CN109787519A - 一种直流电机调速装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钻井平台的直流电机调速装置，包括整流模块，包括晶闸管；控制模块，包括直流调速器和脉冲放大器；脉冲放大器一端连接于直流调速器，另一端连接于晶闸管；直流调速器包括依次相连接的转速实际值采集组件、速度闭环控制组件、转矩限制组件、电流限制组件和电流闭环控制组件，还包括与电流闭环控制组件相连接的实际电流采集组件；直流调速器与直流电机连接。本发明还公开了一种直流电机调速方法。本发明采用直流调速器与脉冲放大器组合的方式控制直流电机，实时监测直流电机转速，并在钻井电机与钻具之间增加扭矩传感器实时采集扭矩数据，达到不同地质情况输出不同扭矩，减少传动系统损耗，降低钻井成本，实现节能目的。

Description

一种直流电机调速装置和方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机调速装置和方法，尤其涉及一种钻井平台油改电驱系统的直流电机调速装置和方法。

背景技术

原有钻井平台采用两台柴油机作为动力源通过传动系统驱动钻井平台各执行机构动作，柴油机噪声大，污染重，维护多，耗能高，仅通过油门控制转矩和转速，无法精确控制电机转速和扭矩，同时两台柴油机同步性差，调速精度低且无转速反馈，调速需要通过外部传动系统调速。现采用直流电机作为新的动力源来取缔原有的柴油机，直流电机的调速控制一般直接采用调速器进行调速，受调速器功率限制，大大的增加了成本。

且现有的应用于钻井平台的直流电机调速系统无扭力跟踪系统，无法根据地下地质变化改变扭矩输出(如钻井深度和岩石)，因地质情况不明导致钻井驱动系统能耗增加更甚者造成烧钻或动力系统损坏。

因此有必要提供一种能精准调速、减少传动系统损耗，降低钻井成本的调速装置和方法来对直流电机进行调速控制。

发明内容

本发明提供一种采用直流调速器与脉冲放大器组合的装置来控制直流电机，以降低钻井成本。

本发明提供一种直流电机调速装置，用于钻井平台，所述钻井平台包括钻井电机与钻具，所述直流电机调速装置包括：

整流模块，包括晶闸管；

控制模块，包括直流调速器和脉冲放大器；所述脉冲放大器一端连接于所述直流调速器，另一端连接于所述晶闸管；所述直流调速器包括依次相连接的转速实际值采集组件、速度闭环控制组件、转矩限制组件、电流限制组件和电流闭环控制组件，还包括与所述电流闭环控制组件相连接的实际电流采集组件；所述直流调速器与直流电机连接。

进一步地，所述整流模块还包括三相电抗器和真空接触器，所述真空接触器分别与所述三相电抗器、所述晶闸管和所述直流调速器连接。

进一步地，所述控制模块还包括制动单元，所述制动单元分别与所述晶闸管、所述直流调速器和所述直流电机连接。

进一步地，所述控制模块还包括电压电流检测单元，所述电压电流检测单元一端连接于所述直流电机，另一端连接于所述直流调速器。

进一步地，所述整流模块和所述控制模块皆为多组，所述多组直流调速器之间通过通讯端口连接，读写端口交叉互连，相互通讯。

进一步地，所述控制模块还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器设于钻井电机与钻具之间。

进一步地，所述直流电机调速装置包括控制面板，所述控制面板与所述直流调速器连接。

一种直流电机调速方法，包括以下步骤：

步骤1：获取直流电机实际转速作为速度环反馈值；

步骤2：取速度环反馈值和转速目标值的差值进行速度环的比例积分调节后得到第一输出值；

步骤3：对第一输出值进行转矩限幅设置和电流限幅设置，使转矩值≧0％，电流值为0％～100％，得到第二输出值；

步骤4：取第二输出值和检测到的直流电机实际电流进行电流环的比例积分调节后得到脉冲信号；

步骤5：脉冲信号输出，经过放大后输入至整流模块，整流模块通过改变直流电机的输入电压值，从而实现直流电机调速。

进一步地，所述脉冲信号输出前进行角度限幅设置，角度限幅为30°～150°。

进一步地，所述三相整流回路输出的电压值与速度成正比。

本发明采用直流调速器与脉冲放大器组合的方式控制直流电机，使得直流调速器输出的脉冲信号经放大后列送至各个晶闸管，满足大功率整流晶闸管的驱动需求，进而控制大功率整流晶闸管的导通和关闭进行全控整流，从而取缔了需多台小功率直流调速器才能满足直流电机调速需求的方式，大大降低了直流电机调速的成本，在有多组装置同时运作时，直流调速器之间相互通讯，实现转速同步。

同时实时监测直流电机的转速，保证直流电机转速和扭矩的同步输出，达到精准调速、减少传动系统损耗的目的。

同时，在钻井电机与钻具之间增加扭矩传感器实时采集钻井电机的扭矩数据，根据扭矩变化情况可自动调驱动系统扭矩输出，实现不同地质情况输出不同扭矩的功能，能有效节能，降低钻井成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的直流电机调速装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的直流调速器的内部组件结构示意图。

图3为本发明实施例提供的多组直流电机调速装置的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的直流电机调速方法流程图。

图中标记的含义为：

100-整流模块，110-控制模块，120-控制面板，130-钻井平台，140-直流电机，101-三相电抗器，102-真空接触器，103-晶闸管，111-直流调速器，112-脉冲放大器，113-制动单元，114-电压电流检测单元，131-钻井电机，132-钻具，133-扭矩传感器，1111-转速实际值采集组件，1112-实际电流采集组件，1113-速度闭环控制组件，1114-转矩限制组件，1115-电流限制组件，1116-电流闭环控制组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

如图1、图2和图3所示，本实施方式提供的技术方案如下，一种直流电机调速装置用于钻井平台130，钻井平台130包括钻井电机131与钻具132，直流电机调速装置包括：

整流模块100，包括晶闸管103；

控制模块110，包括直流调速器111和脉冲放大器112；脉冲放大器112一端连接于直流调速器111，另一端连接于晶闸管103；直流调速器111包括依次相连接的转速实际值采集组件1111、速度闭环控制组件1113、转矩限制组件1114、电流限制组件1115和电流闭环控制组件1116，还包括与电流闭环控制组件1116相连接的实际电流采集组件1112；直流调速器111与直流电机140连接。

如图1和图2所示，本实施方式中，直流调速器111内部自带闭环调速系统，主要分为电流闭环和转速闭环，电流调节环为内部闭环，转速调节环为外部闭环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统，直流电机调速装置接受外部AC960V电压，经晶闸管103整流至DC1000V后送至直流电机140，直流电机140的转速、电流等信息经直流调速器111处理后形成脉冲信号，经过脉冲放大器112后将脉冲信号放大，列送至各个晶闸管103，进而控制大功率整流晶闸管103的导通和关闭进行全控整流，从而实现直流电机140的调速。

作为本实施方式的进一步优选，整流模块100还包括三相电抗器101和真空接触器102，真空接触器102分别与三相电抗器101、晶闸管103和直流调速器111连接。

本实施方式中，外部AC960V电压先经由三相电抗器101和真空接触器102后再送至晶闸管103进行整流，通过串联三相电抗器101，增大了短路阻抗，限制了短路电流，在发生短路时，三相电抗器101的电压降较大，起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上设备运行的稳定性。真空接触器102能切断负载电流，同时还带有敞开与常闭触点，虽不具有短路电流的保护作用，但能受给定的信号来完成电压的分开与保持。

作为本实施方式的进一步优选，控制模块110还包括制动单元113，制动单元113分别与晶闸管103、直流调速器111和直流电机140连接。

本实施方式中，制动单元113自带线路切换功能，电机制动时，系统将串励电机转换为他励电机运行模式，电源输出至电机励磁绕阻，电机电枢输出接至制动单元113的制动电阻，通过电阻能量消耗方式迫使电机停止，节约停机时间。同时本电源系统具有过压、过流、超速等保护措施，以防止极端运行工况对设备的损伤。

作为本实施方式的进一步优选，控制模块110还包括电压电流检测单元114，电压电流检测单元114一端连接于直流电机140，另一端连接于直流调速器111。

本直流电机调速装置采取电压调速的方式，电压电流检测单元114对直流电机140的电压电流进行实时监测，将直流电机140的实际电流反馈回直流调速器111，处理成脉冲信号后反馈给整流模块100，从而达到精准调速的目的。

作为本实施方式的进一步优选，整流模块100和控制模块110皆为多组，多组直流调速器111之间通过通讯端口连接，读写端口交叉互连，相互通讯。

如图3所示，本实施方式以两组为例，两台直流电机140都投入运行，通过两组整流模块100和控制模块110分别控制两台直流电机140，每台直流电机采用一套独立的供电和控制系统，两组直流调速器111相互进行通讯，第二个直流调速器111将把第一个直流调速器111的当前转矩和转速作为设定值进行调节，保证两台直流电机140同步运行。由于整流回路采用全控整流，直流电机140速度可在0-额定转速范围内实现无级调速。

作为本实施方式的进一步优选，控制模块110还包括扭矩传感器133，扭矩传感器133设于钻井电机131与钻具132之间。

现有钻井平台驱动系统无扭力跟踪系统，无法根据地下地质变化改变扭矩输出，如钻井深度和岩石，因地质情况不明导致钻井驱动系统能耗增加更甚者造成烧钻或动力系统损坏，本实施方式在钻井电机131转盘与钻具132之间加装高精度扭矩传感器133实时采集钻井电机的扭矩数据，根据扭矩变化情况对钻井扭矩和电机输出扭矩进行对比，通过两者之间的实时扭矩变化率对直流电源驱动系统进行实时扭矩调节，使驱动系统扭矩输出根据不同地质情况输出不同扭矩，达到节能目的，同时减少传动系统损耗，降低钻井成本。

作为本实施方式的进一步优选，直流电机调速装置还包括控制面板120，控制面板120与直流调速器111连接。

本实施方式中，直流调速器111与控制面板120连接，控制面板120，可以设定和显示参数或者显示设备运行状态，包括故障、报警、启停设备等，可直接接受操作人员的控制指令，输出模式可在恒速、恒压、恒转矩等方式中由操作人员设定。

如图4所示，本发明还提供了一种直流电机调速控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取直流电机实际转速作为速度环反馈值；

步骤2：取速度环反馈值和转速目标值的差值进行速度环的比例积分调节后得到第一输出值；

步骤3：对第一输出值进行转矩限幅设置和电流限幅设置，使转矩值≧0％，电流值为0％～100％，得到第二输出值；

步骤4：取第二输出值和检测到的直流电机实际电流进行电流环的比例积分调节后得到脉冲信号；

步骤5：脉冲信号输出，经过放大后输入至整流模块，整流模块通过改变直流电机的输入电压值，从而实现直流电机调速。

本实施方式中，直流电机140的实际转速由加装在直流电机轴端的编码器实时检测所得，速度环通过编码器检测到的实际速度作为反馈，和设定的速度进行比较，并将比较的差值作为速度环输出，发送到电流环，通过增减电流环的输入电流来增减电机的转矩，从而实现升降速。电流环则通过电流检测元件来检测实际输出电流，并反馈到电流环入口和速度环输出的电流设定值进行比较，从而控制晶闸管的导通角，来改变输出电流，从而实现电机升降速。

如图3和图4所示，当两台直流电机投入运作时，编码器的型号设置为1024HTL A/B/R，转速比设置为1：1，此时编码器与直流电机轴之间无变速箱；在速度环的比例积分调节中将比例调节的参数设置为3，积分调节的参数设置为0.65；转矩限幅中将直流调速器U1设置为控制面板的转矩值,另一直流调速器U2设置为U1的实际转矩值，即U2转矩限幅跟随U1，只有当另一直流调速器U2对整个负载的出力不超过其一直流调速器U1，才可保持直流电机扭矩的同步；在电流环的比例积分调节中比例调节的参数设置为0.1，积分调节的参数设置为0.2。

脉冲放大器112参数如下：输入电压(直流调速器输出脉冲幅值)：＜10V；工作电源：DC24V/0.2A；脉冲输出：48V；路数：6路。

当直流调速器111输出脉冲信号，因为直流调速器111本身脉冲信号输出＜10V，不足以满足大功率晶闸管103驱动需求，所以采用放大电路对直流调速器111输出的脉冲信号进行放大至48V，满足大功率晶闸管103驱动需求，分为6路分别列送至6个晶闸管103，进而控制大功率整流晶闸管103的导通和关闭进行全控整流，调整直流电机140的输入电压值从而实现直流电机140的调速。

作为本实施方式的进一步优选，脉冲信号输出前进行角度限幅设置，角度限幅为30°～150°。

当脉冲输出角度的角度限幅范围为30°～150°时，可保护晶闸管器件不受损害。

作为本实施方式的进一步优选，三相整流回路输出的电压值与速度成正比。

本实施方式中，当直流电机140实际转速小于目标转速值时，根据直流调速器111输出经脉冲放大器112放大后反馈回晶闸管的脉冲信号，增大三相整流回路输出至直流电机140的电压值，实现直流电机140的升速。同理，当直流电机140实际转速大于目标转速值时，根据直流调速器111输出经脉冲放大器112放大后反馈回晶闸管的脉冲信号，减小三相整流回路输出至直流电机140的电压值，实现直流电机140的降速。

Claims (10)

1.一种直流电机调速装置，用于钻井平台(130)，所述钻井平台(130)包括钻井电机(131)与钻具(132)，其特征在于，所述直流电机调速装置包括：

整流模块(100)，包括晶闸管(103)；

控制模块(110)，包括直流调速器(111)和脉冲放大器(112)；所述脉冲放大器(112)一端连接于所述直流调速器(111)，另一端连接于所述晶闸管(103)；所述直流调速器(111)包括依次相连接的转速实际值采集组件(1111)、速度闭环控制组件(1113)、转矩限制组件(1114)、电流限制组件(1115)和电流闭环控制组件(1116)，还包括与所述电流闭环控制组件(1116)相连接的实际电流采集组件(1112)；所述直流调速器(111)与直流电机(140)连接。

2.根据权利要求1所述的直流电机调速装置，其特征在于，所述整流模块(100)还包括三相电抗器(101)和真空接触器(102)，所述真空接触器(102)分别与所述三相电抗器(101)、所述晶闸管(103)和所述直流调速器(111)连接。

3.根据权利要求1所述的直流电机调速装置，其特征在于，所述控制模块(110)还包括制动单元(113)，所述制动单元(113)分别与所述晶闸管(103)、所述直流调速器(111)和所述直流电机(140)连接。

4.根据权利要求1所述的直流电机调速装置，其特征在于，所述控制模块(110)还包括电压电流检测单元(114)，所述电压电流检测单元(114)一端连接于所述直流电机(140)，另一端连接于所述直流调速器(111)。

5.根据权利要求1至4任一所述直流电机调速装置，其特征在于，所述整流模块(100)和所述控制模块(110)皆为多组，所述多组直流调速器(111)之间通过通讯端口连接，读写端口交叉互连，相互通讯。

6.根据权利要求1所述的直流电机调速装置，其特征在于，所述控制模块(110)还包括扭矩传感器(133)，所述扭矩传感器(133)设于钻井电机(131)与钻具(132)之间。

7.根据权利要求1所述的直流电机调速装置，其特征在于，所述直流电机调速装置还包括控制面板(120)，所述控制面板(120)与所述直流调速器(111)连接。

8.一种直流电机调速方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取直流电机实际转速作为速度环反馈值；

步骤2：取速度环反馈值和转速目标值的差值进行速度环的比例积分调节后得到第一输出值；

步骤3：对第一输出值进行转矩限幅设置和电流限幅设置，使转矩值≧0％，电流值为0％～100％，得到第二输出值；

步骤4：取第二输出值和检测到的直流电机实际电流进行电流环的比例积分调节后得到脉冲信号；

步骤5：脉冲信号输出，经过放大后输入至整流模块(100)，整流模块(100)通过改变直流电机(140)的输入电压值，从而实现直流电机调速。

9.根据权利要求8所述的直流电机调速方法，其特征在于，所述脉冲信号输出前进行角度限幅设置，角度限幅为30°～150°。

10.根据权利要求8所述的直流电机调速方法，其特征在于，所述三相整流回路输出的电压值与速度成正比。