刘龙
[摘 要]随着交流变频控制技术的发展和电气元件功能增加与可靠性的提高，使该控制技术在钻机绞车上得到了成功应用。本文通过对钻机绞车矢量变换变频调速机械特性与工作原理的介绍，分析其优越的性能。
[关键词]钻机绞车；控制；交流变频；再生发电制动
中图分类号：TE923.01 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0005-02
1 矢量变换控制变频调速和再生发电制动时异步电机的机械性及特性
异步电机的调速方案中，效率最高﹑性能最好的方案是变压变频调速方案。调速时，需按比例同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差功率不变。在变压变频调速方法中，矢量变换控制的动态转矩特性和静态调速特性都比常用的U/F控制方法好，所以近年得到广泛应用。
当主回路采用电压源型变频器，控制回路采用矢量变换控制时，异步电机电磁转矩为Te=3Pn.（）2×，其中，Pn为电机极对数，Er为转子全磁通感应电动势；ω1为定子供电电源角频率；s=（no-n）/no为转差率；no为ω1下的同步转速（no=60f1/Pn，ω1=2πf1），n为转子实际转速；r2为折算到定子侧的每相转子电阻。
由于在矢量变换控制中，Er/ω1为恒值，因此，这时的机械特性Te=f（s）完全是一条直线，s>1为电动运行状态，s<0为发电运行状态（再生发电制动运行状态），可以获得与直流他励机相同的线性机械特性。其最大转矩也不会随f1的降低而减少。所以在系统传动、静态要求较高的控制中，矢量变换控制更有优越性。
2 三相异步电动机在电动和发电状态下的能量传送
三相异步电动机的等效电路如图1（下标“1”为定子，“2”为转子，字母上加点表示向量，字母上加“′”表示折合到定子侧的转子各相应向量），图中，r1、x1为定子绕组的电阻和漏抗；r′2、x′2 为折算后转子绕组电阻和漏抗，rm为与定子铁心损耗相对应的等效电阻，xm为主磁通相对的应的铁心电路的电抗。
从图1可得，电动势引起的转子每相电流为I2=，tgφ2 =x′2/（r′2/s）。在当变频驱动电机在电动运行状态工作时，因为n0>n，s=n0-n/n0>0，且tgφ2===tgφ2>0，即φ2处于0°-90°，所以，转子电流的有功分量I′2R=I2sinφ2>0，而转子电流的无功分量I′2r=I2sinφ2>0。由此画出异步电动机的向量图如图2。
图中向量φm为主磁通，Im为励磁电流。由于铁损，Im超前φm电角度为αFe，定子绕组磁动势E1滞后φm90°，E2为归算后的转子绕组电动势，φ1为定子电压U1和定子电流I1的功率因素角。从图7可以看出，U1和I1之间的相位角φ1<90°，此时，定子的有功功率P1a=U1I1sinφ1>0，即定子绕组从电网吸收了电能，而定子的无功功率P1r=U1I1sinφ1>0（I1落后U190°），即I1的无功分量滞后于U1，表示电网提供感性电流，用于励磁且I超过E1，说明I1里含有容性电流。当减速和制动时，变频器驱动电机在发电制动运行状态下工作，n0下降，但转子在空间继续以从前的速度n旋转，此时n0
看出，U1和I1之间的相位角φ1>90°，此时定子的有功功率P1α= U1 I1 cosφ1<0（在I1α在U1的反方向上），即定子绕组向电网回馈电能，而定子的无功功率P1r= U1 I1 sinφ1>0，（I1r落后U190°），即I1的无功分量仍滞后于U1。因此，从电动机的角度来看，异步电动机吸收了负的有功功率和滞后的无功功率，前者输出给电网，后者供励磁。而从发电机的角度来看，即把图中的I1用其反向延长线表示，并标为-I1。显然，此是，-I1超前U1的电角度为（π-φ1）<90°，定子的有功功率U1 I1 cos（π-φ1）>0，即定子绕组向电网输电功率，而定子的无功功率U1 I1 sin（π-φ1）>0，即定子绕组吸收了超前无功功率，用于励磁。
实际上在电动状态下，异步电动机并不是在100%时间内都吸引功率，而在大部分时间内由流电源Ed经逆变桥向电动机供电，电动机吸收了落后的电功率，这是主流。同时由于绕组电流不能突变，在小部分时间内经续流管将电能回馈到直流侧，这是支流；在发电状态下，异步电动机并不是在100%时间都输出电功率，而在大部分时间内绕组经续流二极管向电源回馈能量，输出了超前的电功率，这是主流，同时在小部分时间内由IGBT向电机提供功率，这是支流。
目前，钻机绞车再生发电减速制动时，由于采用的西门子变频器中的整流电流电路不可逆，即使可逆，因受钻机电网容量所限，也不允许将过多能量回馈电网，导致电网电压过高而引起跳闸。所以，钻具下放时的动能由异步电动机在发电状态通过续流二极管向中间直流回路上的电容C充电，使中间直流回路电压不断升高，当能量升高到限制值后，制动回路的制动单元会导通，将反馈到电机的电能消耗在制动电阻上。
3 钻机绞车矢量变换变频调速机械的优越性能
交流变频电机驱动钻机绞车，利用矢量变换控制变频调速方法，可得到与直流电机相同的线性机械特性，其动态转矩特性和静态调速特性都比常用的U/F控制方法好。矢量变换变频调速控制和再生发电制动可以使钻机绞车在四象限运行，操作一个手柄，可以实现钻机绞车的起下钻、加减速和悬持驻车操作。矢量变换变频调速方法的构想是将三相异步电动机通过矢量变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电机。模仿直流电动机的控制方法来达到控制转矩的目的，从而得到与直流电动机一样优良的调速控制性能。绞车的异步电机在电动运行状态吸引电功率转变成机械能，在再生发电制动状态下，消耗钻具下放的动能向变频器回馈电能。异步电动机向电源回馈的能量在制动电阻消耗掉。
参考文献
[1] 倪彬斌.变频传动技术在石油钻机电控系统中的应用研究[D].中国石油大学，2010年.
[2] 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（02）.
