石油钻井平台变频传动系统的制作方法

本发明涉及石油钻井设备技术领域，尤其涉及一种石油钻井平台变频传动系统。

背景技术：

参见附图1，石油钻井平台使用的钻机分为机械钻机和电动钻机，目前市场上超过70％的钻机为机械钻机。机械钻机的动力由柴油机提供，通常为两用一备。柴油机通过皮带或者链条连接的方式，连接到联动箱上。联动箱上带有气动离合器，泥泵机、绞车、转盘等负载通过气动离合器随时挂入到联动箱上或者从联动箱上面脱离。由于需要调速，泥泵机和气动离合器之间还需要增加耦合器，再配合流量阀来达到泥泵机流量和压力的控制。这需要一个专业性很强的人员在现场操作，且这两类为耗材，需要更换。另外，柴油机动力能源费用高、噪音大、碳排放高，不符合国家节能减排的要求。

参见附图2，将柴油机动力的机械钻机进行油改电改造升级是该行业的迫切需求，使用高压变频交流传动技术来实现设备升级，可以使机械钻机的工作性能与电动钻机相当。由于联动箱的存在，传动效率比电动钻机略低，但是电机电缆会少很多，这对于经常搬迁的钻机来说是相当有利的。另外机械钻机存量很大，电动钻机成本很高，也使得传统机械钻机动力部分进行高压变频的交流传动技术改造大有可为。

为了满足钻机应用的功能要求，改造后由两台变频传动系统进行负载分配。在联动箱中连接两台交流电机，由于两个电机的皮带或者链条在不同步时有时拉得太紧或者太松。另外，在突加载时，两台电机之间还容易出现相互拉扯的情况，这很容易使其中一套变频系统报母线过压故障。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种石油钻井平台变频传动系统，实现主从电机同步，负载分配平衡。

本发明采取的技术方案是：

一种石油钻井平台变频传动系统，其特征是，包括主传动电机和从传动电机通过联动箱传动连接至钻井机构，所述从传动电机连接至从机变频单元，在所述从传动电机的输入相线上设置从机数据采样单元，在所述主传动电机的输入相线上设置主机数据采样单元，所述主机数据采样单元和从传机数据采样单元将采集的电压数据和电流数据发送至从机变频单元，所述从机变频单元根据反馈的电压数据和电流数据控制从传动电机的变频器控件驱动从传动电机与主传动电机同步运动。

进一步，所述电压数据和电流数据通过电压调节器和电流调节器送至从机变频单元，所述电压调节器和电流调节器均进行限幅处理。

进一步，所述从机变频单元还接收从机定子频率信息、命令信息以及故障信息。

进一步，所述从机定子频率给定方式是vf控制方式，经上位机发送至从机变频单元。

进一步，所述从机定子频率给定方式是vf控制方式，经电压调节器和电流调节器处理后发送至从机变频单元。

进一步，所述从机定子频率给定方式是矢量控制方式或直接转矩控制方式，将从传动电机的转子速度经电压调节器和电流调节器处理后发送至从机变频单元。

进一步，所述主传动电机连接至主机变频单元，所述主机变频单元与从机变频单元通讯连接。

进一步，所述钻井机构包括泥浆泵机、绞车、转盘，通过联动箱传送动力，所述联动箱通过传送皮带或链条连接在主传动电机和从传动电机上。

本发明的有益效果是：

(1)传动系统启动无冲击，动态过程负载分配平衡，大大降低了保养次数；

(2)可以省掉耦合器，也不需要调整阀门，没有耗材；

(3)大大降低了柴油燃料费用；

(4)无噪音、无碳排放、无污染，改造成本较低，适合大范围普及。

附图说明

附图1是现有的机械钻机结构示意图；

附图2是机械钻机改为交流电机传动系统的结构示意图；

附图3是主从传动电机控制系统示意图；

附图4是本发明的电机传动系统中从机控制原理框图；

附图5是vf控制方式下电流按电压矢量分解图；

附图6是矢量控制方式下定子坐标系下两相变换示意图；

附图7是矢量控制方式下转差频率方式计算同步旋转角示意图；

附图8是主从传动电机控制系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明石油钻井平台变频传动系统的具体实施方式作详细说明。

参见附图2,石油钻井平台变频传动系统包括主传动电机和从传动电机通过联动箱传动连接至钻井机构，所述从传动电机连接至从机变频单元，在所述从传动电机的输入相线上设置从机数据采样单元，在所述主传动电机的输入相线上设置主机数据采样单元，所述主机数据采样单元和从传机数据采样单元将采集的电压数据和电流数据发送至从机变频单元，所述从机变频单元根据反馈的电压数据和电流数据控制从传动电机的变频器控件驱动从传动电机与主传动电机同步运动。

所述钻井机构包括泥浆泵机、绞车、转盘，通过联动箱传送动力，所述联动箱通过传送皮带连接在主传动电和从传动电机上。

参见附图3，所述从传动电机连接至从机变频单元，所述主传动电机连接至主机变频单元，所述主机变频单元与从机变频单元通讯连接。

为了满足钻机应用的功能要求，改造后的两台变频传动系统，需要具备主从同步的功能，即负载分配平衡，这样联动箱中连接两台交流电机的皮带或者链条不至于拉得太紧或者太松。另外，在突加载时，两台电机之间还容易出现相互拉扯的情况，这很容易使其中一套变频系统报母线过压故障。

参见附图4，针对这种应用场合，设计了从机控制算法。

附图中，ws_slave*表示在vf控制方式下的上位机定子频率给定；ws1_slave*表示vf控制方式下经过调节器处理后用于vf曲线算法的定子频率给定；wr为有速度矢量控制方式下，编码器测得的电机转速，wr_es为无速度矢量控制方式下的电机转速估计。

在矢量控制方式下，ws_slave*会被替换为wr_preset_slave*，表示转子速度给定；wsl_slave*会被替换为wr_slave*，表示用于经过主从跟随电流调节器和最大母线电压限制调节器之后的矢量控制算法的转子速度给定；

iq_master代表主机转矩电流，iq_slave代表从机转矩电流，均是由系统输出电流采样计算得到。从机通过通信获得iq_master。

从机电流调节器的作用是让从机转矩电流跟随主机转矩电流变化，这样达到主从机之间负载分配平衡，这是主从系统达到同步控制的本质。专利xx所说的速度相差在一定范围内就可以做到主从同步，事实上这样是无法达到动态负载分配平衡的。

算法说明：

(1)参见附图5，在vf控制方式下，电流按电压矢量分解：

i1cosφ＝iαcosθ+iβsinθ；

iα，iβ为电流三相采样值ia,ib,ic在静止坐标系下恒功率原则3s/2s变换得到：

高压电机定子电阻压降占比很小，这样转矩电流iq非常接近电流矢量在电压矢量方向上的投影，即i1cosφ。上式中的θ是电压矢量与a(α)轴之间的夹角，在vf控制方式下，可以推导出按余弦方式发波，发波角θ即为这个夹角。

下式即为vf控制下的发波方式，um为vf曲线算法得到的调制度。θ＝ωt，

ω为原理框图中的ws1_slave*。

wsl_i是主从跟随的转矩电流跟踪电流调节器的输出结果，wsl_v是最大母线电压限制的调节器输出结果。这两个都是pi调节器，传递函数均为电流调节器的pi参数值记为kp_i、ki_i，电压调节器的参数值记为kp_v、ki_v，实际使用中需要考虑积分器饱和限幅处理。电压调节器需要作负限幅处理，最大输出值为0。

wsl_i的离散化计算过程为：

e_i(k)＝iq_master(k)-iq_slave(k)；

y1(k)＝kp_i*e_i(k)；

y2(k)＝y2(k-1)+ki_i*e_i(k)；

wsl_i(k)＝y1(k)+y2(k)。

其中，积分初值y2(0)＝0。

(2)参见附图6,在矢量控制或者直接转矩控制方式下，wsl_i，wsl_v的计算与vf控制方式一致。转矩电流iq是由同步坐标系下2s/2r变换得到的：

公式中，θ1为矢量控制方式下的同步旋转角，不同的矢量控制方式，θ1的计算各有不同。这里只给出工程上常用的转子磁链定向的矢量控制方式θ1的计算方式。

参见附图7，有速度传感器时，wr为实际转速反馈。无速度方式，wr_es为速度估计值。设置为从机的系统执行上述控制算法，设置为主机的系统没有wsl_i、wsl_v的调节部分。其他部分与从机一致。

参见附图8,从机启动过程是，主从机启动后，从机采样主机的iq信息，从机的电流调节器和电压调节器调节主从机输出，将调节电压电流以及频率给定值发送至从机变频单元，经过计算后驱动从机变频功率器件驱动从动电机工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。