石油钻井电机间接矢量控制策略研究

李治钢

(川庆钻探工程有限公司 川西钻探公司，成都 610051)

石油钻井电机间接矢量控制策略研究

李治钢

(川庆钻探工程有限公司 川西钻探公司，成都 610051)

为提高石油钻井电机调速系统的动态响应特性，提出了一种采用异步电动机模型的石油钻井电机间接矢量控制策略。该策略的钻井电机转子角频率通过类转差频率控制方法求得，直接通过磁链指令对励磁电流进行计算，不需要磁链观察便可获取新的转矩和转速，能够较好地实现石油钻井电机的转速和转矩的跟踪控制。并在Matlab/Simulink环境中建立仿真模型，验证了所提方法的可行性和有效性。

石油钻机；电动机；间接矢量控制；仿真

石油钻机是一种应用于石油勘探和开发的钻井设备，根据钻机的驱动特性，石油钻机可分为机械驱动钻机和电驱动钻机，其中电驱动钻机较机械驱动型的而言，具有优异的调速性能、更强的可靠性、更低的故障率以及更高的经济型，并且操作方便灵活，自动化程度高，因此在石油钻井行业得到了更为广泛的关注和应用[1-2]。随着数字控制系统的快速发展，给石油钻机的自动控制调速系统的完善提供了一定的实现途径[3-4]。石油勘探和开采的过程中，自动送钻需根据设定的速度来自动的送钻，此种方式能够较好地应用于稳定底层及速度较高的钻井工艺。因此，在送钻的过程中应保持恒速送钻，当地层阻力发生波动时，钻机的转矩会相应的发生一定的波动，必须保证钻机的转速能够维持在恒定转速运行[5-7]，这就对钻机控制系统提出了更高的要求。如何实现钻机恒定钻压和恒定转速运行是高性能调速系统值得探讨的问题。

本文提出了一种应用于石油钻井电机的间接矢量控制策略，该策略在坐标变换的基础上建立异步电动机的动态解耦数学模型，直接通过磁链指令对励磁电流进行计算，不需要磁链观察便可获取新的转矩和转速，能够快速地跟踪转速和转矩参考值的变化。

1 石油钻井电机数学模型

本文采用的用于石油钻井的电机是交流异步电机，交流异步电机是一个具有多变量的高阶非线性系统。在建立石油钻井电机的数学模型时，为便于分析，做以下假设：

1) 不计磁饱和所带来的影响。

2) 电动机的定子和转子的三相绕组是对称的，磁动势呈现正弦分布。

3) 不考虑涡流损耗和磁滞饱和。

一般情况下，交流异步电动机的数学方程主要有电压方程、磁链方程、转矩方程以及运动方程[8-9]。根据坐标变换，异步电动机的数学模型在旋转坐标系下可表示为：

电压方程

(1)

磁链方程

(2)

转矩方程

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

运动方程

(4)

式(1)至式(4)中，usd、usq和urd、urq分别是定子三相电压和转子三相电压在旋转坐标轴的分量；isd、isq和ird、irq分别是定子三相电流和转子三相电流在旋转坐标轴的分量；Rs和Rr分别是定子电阻和转子电阻；Ls、Lr、Lm分别是定子的电感、转子的电感以及定子转子互感；ωs、ω、ωs1分别是电机的同步转速、转子的转速和转差；ψsd、ψsq和ψrd、ψrq分别是定子和转子在旋转坐标轴的磁链分量；np是极对数；J是系统的转动惯量；Te和TL分别是电磁转矩和负载转矩；p是微分算子。

2 石油钻井电机间接矢量控制策略

针对石油钻井电机，在其旋转坐标轴下的数学模型中，并没有规定电动机的旋转磁场与规定坐标系的相对位置，令转子磁链矢量的ψr与坐标系的d轴相重合，那么得到的旋转坐标轴即是和转子磁场定向的。又因为d轴和q轴是互相垂直的，则可以得到：

ψrd=|ψr|
ψrq=0

(5)

其中：

(6)

由式(6)可知，转子的磁链只与d轴的定子电流相关联，所以isd又可定义为定子电流的励磁电流。当isd发生突变时，励磁的惯性会对转子磁链的变化产生一定的阻止作用。当系统处于稳定状态时，有：

ψrd=Lmisd

(7)

将式(5)代入式(3)可得：

(8)

由式(8)可知，转子磁场的定向能够使定子电流的励磁分量和转矩分量实现解耦，转子磁链是由励磁电流isd所产生的，和转矩电流isq没有直接关系。但是，转矩仍是和转矩电流以及转子磁链存在耦合关系。假设转子磁链保持不变，石油钻井电机的电磁转矩仅仅是由转矩电流进行控制，并且呈现线性的关系，所以转子磁链的定向控制目标是励磁电流，以保证恒定的转子磁链，而电磁转矩的控制是通过对转矩电流的控制而实现的。电磁转矩实现解耦的前提是得到转子磁链矢量的幅值以及相角，但是磁链的观测具有较大的困难。通常，磁链的观测是通过状态观测器的构造和模型计算方法来实现，该类方法都缺少误差校正功能，具有较差的效果。

根据式(6)的转差频率表达式可实现一种石油钻井电机间接矢量控制，该方法通过定子电流环来实现电流在dq坐标下的无静差跟踪。在实际工程当中，实际值用各物理量的参考值来代替。则转差角频率的参考值为：

(9)

石油钻井电机的间接矢量控制结构框图如图1所示。控制电路的组成部分主要包括转速以及磁链的两个解耦环节，控制环路采用的是内外环双环控制结构，其中外环的控制目标是转速和磁链，内环的控制目标是转矩电流以及励磁电流。转矩电流的参考值是由转速的参考值与实时反馈的转速作差并经过调节器得出，其中ASR采用的是PI调节器，ACR采用的是电流滞环控制器；而励磁电流的参考值则是根据磁链的指令进行计算所得到；将该两类电流的计算值和参考值分别作差得到对应的两类参考电压，再经过2/3坐标变换得到逆变器的脉冲触发控制信号。反馈环节只要是将输出电压经过坐标变换生成对应的isd以及转矩电流isq。

相对于传统的异步电机直接矢量控制方法而言，文中所提的间接矢量控制策略具有更为明显的优势，采用类似转差率控制方法来获取电机的转子角频率，结合所需的转矩即可得到转差角频率，不需要对磁链进行观察就能够使电机转矩和转速的指令进行实时的更新切换。

图1 间接矢量控制框图

3 仿真验证

为验证提出的石油钻井电机间接矢量控制策略具有优异的调节性能，根据图1的基本原理，在Matlab/SimulinK环境下建立了间接矢量控制的仿真模型。具体参数如下：三相交流电幅值和频率分别为380V、50Hz，定子电阻Rs=0.087Ω，定子漏感Ls=0.8mH，转子电阻Rr=0.025Ω，转子漏感Lr=2mH，电机的互感Lm=34.7mH。

设定仿真的石油钻井电机从t=0s开始启动，输出转速设为1 420r/min，在t=0.5s时转速给定值为1 200r/min，整个仿真的时间为1s。仿真结果如图2～5所示。

图2是钻井电机的转速响应曲线，从图中可知：石油钻井电机在启动时逐渐达到给定的转速值，达到稳定运行所需时间不到0.1s，几乎不存在超调量；在t=0.5s时，转速的给定值由1 420r/min变为1 200r/min，经过不到0.1s的时间最终能够稳定在1 200r/min，并且也不存在超调量，整个启动和调速过程都具有良好的动态调节特性和稳态特性。

图3～4分别是电机的定子三相电流和逆变器的输出方波电压曲线，仿真结果进一步说明了间接矢量控制策略的良好动态调节特性，暂态和稳态特性较优。

图5是电机的磁链轨迹曲线图，虽然控制系统的磁链是开环控制，但是采用了滞环控制，仍具有良好的电流跟踪特性，使电机的磁链轨迹呈现规则的圆形，有效保证了恒磁通控制。

图2 石油钻井电机转速

图3 石油钻井电机定子三相电流

图4 石油钻井电机逆变器的输出电压

图5 石油钻井电机定子磁链轨迹

4 结论

为提高石油钻井电动机的输出转矩和转速的平稳性，提出了一种间接矢量控制策略。在电动机的稳态数学模型基础上，利用Park坐标变换求出其在旋转坐标下的数学模型，分别阐述了电压方程、磁链方程、转矩方程以及运动方程。分析了间接矢量控制的基本原理。在Matlab/Simulink环境中建立了仿真模型并进行测试。结果表明：所提出的间接矢量控制策略能够有效地控制瞬时转矩，电机的转速能够快速跟随参考值的变化，具有优异的稳定性和动态调节特性。

[1] 马强.交流变频电动机及其控制系统在石油钻井中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013(2)：142-144.

[2] 李太辉.石油钻井电机应用现状、问题及维修策略[J].工程技术：引文版，2017(1)：00225-00226.

[3] 胡衔宇.石油钻机动力设备的数字化控制[J].中国科技博览，2013(23)：403-405.

[4] 刘天文，李晓丽.西门子Logo!逻辑控制器在石油钻机中的应用[J].工业，2015(4)：287-288.

[5] 王立伟.电驱动石油钻机变频调速技术研究[D].大庆：东北石油大学，2015.

[6] 张鹏飞，朱永庆，张青锋，等.石油钻机自动化、智能化技术研究和发展建议[J].石油机械，2015(10)：13-17.

[7] 李平，王振宏.异步交流电机动态数学模型分析与研究[J].长春理工大学学报(自然科学版)，2016(1)：52-55.

[8] 肖林京，李波，孙传余，等.单相励磁8/6极开关磁阻电动机转矩数学模型[J].工矿自动化，2016，42(4)：62-66.

[9] 赵淑兰，朱其先.钻机绞车矢量变换变频调速机械特性和工作原理[J].石油矿场机械，2004，33(4)：8-12.

Research on Indirect Vector Control Strategy of Oil Drilling Motor

LI Zhigang

(Chuanxi Drilling Company，CCDC，Chengdu 610051，China)

In order to improve the dynamic response characteristics of oil drilling motor speed control system，an indirect vector control strategy based on asynchronous motor model is proposed in this paper.In this method，the rotor angular frequency is obtained by means of the frequency difference control method，the excitation current is calculated directly by the flux linkage，and the new torque and speed can be obtained without flux observation，which can realize the tracking control of the speed and torque of the oil rig.Finally，the simulation model is established in Matlab/Simulink environment，which verifies the feasibility and effectiveness of the proposed method.

oil drilling rig；motor；indirect vector control；simulation

1001-3482(2017)04-0008-04

2017-01-14

李治钢(1986-)，男，四川资中人，工程师，主要从事石油钻井电气自动化研究。

TE924

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.003