6RA80在直流钻机中的应用研究

张立佳，韩国英，赵 文，朱奇先

（1.西部钻探工程有限公司准东钻井公司，新疆准东831511；2.中石油渤海钻探第五钻井公司，河北河间062450；3.中石油渤海钻探第四钻井公司，河北任丘062552；4.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020）

1 引言

直流钻机是石油天然气成套钻探装备中的一种，按照石油行业的约定，主要指钻探设备的绞车、转盘、泥浆泵由通过电气变速的直流串励电机拖动的一类钻机[1]。与他励直流电机相比，串励电机的调速控制稍微复杂一些。本文主要论述串励调速系统的构成和实际速度的获取方法，以供钻机电控系统成套商参考和探讨。

2 6RA80

6RA80是西门子SINANICS DCM直流调速装置系列的简称[2]，为高性能通用型电气调速装置，具备基础的调速控制功能和可选功能模块，提供用户二次开发接口，尤其适合他励直流电机的调速控制。

3 控制结构

图1 以6RA80为基础的串励电机简化控制结构

图2 以6RA80为基础的他励电机简化控制结构

无论是绞车、转盘还是泥浆泵，其电气的调速控制结构基本上是一致的，为恒转矩、双闭环、负反馈、无静差串级形式[3]。以6RA80为基础的串励电机简化控制结构如图1所示，与他励机的结构图2相比，略有差别。其中，速度给定来自司钻，RFG为给定积分器，ST、LT为速度和扭矩的PI控制器，A1为三相全控变流桥的传递函数，A2电枢绕组的传递函数，A3为电枢绕组从电流到反电势的传递函数，A4为电机从反电势到转子转速的传递函数；A5为速度的反馈滤波传递函数，A6为除法器，A7为模拟磁通曲线，Is为负载扭矩对应的电流，Es为电枢的反电势。

4 钻机要求

直流钻机的要求很多，本文讨论与电控系统有关的主要方面。首先是运行于野外露天环境下，因此要求拖动电机上要尽量少用对温度、防护、安装等有较高要求的微电子器件，如测速编码器等；其次是拆装频繁，因此要尽量减少拆装部件的数量，对于电气方面，最好是拆装方便、简单；第三是要求绞车、转盘、钻井泵按照工艺要求能变速、稳速，但对变速的动态和静态指标要求并不；第四是一旦开始作业，中间基本上不允许停机，因此对运行的连续性和可靠性要求非常高。根据以上特点，直流钻机的调速系统构造时，一般采用准速度负反馈控制策略，不采用容易故障的测速编码器来获取实际转速。

5 转速获取

直流电机转速n与输入电压Ua之间的关系为：

其中Ea为电枢的反电势，Ia为流过电枢的电流，Ra为电枢回路电阻，Ce为电机的结构常数，φ为定、转子间气隙磁通。由于钻机对变速的动、静态指标要求不高，不追求设定速度和实际速度的精确一致，允许两者之间存在一定范围的误差，电枢电阻Ra较小，因此可忽略，这样上式可近似为：

对于他励电机，φ为常数，Ua为调速装置的输出电压，容易测量，可间接反映实际速度n，构成系统时非常简单并且可靠；对于串励电机，励磁和电枢绕组串联，励磁电流就是电枢电流，气隙磁通B（φ）-H（I）随非线性由两者共同作用而产生，φ不易测量并且随着负载的变化而变化，因此不能用上述方法来获取速度反馈信号。根据上面速度的近似表达式，为获取速度反馈信号，需要Ua和Ia信号，并且两者做除法运算，Ua的获取与上相同，φ的获取需要根据电机的产品样本数据或者实际测量相关参数后提前逐点计算并存储，做除法运算时根据电流点的数值调取。实现这个功能的方法很多，在6RA80中可使用x-y曲线功能软件模块，其中x为输入，y为输出。使用时以电机的电流Ia作为输入x，对应的输出y作为磁通Ia，根据计算的数据选取10个或者更多的x、y点作为电流-磁通曲线的参考点，当实际输入在两点之间时，软件会自动按两点的数值线性处理。获取磁通φ后，再应用软件功能模块除法器计算即可得到控制所需的转子反馈速度。

6 注意事项

使用软件功能做磁通模拟曲线和除法运算时，需要特别注意两个事项。一是在零电流输入时，磁通不能为零输出，这是因为作为磁通的除数不能为零，至于输出为多少合适，需要根据拖动对象的要求决定，比如泥浆泵可以高一些，绞车和转盘可以低一些。无论数值高低，都将造成速度调节器的死区、失控等其他问题出现，需要另行处理；二是除法器对除数和被除数的类型有要求，在钻机中应用时，以实数型输入最为合适、简单，但x-y曲线的输入、输出以及除数的Ua均以16384的相对数出现，传递到除法器时内部自动转换成了实数且不能更改，相当于缩小了100倍。当实际磁通和电枢电压变化较小时，比如2%或5%，反映到除数、被除数只有0.02或者0.05，由于数据类型及运算精度的原因，对此无法分别，因此计算出的实际速度误差在小范围内很大，将造成转速波动大、振荡周期长、稳定运行困难、遇到负载变化时，调节过程漫长甚至振荡等问题，因此，在数据进入除法器前需要对除数φ、被除数Ua预先做特殊处理。

7 结束语

钻机电控系统数字化是大势所趋，以软件功能比较齐全、二次开发比较灵活、可靠性稳定性先进性比较高的6RA80为基础构成数字控制系统，是数字化时比较理想的选择。但在串励电机控制过程中，不能直接简单的使用提供的标准环节，特别是涉及速度反馈信号的获取环节，需要根据钻机的特殊要求预先处理相关数据才能达到目的。经过一系列特殊处理后，以6RA80为核心的直流钻机电控系统，经过实际验证，与上位数字化系统的接口简单，数据写入、取出、传输安全迅速，可方便、可靠的进行远程控制；各种操作保护、自身检测保护齐全完备，电控系统整体运行稳定、可靠，用户使用比较满意。