝控制子系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、司鉆控制子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，所構(gòu)成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)保證工藝過程數(shù)據(jù)雙向快速可靠傳遞，為鉆井作業(yè)創(chuàng)建數(shù)字化、信息化、智能化的管理平臺(tái)[4]，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)各裝置的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、故障監(jiān)控、優(yōu)化控制，以及監(jiān)測(cè)整個(gè)修井過程，圖1為鉆機(jī)HMI泥漿泵操作界面及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 泥漿泵操作界面及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖1展示了泥漿泵功能操作界面，包含1＃、2＃、3＃泵的啟停以及泵沖給定等功能，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可以看出整個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)布局，便于通訊設(shè)定。鉆機(jī)系統(tǒng)一般包括：絞車、頂驅(qū)、泥漿泵以及轉(zhuǎn)盤等變頻驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)型式簡(jiǎn)單、運(yùn)維成本低、鉆井作業(yè)效率高、設(shè)備可靠性高等要求，變頻直驅(qū)成為變頻驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流方向。

1．1 泥漿泵電動(dòng)直驅(qū)系統(tǒng)

本文以70DB鉆機(jī)系統(tǒng)為例介紹泥漿泵電動(dòng)直驅(qū)系統(tǒng)。在70DB鉆機(jī)中常規(guī)配置為3臺(tái)F-1600直驅(qū)泥漿泵組，每臺(tái)F-1600直驅(qū)泥漿泵組配置2臺(tái)600V、600KW交流變頻電機(jī)。

每臺(tái)電機(jī)由獨(dú)立變頻器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，共同驅(qū)動(dòng)泥漿泵組使其平穩(wěn)運(yùn)行，表1所示為現(xiàn)場(chǎng)所用泥漿泵電機(jī)參數(shù)。

表1 泥漿泵電機(jī)參數(shù)

1．2 多機(jī)傳動(dòng)方案

石油鉆機(jī)是多種驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)高度集成化的，所以對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求如下：基于客戶需求的應(yīng)用定制型產(chǎn)品；緊湊的設(shè)計(jì)和優(yōu)化排布減少占地，靈活地集成于工廠系統(tǒng)中；標(biāo)準(zhǔn)化的電氣與通訊接口；轉(zhuǎn)速及力矩控制性能優(yōu)異，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性高的產(chǎn)品；系統(tǒng)開放性高，便于二次開發(fā)定制型應(yīng)用；便于調(diào)試與維護(hù)等。

基于公共直流母線系統(tǒng)的SINAMICS S120具有集矢量控制和伺服控制功能于一體的模塊化傳動(dòng)系統(tǒng)，覆蓋0．12kW～4500kW功率范圍，采用閉環(huán)精確控制同步電機(jī)和異步電機(jī)，傳動(dòng)軸優(yōu)良的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制性能可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)的各種應(yīng)用[5]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵應(yīng)用，其電控直驅(qū)系統(tǒng)采用SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，配置如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置

2 泥漿泵電控直驅(qū)控制模型

矢量控制也稱為磁場(chǎng)定向控制，通過測(cè)量控制異步電機(jī)的定子電流（或電壓）矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦合控制，進(jìn)而達(dá)到控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩（或轉(zhuǎn)速）的目的。其控制思想是交流矢量的直流正交化，實(shí)現(xiàn)類似他勵(lì)直流的控制方式。所以，矢量控制下的異步電機(jī)基本可以獲得在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（包括零速）與他勵(lì)直流電機(jī)一樣優(yōu)越的調(diào)速性能。矢量控制不僅針對(duì)異步電機(jī)，同樣包括同步電機(jī)、磁阻電機(jī)等當(dāng)下主流應(yīng)用。

異步電機(jī)的電壓方程如公式（1）所示[2]：

其中，usd表示定子電壓矢量d軸分量，usq表示定子電壓矢量q軸分量，isd表示定子電流矢量d軸分量，isq表示定子電流矢量q軸分量，ψsd表示定子磁鏈?zhǔn)噶縟軸分量，ψsq表示定子磁鏈?zhǔn)噶縬軸分量，ωs表示定子矢量（電壓／電流／磁鏈）角頻率。

而電機(jī)的磁鏈方程如公式（2）所示[2]：

其中，ird表示轉(zhuǎn)子電流矢量d軸分量，irq表示轉(zhuǎn)子電流矢量q軸分量，ψrd表示轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縟軸分量，ψrq表示轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縬軸分量。

力矩方程如公式（3）所示[2]：

其中，Te表示異步電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，ke表示轉(zhuǎn)矩系數(shù)，與電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)及電磁結(jié)構(gòu)相關(guān)。

運(yùn)動(dòng)方程如公式（4）所示[2]：

其中，TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J表示異步電機(jī)軸（包括機(jī)械設(shè)備）上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B表示各類摩擦等與轉(zhuǎn)速相關(guān)的系數(shù)。

頻率關(guān)系如公式（5）所示：

其中，ωsl表示為轉(zhuǎn)差角頻率，ωr表示為轉(zhuǎn)子角頻率。

異步矢量控制中西門子采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方案，并且維持磁鏈恒定，建立如公式（6）約束規(guī)則：

其中，公式（6）的約束規(guī)則表示轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縟軸分量大小且轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縬軸分量為0。具體表示如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ虻漠惒诫姍C(jī)矢量表示

基于上述分析，SINAMICS S120變頻器控制中采用的所謂（M T）對(duì)應(yīng)（d q）坐標(biāo)系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 矢量控制原理結(jié)構(gòu)圖

從圖3可以看出，速度調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的主要器件單元，由用戶給定的轉(zhuǎn)速指令值ωref與來自于電機(jī)軸上的光電編碼器的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)ωr進(jìn)行比較，其輸出作為轉(zhuǎn)矩信號(hào)給定Tref。根據(jù)公式（2）、（3）、（6），異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可表達(dá)為公式（7）：

從公式（7）中可以看到完全實(shí)現(xiàn)了他勵(lì)直流電機(jī)磁鏈及力矩電流分量的解耦合控制。

轉(zhuǎn)子磁鏈給定函數(shù)發(fā)生器是根據(jù)1／n特性計(jì)算磁通給定，為了實(shí)現(xiàn)磁鏈的閉環(huán)控制，采用轉(zhuǎn)子磁鏈控制器滿足基于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚩刂埔螅漭敵鲎鳛閯?lì)磁電流給定。

轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器用于觀測(cè)電機(jī)的電壓模型及電流模型，SVPWM調(diào)制器用于實(shí)現(xiàn)矢量控制計(jì)算的電壓矢量調(diào)制，通過電壓源型2-電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的全控器件（IGBT）構(gòu)成的功率回路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2．1 主從控制

在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，存在一臺(tái)機(jī)械設(shè)備由兩臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的情況，需要每臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)或負(fù)荷分配，可通過多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主從控制實(shí)現(xiàn)，泥漿泵主從設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 主從控制配置結(jié)構(gòu)框圖

在泥漿泵應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，由于主從電機(jī)通過硬軸剛性連接，所以主驅(qū)動(dòng)采用速度控制來控制整個(gè)泥漿泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度；從驅(qū)動(dòng)采用轉(zhuǎn)矩控制，其轉(zhuǎn)矩給定來自于主驅(qū)動(dòng)力矩給定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主從驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷平衡，示意圖如圖5所示。

圖5 主從結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用采用調(diào)試工具STARTER／SCOUT，對(duì)于新版本驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品可通過集成到TIA Portal中STARTDRIVE等實(shí)現(xiàn)快速調(diào)試參數(shù)及系統(tǒng)診斷等。首先，完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)配置，變頻器采用一對(duì)一方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2臺(tái)電機(jī)采用主從控制。分別對(duì)2臺(tái)電機(jī)先進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化建立電機(jī)等效模型，再動(dòng)態(tài)優(yōu)化，在已經(jīng)建立的電機(jī)等效模型基礎(chǔ)上，對(duì)變頻器和電機(jī)通電測(cè)試，進(jìn)一步地修正靜態(tài)等效模型，使變頻器在最佳運(yùn)行特性上匹配每臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、力矩進(jìn)行精確控制。等效電路如圖6所示。

圖6 等效電路

其次，主從控制的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前項(xiàng)目采用主從控制方案，通過STARTER調(diào)試軟件提供的圖形化參數(shù)界面實(shí)現(xiàn)快速配置，結(jié)果如圖7所示。

圖7 主從控制界面

主從同時(shí)接啟動(dòng)命令，主裝置進(jìn)行速度控制，從裝置進(jìn)行接收主裝置的扭矩給定進(jìn)行扭矩控制，轉(zhuǎn)矩給定值（Torque setpoint）均為主電機(jī)速度調(diào)節(jié)器輸出后經(jīng)過轉(zhuǎn)矩限幅的值r79，從而實(shí)現(xiàn)泥漿泵扭矩的分配。

70DB鉆機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，泥漿泵電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

電機(jī)電壓曲線、電流曲線和扭矩曲線分別見圖8、圖9和圖10。

圖8-1 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)電壓曲線

圖8-2 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)電壓曲線

圖9-1 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)電流曲線

圖9-2 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)電流曲線

圖10-1 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖10-2 70DB鉆機(jī)泥漿泵電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

鉆進(jìn)工況時(shí)，雙電機(jī)電壓對(duì)比（100ms）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；縱坐標(biāo)為電壓，單位V。

電機(jī)加速時(shí)，雙電機(jī)電壓對(duì)比（2600ms）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；縱坐標(biāo)為電壓，單位V。

鉆進(jìn)工況時(shí)雙電機(jī)電流對(duì)比（100ms）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；縱坐標(biāo)為電流，單位A。

電機(jī)加速時(shí)，電機(jī)電流對(duì)比（2600ms）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；縱坐標(biāo)為電流，單位A。

鉆進(jìn)工況時(shí)雙電機(jī)扭矩對(duì)比（100ms）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；縱坐標(biāo)為扭矩，單位Ns。

電機(jī)加速時(shí)，電機(jī)扭矩對(duì)比（2600ms）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；縱坐標(biāo)為扭矩，單位Ns。

4 結(jié)論

通過上述圖表、曲線圖可以看出，在電機(jī)啟動(dòng)加速過程中從電機(jī)能迅速跟隨主電機(jī)電流及扭矩變化，完成同步運(yùn)行；在電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過程中，雙電機(jī)電流、電壓、扭矩差距均小于2%。

采用SINAMICS S120變頻器及主從控制方案來控制直驅(qū)泥漿泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)了速度控制精度高、電機(jī)同步性能好、故障率低，同時(shí)由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)減少，使得泥漿泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及運(yùn)行效率得到極大的提升。同時(shí)，此類電動(dòng)直驅(qū)解決方案拓展到石油鉆機(jī)系統(tǒng)，諸如絞車、頂驅(qū)、及轉(zhuǎn)盤等變頻子系統(tǒng)中得到了良好的使用效果。