負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和負載轉(zhuǎn)矩控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，該負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括：輸入單元，通過該輸入單元輸入電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值；檢測單元，該檢測單元包括檢測電機的轉(zhuǎn)矩實際值的轉(zhuǎn)矩傳感器；計算單元，該計算單元根據(jù)檢測單元檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩變化率，將所述計算單元所計算的轉(zhuǎn)矩變化率與預(yù)先設(shè)定值相比較，并且在所述轉(zhuǎn)矩變化率大于所述預(yù)先設(shè)定值時，改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并將改變后的轉(zhuǎn)速設(shè)定值輸出給電機的速度控制器。利用根據(jù)本發(fā)明的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測機械設(shè)備實際轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)速度、速度的瞬態(tài)波動，系統(tǒng)自動對速度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)能量的平穩(wěn)傳遞和釋放，提高安全性和使用壽命。
【專利說明】負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和負載轉(zhuǎn)矩控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機械設(shè)備控制領(lǐng)域，尤其涉及一種用于長軸系或彈性負載機械設(shè)備的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)；另外，本發(fā)明還涉及用于控制長軸系或彈性負載機械設(shè)備的負載轉(zhuǎn)矩的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]長軸系(long shaft)或彈性負載(flexible load)機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，在遇到負載轉(zhuǎn)矩突增或者突減而造成轉(zhuǎn)速不合理的情況時，很容易造成機械設(shè)備損壞等故障，嚴重影響設(shè)備安全性，降低使用壽命。
[0003]長軸系或彈性負載機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中需要維持平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)速度，在設(shè)備突然加速時，由于設(shè)備自身具備一定的彈性，轉(zhuǎn)動慣量較大，設(shè)備軸系會吸收電機傳輸?shù)捷S驅(qū)動端的能量，造成軸系末端速度低于驅(qū)動端；當驅(qū)動端速度平穩(wěn)以后，驅(qū)動器將保持恒定的能量輸出；由于軸系儲存能量的存在，這些能量會繼續(xù)釋放到軸系末端，如果能量釋放速度過快，軸系末端轉(zhuǎn)速會持續(xù)升高并高于驅(qū)動端速度，從而帶動整個軸系速度超調(diào)；電機驅(qū)動端將減小能量輸出以保持速度實際值與速度設(shè)定值一致，這種調(diào)節(jié)過程將反復(fù)出現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩的反復(fù)波動和沖擊會造成設(shè)備振動，影響使用壽命。
[0004]長軸系或彈性負載機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，負載突然增加或堵轉(zhuǎn)時，由于機械軸系很長或彈性的存在，軸系會吸收部分能量，所以軸驅(qū)動端速度不會有明顯變化，電機會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，持續(xù)輸入能量，施加到機械軸系上轉(zhuǎn)矩的增大，導(dǎo)致軸系末端轉(zhuǎn)矩變得非常大，當傳遞的轉(zhuǎn)矩超過負載時，軸系末端的旋轉(zhuǎn)將失去控制，直到電機端檢測到轉(zhuǎn)速的增加。電機將降低輸出轉(zhuǎn)矩并傳遞到軸系末端，軸系末端將會再次被阻；如果采用普通的轉(zhuǎn)矩控制方式，這種失控的旋轉(zhuǎn)波動會周期性傳遞，將發(fā)生軸向扭振、徑向諧振、失速、反轉(zhuǎn)等失控問題，造成機械設(shè)備磨損、扭斷、橫向切斷等故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種提高變速驅(qū)動器效率的系統(tǒng)和方法，用以提高變速驅(qū)動器的效率，進一步確保變速驅(qū)動器的線性度。
[0006]因此，本發(fā)明的目的在于提供了一種負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，該負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實時監(jiān)測機械設(shè)備實際轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)速度、速度的瞬態(tài)波動，系統(tǒng)自動對速度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)能量的平穩(wěn)傳遞和釋放，提高安全性和使用壽命。另外，本發(fā)明的另一目的在于提供一種負載轉(zhuǎn)矩控制方法，利用該方法，能夠?qū)崟r監(jiān)測機械設(shè)備實際轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)速度、速度的瞬態(tài)波動，系統(tǒng)自動對速度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)能量的平穩(wěn)傳遞和釋放，提高安全性和使用壽命。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，該負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括:輸入單元，通過該輸入單元輸入電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值；檢測單元，該檢測單元檢測電機的轉(zhuǎn)矩實際值；計算單元，該計算單元根據(jù)檢測單元檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩變化率，將所述計算單元所計算的轉(zhuǎn)矩變化率與預(yù)先設(shè)定值相比較，并且在所述轉(zhuǎn)矩變化率大于所述預(yù)先設(shè)定值時，改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并根據(jù)改變后的轉(zhuǎn)速設(shè)定值改變電機的轉(zhuǎn)速。
[0008]由此，在電機的轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化時，例如在負載或阻力增大時，在現(xiàn)有技術(shù)中，由于速度保持恒定，則電機的轉(zhuǎn)矩輸出急劇增加，超出電機所允許的功率極限，造成電機或設(shè)備的損壞。但是根據(jù)本發(fā)明，在負載或阻力增大時，負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在允許的波動范圍內(nèi)將電機的轉(zhuǎn)速下降，由此，即便電機轉(zhuǎn)矩增加，也不會導(dǎo)致電機功率超出允許的功率極限，由此避免了電機或設(shè)備的損壞
[0009]優(yōu)選的是，所述預(yù)先設(shè)定值為固定值，由此，所述預(yù)先設(shè)定值可以通過輸入單元輸入或者事先在系統(tǒng)中固化。另外，所述預(yù)先設(shè)定值可以與電機轉(zhuǎn)速成反比，且與電機的平均功率和最大允許功率成反比。
[0010]優(yōu)選的是，所述輸入單元還輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K，所述計算單元根據(jù)所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)K可以根據(jù)具體的應(yīng)用情況予以人工設(shè)置，由此，可以根據(jù)不同的實際情況人工干預(yù)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
[0011]優(yōu)選的是,所述計算單元還包括波動范圍計算單元,該波動范圍計算單元計算電機速度的波動范圍，以在波動范圍內(nèi)改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
[0012]通過設(shè)定該波動范圍計算單元，可以防止將轉(zhuǎn)速設(shè)定值變化過大，由此造成電機轉(zhuǎn)速波動劇烈。優(yōu)選的是，該波動范圍小于所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值的50%。
[0013]所述輸入單元還輸入轉(zhuǎn)矩限定值，優(yōu)選的是，所述波動范圍計算單元包括:第一平均值計算器，該第一平均值計算器計算所述檢測單元所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值的平均值；第一功率計算單元，該第一功率計算單元計算所述轉(zhuǎn)矩限定值和所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值的乘積作為最大允許功率；速度計算單元，該速度計算單元計算所述最大允許功率除以所述轉(zhuǎn)矩平均值的結(jié)果作為電機當前最大允許速度；以及速度補償計算器，該速度補償計算器計算所述電機當前最大勻速速度與所述電機設(shè)定速度的差作為所述波動范圍。
[0014]優(yōu)選的是，所述計算單元包括加速度計算器，所述加速度計算器根據(jù)所述檢測單元檢測到的轉(zhuǎn)矩實際值計算所述轉(zhuǎn)矩變化率。
[0015]所述計算單元還包括偏差計算單元，該偏差計算單元計算電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值與對應(yīng)于當前電機轉(zhuǎn)矩實際值的電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的偏差，并且在該偏差大于零時，增大電機輸出轉(zhuǎn)矩或減小轉(zhuǎn)速設(shè)定值；而在偏差小于零時，增大或保持所述速度設(shè)定值。
[0016]所述偏差計算單元包括:第一平均值計算器，該第一平均值計算器根據(jù)檢測單元檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩平均值；第二功率計算單元，該第二功率計算單元計算上述轉(zhuǎn)矩平均值和電機設(shè)定轉(zhuǎn)速的乘積作為電機運行的平均功率；第二速度計算單元，該第二速度計算單元將所述電機運行的平均功率除以所述轉(zhuǎn)矩實際值得到所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值；以及偏差值計算器，該偏差值計算器計算所述電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值和所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的差作為所述偏差值。
[0017]所述計算單元包括設(shè)定值補償計算器，該設(shè)定值補償計算器根據(jù)所述波動范圍、所述偏差值、所述轉(zhuǎn)矩變化率與所述預(yù)先設(shè)定值的比較結(jié)果以及所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值，并且根據(jù)該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
[0018]優(yōu)選的是，所述檢測單元還包括速度傳感器，用于檢測所述電機的轉(zhuǎn)速實際值。所述系統(tǒng)還包括速度控制器，該速度控制器根據(jù)所述速度調(diào)節(jié)值和從所述檢測單元接收的轉(zhuǎn)速實際值來控制所述電機的轉(zhuǎn)速。[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于控制長軸系或彈性負載機械設(shè)備中的電機的負載轉(zhuǎn)矩的方法，該方法包括如下步驟:
[0020]輸入所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值；
[0021 ] 檢測電機的轉(zhuǎn)矩實際值；
[0022]根據(jù)所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算所述轉(zhuǎn)矩變化率；以及
[0023]在所述轉(zhuǎn)矩變化率超過預(yù)先設(shè)定值時，改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
[0024]優(yōu)選的是，所述方法還包括計算所述電機的轉(zhuǎn)速波動范圍，并且所述改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值的步驟包括在所述波動范圍內(nèi)改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
[0025]優(yōu)選的是,所述計算所述電機的轉(zhuǎn)速波動范圍的步驟包括:
[0026]計算所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值在預(yù)定周期內(nèi)的平均值；
[0027]基于所述電機的轉(zhuǎn)矩限定值和所述如的所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值計算所述電機的最大允許功率；
[0028]基于所述最大允許功率和所述轉(zhuǎn)矩平均值計算所述電機當前最大允許速度；以及
[0029]計算所述電機當前最大勻速速度與所述電機設(shè)定速度的差作為所述波動范圍。
[0030]優(yōu)選的是，所述方法還包括計算電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值與對應(yīng)于當前電機轉(zhuǎn)矩實際值的電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的偏差，并且在該偏差大于零時，增大電機輸出轉(zhuǎn)矩或減小轉(zhuǎn)速設(shè)定值；而在偏差小于零時，增大或保持所述速度設(shè)定值。
[0031]所述計算偏差的步驟包括:
[0032]根據(jù)所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩平均值；
[0033]計算上述轉(zhuǎn)矩平均值和電機設(shè)定轉(zhuǎn)速的乘積作為電機運行的平均功率；
[0034]計算所述電機運行的平均功率除以所述轉(zhuǎn)矩實際值的值作為所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值；以及
[0035]計算所述電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值和所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的差作為所述偏差值。
[0036]優(yōu)選的是，所述改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值的步驟包括:
[0037]輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；
[0038]根據(jù)所述波動范圍、所述偏差值、所述轉(zhuǎn)矩變化率與所述預(yù)先設(shè)定值的比較結(jié)果以及所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值；以及
[0039]根據(jù)該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
[0040]由此，根據(jù)本發(fā)明的方法在電機的轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化時，在允許的波動范圍內(nèi)將電機的轉(zhuǎn)速下降，由此，即便電機轉(zhuǎn)矩增加，也不會導(dǎo)致電機功率超出允許的功率極限，由此避免了電機或設(shè)備的損壞。
[0041]本發(fā)明的其他目的、特征、優(yōu)點以及工業(yè)及技術(shù)重要性將從下面參照附圖對本發(fā)明的詳細描述中更好地理解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]下面將通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點，附圖中:
[0043]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的方塊圖?！揪唧w實施方式】
[0044]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。在下面的實施例中，以鉆井為例對本發(fā)明進行描述，但是要理解的是，本發(fā)明絕不局限于這種鉆井的應(yīng)用，而是可以應(yīng)用于任何長軸系。
[0045]例如，在石油鉆井過程中，鉆頭在地下幾千米的深度，中間靠鉆桿連接，彈性很大，由于地層的原因，鉆頭可能被卡住造成堵轉(zhuǎn)，由于鉆桿的長度和彈性，所以地面上并不能馬上發(fā)現(xiàn)這個問題，頂驅(qū)電機將繼續(xù)按照設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)；這部分能量被鉆桿吸收和儲存，最終會傳遞到井底，導(dǎo)致鉆頭克服堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩開始旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)將超過頂驅(qū)速度設(shè)定值并失去控制，同時轉(zhuǎn)速波動還會從鉆頭開始向地面?zhèn)鬟f，直到變頻器檢測到轉(zhuǎn)速的增加。當鉆桿儲存的能量釋放完畢，鉆頭轉(zhuǎn)矩降低，鉆頭會再次被卡，頂驅(qū)在普通控制模式，這種旋轉(zhuǎn)波動再次被傳遞，當旋轉(zhuǎn)波動向下傳遞到達鉆頭時，這種失控的旋轉(zhuǎn)開始再次向上傳遞。這樣就會造成周期性旋轉(zhuǎn)波動，將導(dǎo)致鉆井質(zhì)量降低、鉆具扭斷等事故和鉆頭的急劇磨損。
[0046]另一方面，鉆進電機和鉆頭由幾百根9.8米長的鉆桿依靠正螺紋連接在一起，鉆井過程中遇到卡鉆事故時，可能因為泥漿或地底巖石的變化而突然解卡，由于鉆桿儲存的大量能量造成鉆頭高速正轉(zhuǎn)，超出頂驅(qū)速度設(shè)定值，這時電機編碼器并不能反映鉆頭的速度，電機按照設(shè)定速度正常旋轉(zhuǎn)，其結(jié)果就是電機轉(zhuǎn)速低于鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，相當于上部鉆桿在反轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致鉆具松扣掉落井底的事故。
[0047]鉆井過程中，經(jīng)常遇到因為地層不穩(wěn)定造成的轉(zhuǎn)矩劇烈波動，石油鉆機采用普通控制方式，鉆進電機的速度是恒定的，但是轉(zhuǎn)矩輸出在振蕩，這將造成鉆頭的磨損和鉆具在井眼內(nèi)的橫向甩動和旋轉(zhuǎn)波動，劇烈時將造成鉆具扭斷。
[0048]因此，需要對鉆井電機進行控制，以避免在負載或阻力突然變化時，由于電機的速度是恒定的，而造成扭矩突然增大或者減小，進而導(dǎo)致設(shè)備損壞。
[0049]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，該負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)100對電機進行控制。
[0050]如圖1所示，該控制系統(tǒng)100包括輸入單元110，該輸入單元100用于輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset、轉(zhuǎn)矩限定值Mlim和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K，其中，該轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset即為電機的期望工作轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩限定值Mlim是電機所承受的最大轉(zhuǎn)矩的極限值。該輸入單元100可以例如包括按鍵、編碼撥盤、數(shù)位開關(guān)、觸摸屏等任何可以輸入?yún)?shù)的裝置。
[0051]該控制系統(tǒng)100還包括檢測單元120，該檢測單元120可以例如包括轉(zhuǎn)矩傳感器121和速度傳感器122，以實時監(jiān)測電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
[0052]控制系統(tǒng)100還包括計算單元130，該計算單元130例如包括第一功率計算單元131、平均值計算器132、第一速度計算單元133第二功率計算單元134、第二速度計算單元135、加速度計算器136和偏差值計算器137。該計算單元130從檢測單元120接收所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值Mact和速度實際值Vact，并且從輸入單元110接收輸入的轉(zhuǎn)矩限定值Mlim和轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset。為了減小噪聲等的干擾，該計算單元130還可以包括濾波器138等。
[0053]計算單元130還包括速度補償計算器139，該補償計算器139根據(jù)計算單元130所計算的扭矩變化率是否超過預(yù)定值而確定是否對速度進行補償，并根據(jù)輸入單元輸入的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K計算速度補償值，并且將該速度補償值輸出給速度控制器。
[0054]所述控制系統(tǒng)100還包括速度控制器140，該速度控制器140根據(jù)所述計算單元的計算結(jié)果來控制所述電機的轉(zhuǎn)速。
[0055]下面，描述根據(jù)本發(fā)明的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及其方法流程。
[0056]首先，利用輸入單元110輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset、轉(zhuǎn)矩限定值Mlim、和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K0
[0057]檢測單元120在一定時間周期內(nèi)每個固定的時間間隔采集電機轉(zhuǎn)矩的實際值Mact，將該電機轉(zhuǎn)矩的實際值Mact輸出到計算單元130，計算單元130利用平均值計算器132電機轉(zhuǎn)矩的平均值Ma，該電機轉(zhuǎn)矩的平均值Ma例如通過將多個電機轉(zhuǎn)矩實際值Mact相加得出總和，然后除以采集的次數(shù)，最終得出平均值Ma。
[0058]平均值計算器130所計算得出的電機轉(zhuǎn)矩的平均值Ma輸出到第二功率計算單元134，該第二功率計算單元134利用該電機轉(zhuǎn)矩的平均值Ma與從輸入單元110接收到的輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset，計算電機運行的平均功率Pa，該平均功率Pa反映了在采樣階段電機的平均功率。
[0059]第二功率計算單元134所獲得的電機運行的平均功率Pa被輸出到第二速度計算單元135，該第二速度計算單元135根據(jù)該平均功率Pa與從檢測單元120接收到的轉(zhuǎn)矩實際值Mact得到實施的速度設(shè)定值Vas,該速度設(shè)定值Vas為對應(yīng)于平均功率Pa和轉(zhuǎn)矩實際值Mact的理想速度值。
[0060]該第二速度計算單元135得到的當前速度設(shè)定值Vas輸出到偏差值計算器137，并且該偏差值計算器137利用從輸入單元110接收的轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset和該當前速度設(shè)定值Vas，計算速度偏差值，該速度偏差值用于速度補償計算。如果偏差值大于零，則說明當前負載增加，需要增大電機輸出轉(zhuǎn)矩或者降低速度設(shè)定值；而如果偏差值小于零，說明負載減小，可以增大或者保持速度設(shè)定值。因此，第一平均值計算器132、第二功率計算單元134、第二速度計算單兀135和偏差值計算器137構(gòu)成偏差值計算單兀。
[0061]另一方面，計算單元130的第一功率計算單元131利用從輸入單元110接收的轉(zhuǎn)矩限定值Mlim和轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset,計算電機運行的最大允許功率Pmax,作為控制電機運行的極限值。
[0062]從第一功率計算單元131得到的最大允許功率Pmax被輸出到第一速度計算單元133，并且來自于第一平均值計算器132的電機轉(zhuǎn)矩平均值Ma也輸出到第一速度計算單元133,該第一速度計算單元133通過將這個最大允許功率Pmax除以該電機轉(zhuǎn)矩平均值Ma,計算電機當前允許的速度Vavl，該速度是電機當前的最大允許速度，速度調(diào)節(jié)范圍不允許超過這個當前允許速度Vavl,并且該電機的允許速度Vavl被輸出到速度補償計算單元140。
[0063]另外，在計算單元130中，還包括加速度計算器136，該加速度計算器136根據(jù)檢測單元120所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值Mact，計算轉(zhuǎn)矩變化率dM/dt，并且輸出至速度補償計算單元140。
[0064]轉(zhuǎn)速補償計算單元139從計算單元130的第一速度計算單元133和加速度計算器136分別接收電機的允許速度Vavl和轉(zhuǎn)矩的變化率dM/dt，并且從輸入單元110接收轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset，計算電機的允許速度Vavl和轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset的差，并將這個差值用作電機速度波動范圍△ V，這個波動范圍即為電機轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)的范圍。為了避免電機轉(zhuǎn)速被調(diào)節(jié)得過低，通常將這個波動范圍Λ V限制為小于轉(zhuǎn)速設(shè)定值Vset的50%。因此，第一平均值計算器132、功率計算單元131、第一速度計算單元133和轉(zhuǎn)速補償計算單元139的一部分構(gòu)成波動范圍計算單元。
[0065]同時，轉(zhuǎn)速補償計算單元139將轉(zhuǎn)矩變化率dM/dt與預(yù)先設(shè)定值相比較，如果該轉(zhuǎn)矩變化率dM/dt大于該預(yù)先設(shè)定值，則系統(tǒng)判定當前負載劇烈波動，由此補償計算單元根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K在速度波動范圍AV內(nèi)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值，并將該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值輸出給速度控制器300。該速度控制器140根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值以及從檢測單元的速度傳感器122接收到的轉(zhuǎn)速實際值Sact來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。上述的預(yù)先設(shè)定值為一個預(yù)先輸入系統(tǒng)的值，其可以通過輸入單元110輸入或者可以事先固化在系統(tǒng)中。該設(shè)定值與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速成反t匕，同時與電機運行的平均功率Pa和允許功率Pmax的百分比成反比。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K允許人工根據(jù)不同的工況優(yōu)化轉(zhuǎn)速波動范圍Λ V。
[0066]轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K是根據(jù)設(shè)備的構(gòu)成以及應(yīng)用情況而確定的值，例如，在鉆井的應(yīng)用中，可以根據(jù)鉆井深度、地質(zhì)情況、或鉆具材質(zhì)調(diào)整:鉆井深度越深，一般允許的調(diào)節(jié)范圍要越大，因為鉆進電機端到負載端的速度傳遞時間會越長；地質(zhì)情況復(fù)雜，負載波動頻繁、劇烈時，一般允許的調(diào)節(jié)范圍要越大。當驅(qū)動的軸系或鉆桿剛性越小，速度調(diào)節(jié)系數(shù)越大，反之越小。
[0067]由此，在電機的轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化時，例如在負載或阻力增大時，在現(xiàn)有技術(shù)中，由于速度保持恒定，則電機的轉(zhuǎn)矩輸出急劇增加，超出電機所允許的功率極限，造成電機或設(shè)備的損壞。但是根據(jù)本發(fā)明，在負載或阻力增大時，負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在允許的波動范圍內(nèi)將電機的轉(zhuǎn)速下降，由此，即便電機轉(zhuǎn)矩增加，也不會導(dǎo)致電機功率超出允許的功率極限，由此避免了電機或設(shè)備的損壞。
[0068]作為一個優(yōu)選的實施方式，根據(jù)本發(fā)明的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以借助于例如西門子公司制造的SINAMICS驅(qū)動控制器實現(xiàn)，或者可以借助于任何具有編程功能的微處理器或控制器實現(xiàn)。
[0069]根據(jù)本發(fā)明，僅在轉(zhuǎn)矩變化率超過一定值時才對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，由此，避免了電機的轉(zhuǎn)速波動頻繁。
[0070]根據(jù)本發(fā)明，將電機轉(zhuǎn)速的波動范圍設(shè)定為小于50%的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，由此避免電機轉(zhuǎn)速波動過大。
[0071]根據(jù)本發(fā)明，設(shè)定了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)可以由操作人員輸入，由此可以根據(jù)不同的實際情況人工干預(yù)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
[0072]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，該負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)包括: 輸入單元，通過該輸入單元輸入電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值； 檢測單元，該檢測單元包括檢測電機的轉(zhuǎn)矩實際值的轉(zhuǎn)矩傳感器；以及計算單元，該計算單元根據(jù)檢測單元檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩變化率，將所述計算單元所計算的轉(zhuǎn)矩變化率與預(yù)先設(shè)定值相比較，并且在所述轉(zhuǎn)矩變化率大于所述預(yù)先設(shè)定值時，改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并根據(jù)改變后的轉(zhuǎn)速設(shè)定值改變電機的轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)先設(shè)定值為固定值，所述預(yù)先設(shè)定值通過輸入單元輸入或者事先在系統(tǒng)中固化。
3.如權(quán)利要求1所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)先設(shè)定值與電機轉(zhuǎn)速成反比，且與電機的平均功率和最大允許功率成反比。
4.如權(quán)利要求1所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入單元還輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K，所述計算單元根據(jù)所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)K改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計算單元包括波動范圍計算單元，該波動范圍計算單元計算電機速度的波動范圍，以在波動范圍內(nèi)改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值，所述波動范圍小于所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值的50%。
6.如權(quán)利要求5所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入單元還輸入轉(zhuǎn)矩限定值，該轉(zhuǎn)矩限定值為電機所允許的最大轉(zhuǎn)矩。
7.如權(quán)利要求6所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述波動范圍計算單元包括: 第一平均值計算器，該第一平均值計算器計算所述檢測單元所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值的平均值； 第一功率計算單元，該第一功率計算單元計算所述轉(zhuǎn)矩限定值和所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值的乘積作為最大允許功率； 速度計算單元，該速度計算單元計算所述最大允許功率除以所述轉(zhuǎn)矩平均值的結(jié)果作為電機當前最大允許速度；以及 速度補償計算器，該速度補償計算器計算所述電機當前最大勻速速度與所述電機設(shè)定速度的差作為所述波動范圍。
8.如權(quán)利要求7所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計算單元包括加速度計算器，所述加速度計算器根據(jù)所述檢測單元檢測到的轉(zhuǎn)矩實際值計算所述轉(zhuǎn)矩變化率。
9.如權(quán)利要求8所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計算單元還包括偏差計算單元，該偏差計算單元計算電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值與對應(yīng)于當前電機轉(zhuǎn)矩實際值的電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的偏差，并且在該偏差大于零時，增大電機輸出轉(zhuǎn)矩或減小轉(zhuǎn)速設(shè)定值；而在偏差小于零時，增大或保持所述速度設(shè)定值。
10.如權(quán)利要求9所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏差計算單元包括: 第一平均值計算器，該第一平均值計算器根據(jù)檢測單元檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩平均值； 第二功率計算單元，該第二功率計算單元計算上述轉(zhuǎn)矩平均值和電機設(shè)定轉(zhuǎn)速的乘積作為電機運行的平均功率； 第二速度計算單元，該第二速度計算單元將所述電機運行的平均功率除以所述轉(zhuǎn)矩實際值得到所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值；以及偏差值計算器，該偏差值計算器計算所述電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值和所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的差作為所述偏差值。
11.如權(quán)利要求10所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計算單元還包括設(shè)定值補償計算器，該設(shè)定值補償計算器根據(jù)所述波動范圍、所述偏差值、所述轉(zhuǎn)矩變化率與所述預(yù)先設(shè)定值的比較結(jié)果以及所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值，并且根據(jù)該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
12.如權(quán)利要求11所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測單元還包括速度傳感器，用于檢測所述電機的轉(zhuǎn)速實際值。
13.如權(quán)利要求12所述的負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括速度控制器，該速度控制器根據(jù)所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值和從所述檢測單元接收的轉(zhuǎn)速實際值來改變所述電機的轉(zhuǎn)速。
14.一種用于電機的負載轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法包括如下步驟: 輸入所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值； 檢測電機的轉(zhuǎn)矩實際值； 根據(jù)所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算所述轉(zhuǎn)矩變化率；以及 在所述轉(zhuǎn)矩變化率超過預(yù)先設(shè)定值時，改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
15.如權(quán)利要求14所述的負載轉(zhuǎn)矩控制方法，其中，所述方法還包括計算所述電機的轉(zhuǎn)速波動范圍，并且所述改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值的步驟包括在所述波動范圍內(nèi)改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
16.如權(quán)利要求15所述的負載轉(zhuǎn)矩控制方法，其中，所述計算所述電機的轉(zhuǎn)速波動范圍的步驟包括: 計算所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值在預(yù)定周期內(nèi)的平均值； 基于所述電機的轉(zhuǎn)矩限定值和所述如的所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值計算所述電機的最大允許功率； 基于所述最大允許功率和所述轉(zhuǎn)矩平均值計算所述電機當前最大允許速度；以及 計算所述電機當前最大勻速速度與所述電機設(shè)定速度的差作為所述波動范圍。
17.如權(quán)利要求14至16中任一項所述的負載轉(zhuǎn)矩控制方法，其中，所述方法還包括計算電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值與對應(yīng)于當前電機轉(zhuǎn)矩實際值的電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的偏差，并且在該偏差大于零時，增大電機輸出轉(zhuǎn)矩或減小所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值；而在偏差小于零時，增大或保持所述速度設(shè)定值。
18.如權(quán)利要求17所述的負載轉(zhuǎn)矩控制方法，其中，所述計算偏差的步驟包括: 根據(jù)所檢測的轉(zhuǎn)矩實際值計算轉(zhuǎn)矩平均值； 計算上述轉(zhuǎn)矩平均值和電機設(shè)定轉(zhuǎn)速的乘積作為電機運行的平均功率； 計算所述電機運行的平均功率除以所述轉(zhuǎn)矩實際值的值作為所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值；以及 計算所述電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值和所述電機實時轉(zhuǎn)速設(shè)定值的差作為所述偏差值。
19.如權(quán)利要求18所述的負載轉(zhuǎn)矩控制方法，其中，所述改變所述電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定值的步驟包括: 輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)； 根據(jù)所述波動范圍、所述偏差值、所述轉(zhuǎn)矩變化率與所述預(yù)先設(shè)定值的比較結(jié)果以及所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值；以及根據(jù)該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)值改變所述轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
【文檔編號】H02P29/00GK103840736SQ201210365891
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月28日
【發(fā)明者】呂春野, 劉立偉 申請人:西門子工廠自動化工程有限公司