直流钻机绞车的特殊振荡

张建，张康利，王玉明，朱奇先

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司川东钻井公司，重庆 400021；2.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）

串励调速拖动在直流钻机中有大量应用，但高速轻载时的绞车工艺振荡是其固有缺点。如何消除振荡、满足操作要求是设计控制装备的关键环节。本文以SINAMICS DCM整流装置构成调速系统并研究其控制策略，以供同行参考和探讨。

1 起钻工艺

直流钻机的绞车用于拖动钻具，电机输出轴与传动机构负载之间通过机械离合器传递动力［1］。在起钻工艺中，大钩以猫头速度带上钻具负载后，司钻踩下脚踏控制器（速度给定阶跃到额定），电机以控制系统设定的方式加速到额定速度并将大钩从钻台面提升至二层台附近或特定位置，再松开脚踏（撤除额定、恢复猫头速度给定）、断开离合器（卸去负载），进行完其他工艺后，重复上述过程，直到下钻工艺结束。在卸去负载到恢复猫头速度之前，电机处于高速空载状态，如果控制系统没有合适的预防措施，转速将大幅波动而无法进行下一步的工艺操作。

2 调速结构

本文以SINAMICS DCM直流调速整流器［2］的数字控制软件功能块搭建控制架构，串励变磁通调速控制结构图如图1所示。其中RFG为积分器，ST为速度控制器，LT为扭矩控制器，A1代表晶闸管三相桥式变流器，A2代表电枢电路，A3为电流／反电势变换环节，A4为反电势／转子速度变换环节，A5为滤波器，A6为除法器，A7为磁通模拟器。由图可见，速度反馈方式与传统的获取略有不同。

图1 串励变磁通调速控制结构图

3 振荡原因

3.1 电流断续

本文中的电机数据见表1，供电回路见图2。其中，电源G的电压为 AC600V50Hz，漏感 LT＝0.0025mH，电抗器的漏感 Llx＝0.0211mH。

表1 YZ08（A）串励数据

图2 供电回路

参照文献［3］的 6－74 式，取计算系数 C＝0.1时，计算的电机电感量为：

按图2回路供电时，根据文献［3］的6－77式，取计算系数 Klx＝0.1、KL＝2、KUV＝2.34、UVΦ＝600／1.732时，电流的连续最小计算值为：

实际空载运行时电流为50A左右，对比可知其处于断续状态。因此，按电流连续配置设计调节控制参数在此时容易振荡。

3.2 反馈断续

（1）降速时间

在摩擦扭矩Td作用下，电机转子从额定速度ne降低到猫头速度na＝0.2ne时，计算的平均时间：

随着速度的降低，静摩擦阻力逐渐增大，实际时间比计算的有所减小，实测为40s左右。

（2）调节过程

松开脚踏瞬间，由于反馈（ne）远大于给定（0.2ne），在速度控制器ST、扭矩控制器LT作用下，桥式变流器A1关断，无电压输出，回路电流中断，反馈变零；随着时间延长，猫头给定在ST、LT作用下，A1开通，输出相应电压，由于断续，电流和磁通立即出现，因惯性，转子速度较高，感应的反电势也较高，通过计算获取的速度反馈仍然大于给定，在ST、LT作用下，A1重新关断。因此，A1将重复关断、开通、再关断、再开通，直到转子下降到猫头速度为止。

（3）反馈状态

根据上面论述，结合速度反馈获取方式以及电流断续的情况，起钻工艺的这个阶段，在降速期间，反馈状态不是恒定量，而是时有时无，两次有的量值随着转子速度的变化而变化，在调节参数合适时处于减幅振荡状态，不合适时处于增幅振荡状态。

4 应对措施

4.1 控制方面

（1）自适应

在满足电流连续的控制系统参数下，给电流调节器LT增加断续自适应控制。根据文献［4］，具体的做法就是在电流断续时，使其从较大的比例积分器变成小时间常数的积分器，且使该常数按变流器A1放大倍数的降低而相应降低。

（2）断反馈

增加自适应功能后，由于放大倍数较低，控制系统反应较慢，在猫头速度加载提升时，有可能出现大钩停转或倒转的不允许现象。因此，可以采用在升速空转时有自适应，在带载时取消自适应，从带载到卸载空转速度降到猫头速期间断开反馈的结构变化解决振荡问题，这在本文所采用的控制器中很容易实现。

（3）加制动

加制动的方式在ROSS HILL模拟控制的钻机中大量采用，其实现方法可参见文献［5］。

4.2 操作方面

根据现场实际经验，振荡多数产生于先卸载后松脚踏的操作方式。如果先松脚踏，等速度降到接近猫头速时，再卸载，则基本上不会有振荡现象。这虽然牺牲了部分的操作自由度，但换来了控制的简单、安全、可靠等优点。从解决问题的角度看，也不失为一种有效的措施，只是改变了操作习惯而已。

5 结论

空载高速时的振荡是串励调速的固有缺点，这主要是由于电流断续和反馈振荡所致。采用自适应控制和合理处理好速度反馈后，能够很好地应用于工艺复杂的钻机绞车拖动，可带来成本较低、控制简单、可靠耐用等优点。本文以SINAMICS DCM直流调速整流器为基础构成的控制系统，采取了多种控制措施，经过现场实际验证，其对于消除振荡取得了比较理想的效果，可供同行参考。