钻机电气控制系统的基础知识资料PPT课件下载推荐.ppt

1、3）可正反转，有扭矩限制功能。,要有转矩限制功能按恒转矩原则变矩变速调速范围:R5,泥浆泵对驱动传动的要求,泥浆泵是石油钻机的3大工作机组之一，是钻井液循环系统中的关键设备。钻井时泥浆泵在高压下向井底输送高粘度、高密度和较高含沙量的液体，以便冷却钻头，携带出岩屑，并可辅助钻头钻进，作为井底动力钻具的动力液。因此，泥浆泵在钻进过程中起着至关重要的作用。泥浆泵的作用是将泥浆通过中空的钻杆从钻头顶尖注入井中，然后由钻杆和井壁间的间隙返回地面经过处理后重新使用。泥浆泵需要一定的泵压和冲数，泵压越高所需力矩越大，冲数正比与转速。正常工作时，在不会造成井壁冲蚀的前提下，为了提高钻进速度，要充分利用所配泵的

2、功率。在理想情况下，泵的排量与泵压的关系曲线为一双曲线。在实际操作中，为使泵不至于超载，通常采用换缸套的办法。该办法对泵的功率利用率较低。在处理井喷事故时，有时要求微调泵的排量。,泥浆泵对驱动传动的要求是：1）动力机要有足够的过载能力；2）动力机具有一定的柔特性。P为排量，单位升/秒；Q为泵压，单位公斤力/厘米,按恒功率原则变矩变速调速范围:R3,电气传动系统控制对象,总结：电气传动系统一般是以电动机的转矩、转速及位置为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制、位置控制及伺服传动的自动化系统。,钻机调速系统的组成,石油钻机的电控系统以调速系统为核心，以PLC控制、总线通讯、等现代成熟技术

3、为纽带，使钻机的主要功能实现了数字控制，并为钻井工程创建起数字化、智能化、信息化平台。调速系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。,钻机调速系统的分类,石油钻机用调速系统按照控制电机种类不同将调速系统分为直流控制系统和交流控制系统两大类。1、直流调速系统即ACSCRDC可控硅调速控制系统在20世纪80年代有长足发展。它是发展最早，发展时间最长的电力拖动控制系统，其特点是针对控制模型简单的直流电机进行控制。ACSCRDC可控硅调速控制系统又简称SCR（Silicon Controlled Rectifier即：晶闸管整流器）系统，它经历了模拟系统，半模拟半数字系统，到现在的数字控制和计算

4、机在线监测系统几个发展阶段。石油钻机上传动系统采用一对一驱动方案，即：每台电动机均由单独的传动柜供电，为了实现转盘、绞车电机的正、反向运行，转盘/绞车直流调速系统通过切换柜切换电机励磁回路实现电机的正、反向运行。2、交流变频调速系统 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术、自动控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关，并随着以上这些基础技术的发展而得到不断完善。控制柜可以是单柜方式，也可以是多传动系统和共用直流母线方式。在钻机中首先利用变频技术的特性，使绞车系统在零转速时实现最大转矩输出，保证钻机提升系统的悬持功能，彻底改变

5、了传统的司钻操作方式；再者利用变频技术和全数字控制技术实现了钻机自动送钻，送钻时由变频调速系统按照设定恒力矩反拖滚筒，速度自动跟随，达到恒压稳速送钻目的，送钻钻压误差小于500kg；以及利用钻具下放使绞车电机工作在发电状态，形成制动力矩，钻具下放能量通过逆变系统、制动单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳下放。,交流调速系统相比直流调速系统优势：,直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大，而交流电机结构简单、坚固耐用、体积小、运行可靠、造价低、易于维护。钻机现场使用交流主电机能够节省相当多的初期投资与维护费用。笼式异步电机无换相器，不产生电火花，特别适合于随时充满爆炸性气体

6、的油气田使用，防爆费用能够大大降低。变频器网侧功率因数较高，输出电流接近正弦波，谐波较小，变频器异步电机系统的综合功率因数远高于直流系统，而且受调速深度以及负载大小的影响较小。所以该系统具有较高的运行经济性。采用适当的措施可以继续提高功率因数，降低谐波。交流电机惯量小，当今的全数字矢量控制PWM变频调速系统可以获得优异的动态特性，其静、动态性能已超过了直流可逆系统。直流钻机采用不可逆调速方案，绞车正反转要通过接触器切换，制动时又需要操作电磁刹车。而在交流调速系统中，通过外接制动单元进行能耗制动，制动功能非常可靠，而且是自动投入工作：钻具下放使绞车电机工作在发电状态，钻具下放能量经逆变系统、制动

7、单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳下放。电机可以四象限运行，绞车正、反转由转速的正负给定平滑实现，无需接触器切换；同时原先在直流系统中广泛使用的电磁刹车无需再配备。直流调速系统在轻载时电流就会出现断续状态，引起的转矩脉动现象，从而导致控制性能恶化；而交流系统在零转速时也能实现额定转矩输出，保证钻机绞车系统提升系统的悬持功能，彻底改变了传统的司钻操作方式。此外，交流调速系统良好的低速性能使自动送钻得以实现，改传统的被动送钻方式为主动送钻方式，大大降低司钻的劳动强度。,电气控制系统的基础知识-整流定义,整流:就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交

8、变的电流变换为直流电。,ACDC,直流电驱动钻机的主电路部分，交流变频钻机主电路整流部分，还有钻机电控部分许多直流电源都是通过可控整流而得到的。,电气控制系统的基础知识-整流分类,按组成的器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种：1、不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。2、半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。3、全部由可控元件组成的为全控电路。在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO、IGBT等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件

9、的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。,功率半导体器件,电力电子装置的输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。,功率半导体器件的发展,功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”

10、。从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成整流二极管（Rectifier Diode）、快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）和肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）等3种主要类型。晶闸管（Thyristor,or Silicon Controlled RectifierSCR）可以算作是第一代电力

11、电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。20世纪70年代出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO），大功率双极型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT,or Giant TransistorGTR），功率场效应管（

12、Power l Oxide Semiconductor Field Effect TransistorPower MOSFET）等。20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT,or IGT）为代表的第三代复合导电机构的场控半导体器件。20世纪80年代后期，功率半导体器件的发展趋势为模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓朴结构，将多个相同的功率半导体器件或不同的功率半导体器件封装在一个模块中，这样可缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。值得指出的是新的一代器件的出现并不意味着老的器件被淘汰，世界上SCR产量仍占全部功率

13、半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的元件。,功率半导体器件的分类,功率半导体器件可按可控性、驱动信号类型来进行分类。1按可控性分类根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将功率半导体器件分为不控型器件、半控型器件、全控型器件等3种。（1）不控型器件不能用控制信号来控制开通、关断的功率半导体器件。（2）半控型器件能利用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的功率半导体器件称为半控型器件。（3）全控型器件能利用控制信号控制其导通，也能控制其关断的功率半导体器件称为全控型器件，通常也称为自关断器件。2按驱动信号类型分类（1）电流驱动型通过在控制端注入或抽出电流来实现开通

14、或关断的器件称为电流驱动型功率半导体器件。GTO、GTR为电流驱动型功率半导体器件。（2）电压驱动型通过在控制端和另一公共得端加入一定的电压信号来实现开通或关断的器件称为电压驱动型功率半导体器件。P-MOSFET、IGBT为电压驱动型功率半导体器件。,不可控整流：二极管,电气控制系统的基础知识-整流按照所用元器件分类,可控整流：可控硅、IGBT MOSFET等晶闸管俗称可控硅，是一种功率半导体器件。晶闸管的原文是“Silicon Controlled Rectifier”（硅可控整流），缩写字母“SCR”。,它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。整流二极管具有明显的单向导电性。,MOSFET

15、功率场效应晶体管,MOSFET的原意是：MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的

16、驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,功率器件GTO、IGCT：集成门极换流晶闸管,采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT使

17、变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCT产品。,电气控制系统的基础知识-可控硅整流,可控硅是可控硅整流元件的

18、简称,是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成。可控硅具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域。可控整流是指在交流电压不变的情况下，可以控制直流输出电压的大小。,可控硅整流桥,大功率二极管外部构成,从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式（图b），200A以上则采用平板式（图c）。,a）符号 b）螺旋式 c）平板式,大功率二极管的特性,1大功率

19、二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图所示。第象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。a）实际特性 b）理想特性 大功率二极管的伏安特性,大功率二极管的特性,2大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。（1）大功率二极管的开通过程大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图4为大功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的大功率二

20、极管上承受的峰值电压UDM比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。图4 大功率二极管的开通过程 图5 大功率二极管的关断过程（2）大功率二极管的关断过程图1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。,大功率二极管的主要参数,1、额定正向平均电流（额定电流）I F指在规定40的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额

21、定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57I F。2、反向重复峰值电压（额定电压）RRM在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80称为反向重复峰值电压U RRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。3、反向漏电流IRR对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流IRR。4、正向平均电压U F在规定的40环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值

22、，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与U F有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。5、大功率二极管的型号普通型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下ZP电流等级电压等级/100通态平均电压组别如型号为ZP5016的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。,普通二极管的检测,将数字万用表拨到二极管档，用万用表测量：将红、黑表笔分别接在二极管的两端，读取读数，再将表笔对调测量。根据两次测量结果判断，通常小功率锗二极管的正向电阻值为300500，硅二极管约为1k或更大些。锗管反相电阻为几十千欧，硅

23、管反向电阻在500k以上（大功率二极管的数值要小的多）。好的二极管正向电阻较低，反向电阻较大，正反向电阻差值越大越好。如果测得正、反向电阻很小均接近于零，说明二极管内部已短路；若正、反向电阻很大或趋于无穷大，则说明管子内部已断路。在这两种情况下二极管就需报废。在路测试:测试二极管PN结正反向电阻，比较容易判断出二极管是击穿短路还是断路。,晶闸管（SCR）的结构,晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等优点，它是大功率开关型半导体器件，广泛应用在电力、电子线路中。晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图所示。,a）螺栓型 b）平板

24、型 c）符号,管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极：阳极，阴极和门极（或称控制极），其电路图中符号表示如图c）所示。散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。按照晶闸管管芯与散热器间的安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型（图a）依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。,晶闸管（SCR）的散热器,晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分。,a）自冷 b）风冷 c）水冷,晶闸管（SCR）管芯结构原理图,晶闸管管芯的内部结构如图1-3所示，是一个四层（P1N1P2N2）三

25、端（A、K、G）的功率半导体器件。它是在N型的硅基片（N1）的两边扩散型半导体杂质层（P1、P2），形成了两个PN结J1、J2。再在P2层内扩散型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K及门极G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于有三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。,晶闸管（SCR）的工作原理,通过理论分析和实验验证表明：1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一

26、个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常称之为触发脉冲。3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。晶闸管是一个具有P1N1P2N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个PN结的

27、功能可以看作是一个PNP型三极管VT1（P1N1P2）和一个NPN型三极管VT2（N1P2N2）构成的复合作用，如图所示。,晶闸管的等效复合三极管效应,可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流Ig流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流Ig，晶闸管都不能导通。,晶闸管（SCR）的基本特性,1静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。（1

28、）阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压U ak与阳极电流I a之间的关系曲线，如图所示。,晶闸管阳极伏安特性：正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区,阳极伏安特性可以划分为两个区域：第象限为正向特性区，第象限为反向特性区。第象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。,晶闸管（SCR）的基本特性,（2）门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压U g与门极电流I g间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来

29、代表所有元件的门极伏安特性，如图阴影区域所示。,晶闸管门极伏安特性,晶闸管（SCR）的基本特性,2动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间

30、称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。,晶闸管的开关特性,（2）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝

31、反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。,晶闸管（SCR）的主要参数,要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。1电压参数（1）断态重复峰值电压U DRM 门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区，漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压U DSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90定义为断态重复峰值电压U DRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。（2）反向重复峰值电压U RRM 门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区，反向漏电流急剧增长的拐弯处所决