钻机电驱动使用手册(编辑修改稿)

钻机电驱动使用手册(编辑修改稿)内容摘要：

电路的时间常数 (τ =RC)而与放大器本身的参数无关。 图 1— 18（ a）为滞 后积 分器 电路，当输入端加一跃变信号 Vi时，输出电压的跃 变 值 为Vj=Vi(t)R1[R2/(R1+R2)Ri] (1— 9) 输出电压的最终值为 vf=ViR1/Ri (1— 10) 时间常数 τ =（ R1+R2） C 输入信号电压和输出信号电压的波形图如图 1一 18(b)所示。 图 l一 19(a)为导前积分器电路，当输入端加一跃变信号 vi时， 输出电压的跃变值为 Vj=vi R3 (R1 + R2)/R1 R2 (1— 11) 输出电压的最终值为 Vf=Vi R3／ R2 (1— 12) 时间常数 τ =(R1+R2)C 输入信号电压和输出信号电压的波形图如图 1— 19(b)所示 o 豆豆图书集 13 ． 8 微分器 基本微分器如图 l一 20所示。 输入的待微分电路加到反相输入端；将信号源与放大 器反相输入端之间的电阻换成电容 C，就得到基本微分器。 由克希荷夫电流定律可得 C [dVi(t)／dt]=V0／ R 所以图 1— 20 本微分器 V0(t)=RC [dVi(t)／ dt] (1— 13)． 即输出电压为输入电压对时间的导数。 其比例常数取决于反馈电路的时间常数 τ =RC，而与放大器本身的参数无关。 微分和积分在数学上互为反函数运算。 在运算放大器的电路构成上，组成反馈电路的一个元件是电阻。 另一个是电容。 由于电容上的电压和流过电容的电流互为微分和积分，所以将两个元件位置互换，便得到互为反函数关系的两种运算电路。 1． 3 闭环控制的调速系统 在 ZJ50D和 ZJ70D电驱动钻机电控系统中，不论柴油发 电机组的转速调节和电压调节，还是直流电动机的转速调节，都是通过闭环控制实施自动调节的。 为简明起见，现以直流电动机调速系统为例进行分析，其它自动调节系统与此相似。 串励电动机的转速与电动机的供电电压直接相关，因此，调节电动机供电电压即可改变电动机转速。 在 ZJ50D钻机和 ZJ70D中采用晶闸管一电动机调速系统。 它是通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，以改变 SCR桥输出电压，从而实现对转速的控制。 1． 3． 1 对转速控制的要求 1． 3． 1． 1 调速 即在 — 定的最高转速和最低转速的范围内平滑地 (无级 )调节 转速。 1． 3． 1． 2 稳速 以 — 定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动，以满足钻井工艺要求。 1． 3． 1． 3 加、减速 在起下钻作业中，频繁启动和制动，要求尽快加减速以提高生产率，同时也要求尽量平稳。 以上三条有时都须具备，有时只要求一项或两项，特别是调速和稳速两项经常碰到。 为了满足钻机对电动机和发电机功能上的要求，在 zJ50D(zJ70D)驱动系统中采用闭环控制方案。 1． 3． 2．闭环调速系统 豆豆图书集 14 在闭环调速系统中，速度的调节是通过反馈环节组成的闭环系统来实现的。 以直流调速系统为 例，将反映直流电动机转速的 SCR 桥输出电压的一部分 Vfb 与转速定电压 Vref 相比较后，得到偏差电压 △ V，经过放大器产生触发电路的控制 Vo，再经过触发电路变换，产生不同相位的触发脉冲，使晶闸管输出可调电压，用以控制电动机转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统，其原理框图示于图 l一 2l中。 可见，反馈闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统。 只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 其物理过程是转速稍有降落，反映转速的反馈电压必有减小，通过比较放大器，提高整流桥输出电压 Vd，使系统的转速又有所回升。 可见闭环 系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它随着负载的变化而相应地改变整流电压。 当然这种自动调节作用是依靠反馈量和给定量之差进行控制的，属于有静差的控制系统。 对于负载扰动等具有良好的抗干扰性能，对于被负反馈环包围的在前向通道上的一切扰动作用都具有抵抗能力，都能减小被调量受干扰后产生的偏压。 但对于给定作用的变化则尽快跟随，丝毫不受反馈作用的抑制。 1． 3． 3 PI 调节器 前面所述系统是采用比例放大器的闭环调速系统，它只能满足稳态精度的指标，在动态中可能不稳定。 若采用比例积分 (P1)调节器代替比例 放大器，可使系统稳定，还有足够的稳定裕度。 这是由于在 PI 调节器中，若在阶跃输入作用下，比例调节器输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐变化，但最终消除稳态偏差。 那么，既要稳态精度高，又要瞬态响应快，只要把两种控制规律结合起来就行了。 图 l一 22给出了 PI调节器输出和输入的动态过程。 在输入电压 △ V的作用下，输出电压中的比例部分 (1)和 △ V 成正比，积分部分 (2)是 △ V 的积分，输出电压 Vo 是两部分之和(1)+(2)。 可见， Vo 既具有快速响应性能又足以消除系统的静差。 故 PI 调节器在调速系统中得到广泛应用。 豆豆图书集 15 1． 3， 4 转速电流双闭环调速系统 如果对系统的动态特性要求较高，比如要求快速启动、制动，突加负载动态速降小等等，只有转速反馈的单闭环系统就难以满足要求。 这是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。 如果突加负载时，在过渡过程中始终保持电流 (转矩 )为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度启动，到达额定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。 这个理想过程示于图 l一 23 中。 这时启动电流呈方形波，而转速是线性增长的。 为了实现在允许条件下最快启动，关键是要 获得一段使电流保持最大值 Idm 的恒流过程。 采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。 生产工艺一般要求在启动过程中只有电流负反馈而得到一个近似的恒流过程，不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端。 到达稳定转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。 双闭环调速系统就能得到既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用。 实施的方法是：在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者间实行串级联接，如图 l一 24 所示。 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出 去控制触发装置。 从闭环结构上看，电流调节器在里面，叫做内环；转速调节器在外边，叫做外环。 这就形成了转速和电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静态特性和动态特性，双闭环调速系统采用两个 PI调节器，其原理图如图 l一 25所示。 在图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，还表示出两个调节器的输出都是带限幅的。 转速调节器的输出限幅电压即饱和电压，决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是 Vctm，它限制了晶闸管整流输出电压的最大值。 电路设计得在正常运行时，只有转速调节器有饱和和不饱和两种状态，而 电流调节器是不会达到饱和状态的。 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。 就是说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的关系，相当于使该调节器开环。 当调节器不饱和时， PI作用使输入偏差电压 △ V在稳态时总是 豆豆图书集 16 零。 当转速调节器不饱和时，负载电流 Id 小于最大电流 Idm，表现为转速无静差，这时转速负反馈起主要作用。 当负载电流达到 Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内外两 个闭环的效果。 1． 4 电气控制系统简介 DDF系列电驱动钻机电控系统的作用是从柴油发电机组得到 — 个三相 600V和 50Hz的稳定交流电源，并通过断路器将发电机输出集中到公共交流母线 —。 SCR整流桥将交流电源整流成 0～ 750V连续可调的直流电流，并通过指配接触器驱动各直流电动机。 DDF系列电控系统分布图如图 1— 32 所示，其系统单线图见图 002— 00。 DDF 系列的动力和控制流向如图 l一 33所示。 豆豆图书集 17 1． 4． 1 交流电动机控制中心 该控制中心的主要功能是对井场的钻台、泥浆泵房、泥浆循环罐区、油罐区、压气机房和水 罐等区域的交流电动机进行控制，并给井场提供照明电源。 若井场需要设置辅助发电机组，可在 MCC 柜配置辅助发电机投入 380V 母线的接口。 MCC 的控制柜中装有断路器、接触器、继电器、按钮、仪表、指示灯以及各种保护装置。 1． 4． 2 交流控制装置 电驱动钻机交流动力系统一般由 3 或 4 台柴油发电机组构成。 3 或 4 台机组并于 3 相600VAC 50HZ母线上，因此采用 3或 4套交流控制柜对应控制 3或 4台柴油发电机组。 交流控制装置的功能是控制多台机组，使其在负荷允许变化的范围内保证输出稳定的电压 (600VAC)和频率 (50Hz)， 并对机组进行多项保护。 在交流控制柜中主要安装有下列设备： 豆豆图书集 18 1． 4． 2． 1 断开器（ CB） 断路器（ CB）是使发电机母线与主母线通断的执行电气器件，并具有短路、过流和欠压保护功能。 1． 4． 2． 2 交流控制组件（ ACMD） 交流控制组件是控制柴油发电机组转速和电压的核心部件，同时具有负荷均衡分配和各种保护功能（过压、过频、欠频、逆功和反馈脉冲丢失）。 1． 4． 2． 3 励磁电路板（ EXCITER PC） 该板向发电机励磁机提供可控的励磁电流。 1． 4． 2． 4 功率限制盒（ POWER LIMIT） 功率限制盒的 作用是限制司钻从机组取用的功率或总电流。 以免柴油机停车和发电机断路器跳闸。 机组发生逆功和欠频时，也限制功率和电流。 同时对负荷变化速率进行限制。 1． 4． 2． 5 同步装置（ SYNC） 待上线机组和母线的电压和频率由同步装置进行控制和显示，保证并车安全。 1． 4． 2． 6 接地故障检测装置（ GROUND FAULT DETECTOR） 如果 600V交流或 SCR输出直流出现接地故障，均由接地故障检测装置进行检测和显示。 1． 4． 3 直流控制装置 (SCR) 电驱动钻机直流动力系统由 3或 4套 SCR(晶闸管 )整流柜和直流电动机 组成。 运用直流接触器进行切换，亦称“ 1 拖 2”驱动方案。 有 4 台电动机驱动 2套泥浆泵 (MP)， 2台电动机驱动绞车 (DW)，其中绞车电动机 A(DWA)可以通过机械离合器拖动转盘 RT。 有的钻机还设 豆豆图书集 19 有顶驱电动机 TD。 直流控制柜中主要安装有下列设备： 1． 4． 3． 1 断路器 (CB) 该断路器主要通断 SCR柜与主母线，并具有过流、短路、过热及应急关断等保护功能。 1． 4． 3． 2 晶闸管整流桥 (SCR) 该整流桥为 3 相全控整流电路，由 6 个大功率晶闸管 (1200V 1000A)组成，将 600VAC整流 成 0— 750VDC。 装有强 风冷散热装置，并装有过热和短路检测器件。 1． 4． 3． 3 直流控制组件 (DC MD) 直流控制组件是控制 SCR桥的核心部件，具有转速、电流 (转矩 )和绞车能耗制动控制功能，还具有功率限制、零位联锁保护和过电流保护等功能。 豆豆图书集 20 1． 4． 3． 4 直流接触器 (CONT) 在司钻控制台和 PLC的控制下，指配 SCR柜对各功能电动机 (MP、 DW、 RT或 TD)的供电和转向控制。 1． 4． 3． 5 皮带轮防滑板 (SPROCKET． SLIP) 当泥浆泵皮带轮因打滑。