CN111075425A - 一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法，上位机给变频器下发转速指令，变频器根据给定转速和反馈转速执行下垂控制功能算法后，控制电机的转速，具体如下：步骤1，读取变频器的转矩和运行频率；步骤2，对转矩进行滤波；步骤3，根据滤波后的转矩和运行频率计算转速下垂率；步骤4，对转速下垂率进行滤波和限幅；步骤5，在原有的运行频率上叠加滤波和限幅后的转速下垂率；步骤6，更新运行频率。本发明在多电机驱动钻井系统中利用下垂控制功能算法，可以在多机并联的情况下实现转速一致和负荷平衡，降低成本的同时也避免了恶劣环境对通讯控制信号的干扰，提高了系统的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及钻井系统动力驱动技术领域，尤其是一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法。
背景技术
钻井系统最初很大一部分是使用柴油机作为动力系统，随着技术和时代的发展，为了提高效率，减少污染，降本增效，越来越多的钻井动力系统从用油动力改为电动力。目前国内的钻井电驱动力系统已经比较成熟。
如图1所示，钻井电驱动力系统一般由两台以上的变频调速电机为钻机提供钻进动力，动力输入链条传动箱或者皮带传动箱后再分配到终端负载泥浆泵、绞车和转盘等。两台(或者两台以上)电机输出端在机械意义上同轴，所以对各台电机主要有以下要求：
1.速度一致，如果有速度偏差则会出现速度快的一台牵着速度慢的一台转动，速度慢的一台此时处于发电状态，这种情况首先降低了系统效率，降低了能耗利用率，无法达到系统设计的最大输出转矩，第二处于发电状态的电机会对变频调速系统造成不利影响，严重情况可能会导致调速系统内部器件损坏。
2.负荷平衡分配，如果负荷分配不平衡就会引起电机速度不一致，而且负荷较大一台电机长期承受大负荷，降低了设备的使用寿命，负荷分配不平衡也会导致无法达到系统设计的最大输出转矩。
系统一般使用变频主从控制等方式来达到多台电机的速度一致和负荷平衡，但是这种控制方式必须使用同步卡或者经由上位机PLC通讯信号来进行控制。由于钻井平台现场条件恶劣，调速系统采用传统的同步控制方式具有如下缺点：
第一增加成本(同步卡，PLC通讯模块，和信号放大器等)；
第二增加了系统整体的故障点，不利于电控系统整体的稳定运行；
第三恶劣的环境条件很容易对通讯控制信号造成干扰，降低了电驱系统的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法，上位机给变频器下发转速指令，变频器根据给定转速和反馈转速执行下垂控制功能算法后，控制电机的转速，具体如下：
步骤1，读取变频器的转矩和运行频率；
步骤2，对转矩进行滤波；
步骤3，根据滤波后的转矩和运行频率计算转速下垂率；
步骤4，对转速下垂率进行滤波和限幅；
步骤5，在原有的运行频率上叠加滤波和限幅后的转速下垂率；
步骤6，更新运行频率。
进一步，步骤2中对转矩进行滤波的方法为：
设定内部转矩增益G1，
(1)当内部转矩指令(％)≥0时，
当内部转矩指令(％)<盲区转矩时，G1＝0；
当内部转矩指令(％)≥盲区转矩时，G1＝(内部转矩指令-盲区转矩)/100；
(2)当内部转矩指令(％)<0时，
当内部转矩指令(％)>盲区转矩时，G1＝0；
当内部转矩指令(％)<盲区转矩时，G1＝(内部转矩指令+盲区转矩)/100。
进一步，步骤3中根据滤波后的转矩和运行频率计算转速下垂率的方法为：
(1)在稳态，ASR的PI调节器为0，ATL使电动机实际转矩等于给定转矩，则有：
f*-f＝KBT
其中，f*为上位机给定转速，f为反馈转速；
(2)由于电动机空载的运行频率等于给定频率，则转速下垂率为：
其中，fN为额定频率，TN为额定转矩，fTN为额定转矩对应的频率；
(3)采用标幺值计算时fN＝TN＝1；则下垂调节率：Δf(％)＝KB。
进一步，步骤4中对转速下垂率进行滤波的方法为：
设定加速后的运行频率增益为G2；
(1)当盲区频率f1<限幅频率f2时，
|当加速后的频率|<盲区频率f1，G2＝0；
|当加速后的频率|≥限幅频率f2，G2＝负载分担增益ΔT/100；
(2)当盲区频率f1≤|当加速后的频率|≤限幅频率f2，
G2＝负载分担增益ΔT/100X{(|当加速后的频率|-盲区频率f1)/(限幅频率f2-盲区频率f1)}；
则滤波后转速下垂率为KB＝G1*G2。
进一步，转速下垂率限幅为不超过10％。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明在多电机驱动钻井系统中利用下垂控制功能算法，可以在多机并联的情况下实现转速一致和负荷平衡，降低成本的同时也避免了恶劣环境对通讯控制信号的干扰，提高了系统的可靠性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为多电机驱动钻井系统的原理图。
图2为本发明的下垂控制功能算法的原理图。
图3为本发明的在多电机驱动钻井系统中的控制方法的流程框图。
图4为本发明的转矩滤波的原理图。
图5为本发明的下垂频率滤波的原理图。
图6为应用本发明的一种双电机的钻井系统示例中下垂平衡外特性线性图，图中1、2分别表示1号电机和2号电机的下垂平衡外特性线。
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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
首先，在本实施例中，变频器通过DP通讯方式与上位机PLC通讯，各台变频器之间没有通讯关联。
如图2所示，本实施例提供的一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法，上位机给变频器下发转速指令，变频器根据给定转速和反馈转速执行下垂控制功能算法后，控制电机的转速；
如图3所示，具体如下：
步骤1，读取变频器的转矩和运行频率；
步骤2，对转矩进行滤波；
如图4所示，设定内部转矩增益G1，
(1)当内部转矩指令(％)≥0时，
当内部转矩指令(％)<盲区转矩时，G1＝0；
当内部转矩指令(％)≥盲区转矩时，G1＝(内部转矩指令-盲区转矩)/100；
(2)当内部转矩指令(％)<0时，
当内部转矩指令(％)>盲区转矩时，G1＝0；
当内部转矩指令(％)<盲区转矩时，G1＝(内部转矩指令+盲区转矩)/100。
步骤3，根据滤波后的转矩和运行频率计算转速下垂率；
具体地：
(1)在稳态，ASR的PI调节器为0，ATL使电动机实际转矩等于给定转矩，则有：
f*-f＝KBT
其中，f*为上位机给定转速，f为反馈转速；
(2)由于电动机空载的运行频率等于给定频率，则转速下垂率为：
其中，fN为额定频率，TN为额定转矩，fTN为额定转矩对应的频率；
(3)采用标幺值计算时fN＝TN＝1；则下垂频率：Δf(％)＝KB。
步骤4，对转速下垂率进行限幅；
如图5所示，设定加速后的运行频率增益为G2；其中，加速后是指进行下垂控制后；
(1)当盲区频率f1<限幅频率f2时，
|当加速后的频率|<盲区频率f1，G2＝0；
|当加速后的频率|≥限幅频率f2，G2＝负载分担增益ΔT/100；
(2)当盲区频率f1≤|当加速后的频率|≤限幅频率f2，
G2＝负载分担增益ΔT/100X{(|当加速后的频率|-盲区频率f1)/(限幅频率f2-盲区频率f1)}；
则滤波后转速下垂率为KB＝G1*G2。
另外，KB越大，下垂率越大，负载差越小。但是下垂率也不能太大，否则从空载到带载的转速差太大，对系统运行设备产生不利影响。故对下垂率进行限幅，一般地，转速下垂率限幅为不超过10％。
步骤5，在原有的运行频率上叠加限幅后的转速下垂率；
步骤6，更新运行频率。
如图6所示，是一种双电机的钻井系统示例，由于负载分配不均，随着负载的加大，转速逐渐略微下降，他们的外特性如图所示，纵坐标为运行频率，横坐标为负载转矩。转速下降多的负载重，转速下降小的负载轻，开启下垂后，从而使两者运行速度实现平衡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种在多电机驱动钻井系统中的控制方法，其特征在于，上位机给变频器下发转速指令，变频器根据给定转速和反馈转速执行下垂控制功能算法后，控制电机的转速，具体如下：
步骤1，读取变频器的转矩和运行频率；
步骤2，对转矩进行滤波；
步骤3，根据滤波后的转矩和运行频率计算转速下垂率；
步骤4，对转速下垂率进行滤波和限幅；
步骤5，在原有的运行频率上叠加滤波和限幅后的转速下垂率；
步骤6，更新运行频率。
2.根据权利要求1所述的在多电机驱动钻井系统中的控制方法，其特征在于，步骤2中对转矩进行滤波的方法为：
设定内部转矩增益G1，
(1)当内部转矩指令(％)≥0时，
当内部转矩指令(％)<盲区转矩时，G1＝0；
当内部转矩指令(％)≥盲区转矩时，G1＝(内部转矩指令-盲区转矩)/100；
(2)当内部转矩指令(％)<0时，
当内部转矩指令(％)>盲区转矩时，G1＝0；
当内部转矩指令(％)<盲区转矩时，G1＝(内部转矩指令+盲区转矩)/100。
3.根据权利要求2所述的在多电机驱动钻井系统中的控制方法，其特征在于，步骤3中根据滤波后的转矩和运行频率计算转速下垂率的方法为：
(1)在稳态，ASR的PI调节器为0，ATL使电动机实际转矩等于给定转矩，则有：
f*-f＝KBT
其中，f*为上位机给定转速，f为反馈转速；
(2)由于电动机空载的运行频率等于给定频率，则转速下垂率为：
其中，fN为额定频率，TN为额定转矩，fTN为额定转矩对应的频率；
(3)采用标幺值计算时fN＝TN＝1；则下垂调节率：Δf(％)＝KB。
4.根据权利要求2或3所述的在多电机驱动钻井系统中的控制方法，其特征在于，步骤4中对转速下垂率进行滤波的方法为：
设定加速后的运行频率增益为G2；
(1)当盲区频率f1<限幅频率f2时，
|当加速后的频率|<盲区频率f1，G2＝0；
|当加速后的频率|≥限幅频率f2，G2＝负载分担增益ΔT/100；
(2)当盲区频率f1≤|当加速后的频率|≤限幅频率f2，
G2＝负载分担增益ΔT/100X{(|当加速后的频率|-盲区频率f1)/(限幅频率f2-盲区频率f1)}；
则滤波后转速下垂率为KB＝G1*G2。
5.根据权利要求4所述的在多电机驱动钻井系统中的控制方法，其特征在于，转速下垂率限幅为不超过10％。
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