钻机绞车矢量变换变频调速机械特性和工作原理_赵淑兰

e )　确定各种装运车型,如,30～60t 载重车、爬杆牵引装卸车,对轻型钻机搬家控制在8车次以内,对重型钻机控制在40车次以内。

f )　铁路运输尺寸限制宽<3.0m ,(三级超限3.3m ),高<3.7m ,(车辆轮之间底板面距铁轨面300mm ,装货总高限4m ),长度不限(<20m ),公路运输穿过桥洞,涵洞也受同样的限制,质量还要受通过桥梁的限制。

参考文献:[1]　[美]卡尔丁优里奇.产品设计与开发[M ].沈阳:东北财经大学出版社,2001.[2]　徐　灏.机械设计手册(第3卷)[M ].北京:机械工业出版社,1991,18-11～18-21.[3]　施进发.机械模块学[M ].重庆:重庆出版社,1997,75-136.[4]　陈如恒.钻井机械的设计计算[M ].北京:石油工业出版社,1995,52-64. 收稿日期:2004-04-16作者简介:赵淑兰(1957-),女,四川富顺人,高级工程师,博士,主要从事石油钻采设备研究、出口钻机成套和技术支持。

文章编号:1001-3482(2004)03-0008-05钻机绞车矢量变换变频调速机械特性和工作原理赵淑兰1,朱其先2(1.中国石油技术开发公司产品管理部,北京100009;2.天水电气传动研究所甘肃兰州740081)摘要:文章从机电一体化的角度,分析了钻机绞车在矢量变换变频调速下的机械特性,绞车三相异步电机矢量变换控制的工作原理,并对绞车电机在电动运行和再生发电运行状态下的能量传递过程进行了阐述,以便石油机械工作者更好地了解近年迅速发展起来的交流变频钻机绞车的工作特点和方法。

关键词:钻机绞车;控制;交流变频;再生发电制动中图分类号:T E923.01 文献标识码:A Mechanical performances of rig drawworks driven by variable frequ ency motors andprinciples of vectors controlZHAO Shu -lan 1,ZH U Qi -xian2(1.Department of Produ ct Administrative ,China Petroleum Technology and Development Corporation ,Beijing 100009,China ;2.Tianshui Electice T ransfer Research Institute ,Tianshui 740081,China )A bstract :Drill rig s driven by variable frequency motors and vectors co ntrol are developed rapidly in recent y ears .The paper analyses the mechanical performances of drill rig draw w orks driven by variable frequency motors ,and principles of vecto rs control .Moreover ,describes the pow er transfer process of asynchronous motor in electromo -tor state and regenerator state .The purpose is to help people to understand the draww orks 's work characteristic and operation means .Key words :drill rig draww orks ;control ;varialbe frequency ;electricitg generating braking 传统的机械钻机绞车或直流电动钻机绞车,由于调速的需要都设有机械变速档,使绞车结构复杂,质量大、安装维护保养工作量大。

随着交流变频控制技术的发展和电气元件可靠性的提高,使该控制技术在钻机绞车上得到了成功应用。

由于电气功能增加,简化成为绞车结构,并使其操作性能和安全保护性能得到大大的改善和提高。

目前,钻机绞车变频调速控制系统采用了矢量控制和直接扭矩控制2种方式。

笔者在此对单轴绞车矢量变换变频调速工作特点进行分析和介绍。

　2004年第33卷 石油矿场机械　第4期　第8页 OIL FIELD EQUIPMENT 2004,33(4):8～12　1　矢量变换控制变频调速和再生发电制动时异步电机的机械特性及特点 异步电机的调速方案中,效率最高,性能最好的方案是变压变频调速方案。

调速时,需按比例同时调节定子电源的电压和频率,在这种情况下,机械特性基本上平行移动,而转差功率不变。

在变压变频调速方法中,矢量变换控制的动态转矩特性和静态调速特性都比常用的U /F 控制方法好,所以近年得到广泛应用。

当主回路采用电压源型变频器,控制回路采用矢量变换控制时,异步电机电磁转矩为T e =3P n ·(E r ω1)2×s ω1r 2,其中,P n 为电机极对数;E r 为转子全磁通感应电动势;ω1为定子供电电源角频率;s =(n 0-n )/n 0为转差率;n 0为ω1下的同步转速(n 0=60f 1/P n ,ω1=2πf 1);n 为转子实际转速;r 2为折算到定子侧的每相转子电阻。

由于在矢量变换控制中,E r /ω1为恒值,因此,这时的机械特性T e =f (s )完全是一条直线,s >1为电动运行状态,s <0为发电运行状态(再生发电制动运行状态),可以获得与直流他励机相同的线性机械特性,如图1中平行斜线组所示。

其最大转矩也不会随f 1的降低而减少。

所以在系统动、静态要求较高的控制中,矢量变换控制更有优越性。

2　矢量控制变频调速和再生发电制动绞车在不同工况时的工作特性 绞车的运行状态是由电动机的电磁转矩和提升钻具负载转矩T L 共同决定的。

当T e =T L 时,绞车转速保持不变,处于稳定工作状态。

为分析绞车的运行情况,文章将绞车电动机的机械特性与负载机械特性画在同一坐标平面上(如图1)。

图1　矢量控制单轴绞车在不同工况下的机械特性2.1　起钻工况起钻时,当突加转速给定信号n A 后,启动初瞬,实际转速n =0,s =1,速度调节器饱和,输出达到极限值,由T e =3P n (E r ω1)2×s ω1r 2′可知,电机具有相应的最大扭矩T e =T m 。

电机在最大扭矩T m 下启动,根据动力学定律,绞车的运动方程为T e -T L =Jd ωd t,式中,T e 为电机电磁转矩;T L 为绞车负载转矩(包括载荷转矩和空载转矩);J 为绞车旋转部分的转动惯量;d ωd t为角加速度滚筒轴加速旋转,带动钻具上升。

随着n 的增加,电机沿特性1运行,s 减小,T e 减小,直到电机扭矩和负荷扭矩达到平衡,电机在转速n A 下,稳定运行在A 点。

2.2　加速和匀速起钻当系统加速时,如,转动手柄使转速增加到n C ,则同步转速从n 01增加到n 02,在机械惯性的作用下,n 仍然为n A 不会立即增加,则s 加大,电机扭矩增加,使T e >T L ,工作点由A ※B ※C 移动,从而使转速增加。

随着速度的增加,s 和扭矩减小到原来的稳定值,使T e =T L ,电机在更高速度n C 点稳定运行。

2.3　减速提升当系统减速时,如,将速度从n C 减小到n A ,则同步转速从n 02减小到n 01,(但n 01仍然大于此时的实际转速n C ),在机械惯性的作用下,n 不会立即减小,则s 减小(但仍然为正),电机扭矩T e 减小,电机移动到D 点并沿特性1向右运行,从而使转速减小。

随着速度的减小,s 和扭矩增加回原来的稳定值,使T e =T L ,电机在速度较低的A 点稳定运行;当系统减速较大时,如同步转速从n 01减小到n 03(n 03小于n A )时,则s <0,电机工作点过渡到特性3的K 点,处于发电运行状态,电机扭矩T e 为负,其方向与载荷扭矩的作用方向相同,都与转速方向相反,由-T e -T L =Jd ωd t,得加速度为负,即反向加速度使绞车迅速减速,电机沿着特性3,以反向的电磁扭矩和速度同时下降,又过渡到第Ⅰ象限(电动运行状态)并在E 点稳定运行,此点T e =T L 。

2.4　悬持工况电机通电即使能后,即使没有给定转速,手柄保持在零速位置,此时将刹车松开,由于旋转磁场的存在,电机仍然存在电磁扭矩。

设负荷扭矩仍为T L ,·9·　赵淑兰,等:钻机绞车矢量变换变频调速机械特性和工作原理n =0时,电机的同步转速为n 04,电机工作在特性4,s 与前面相同,保持不变,因为s 是随负荷变化的。

也就是说,只要投入使能状态,即使电机没有转动,由于旋转磁场的转动,s =1,仍然有电磁转矩存在,所以,可以使绞车在静止工况下悬持住钻具。

2.5　下钻工况电机从悬持状态开始,手柄反转一定角度,给定下钻速度n H ,其相应的同步转速为n 05,电机工作点移动到特性5的G 点,电机电磁扭矩为负与T L 同向,电机轴的平衡打破,加速反向转动下放钻具。

同时,电机沿特性5从G 点下降到H 点,在第Ⅲ象限,电机处于反向电动运行状态,到第Ⅳ象限,电机电磁扭矩为正,处于反向发电的制动运行状态。

到H 点,电机电磁扭矩与负荷扭矩大小相等,方向相反,电机处于稳定的下放运行状态。

在钻具下放的过程中,根据操作人员的控制,电机可在第Ⅳ象限的I 、J 、K 等点稳定运行,而这些点的转速都大于各自人为特性的同步转速,即s <0,所以,电机都处于再生发电运行的制动状态。

从以上分析可见,钻机绞车交流变频电机矢量变换控制操作简单,只依靠变换一个操作手柄的角度,调节电机的同步转速,就可实现绞车的无级调速,进行起下钻、加减速、刹车和悬停驻车等作业。

3　三相异步电机矢量变换控制工作原理矢量控制变频调速是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流i A 、i B 、i C ,通过三相一二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流i 1α、i 1β,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流i 1T 、i 1M (i 1M 相当于直流电动机的励磁电流,i 1T 相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。