9-钻井平台交流变频系统(新员工)

培训手册第1页共32页钻井平台交流变频系统1培训对象：入厂新员工；2培训内容：钻井平台交流变频系统3.教学目标熟悉西门子6SE70变频器的参数系统、硬件系统组成。掌握其pmu操作方法，系统复位方法；掌握根据CUVC板所报故障代码去查资料，找到故障原因。4.掌握内容：4.1.交流变频系统分类：V/F变频、矢量变频、恒转矩控制变频。4.2.熟悉西门子6SE70变频器的参数系统、硬件系统组成。包括P60参数的参数值的意义。4.3.IGBT的基础知识。包括工作原理，主要参数。4.4.掌握西门子DRIVEMONITOR或SIMOVIS软件的操作方法，系统参数的下载和上传方法。4.5.掌握西门子6SE70变频器故障代码及应对措施。4.6.了解矢量变频工作基本原理。4.7.了解交流变频电驱动系统的维护和保养。5.掌握重点及考核内容：1)掌握西门子DRIVEMONITOR或SIMOVIS软件的操作方法，系统参数的下载和上传方法。2)PMU操作方法。3)PMU系统复位方法。培训手册第2页共32页6.训课时：理论培训：7小时实操训练：7小时7．实操训练1)保养顶驱主电机。2)6SE70变频器设定文件上传和下载。8．案例8.1.某平台曾发生小变频器F011故障报警。8.2.某平台曾发生主变频器报F023故障。8.3.某平台曾发生顶驱旋转编码器坏的故障。9．考核：1)笔试：2)实操考试：按实操训练科目考核一掌握内容：1.1概述随着科技的发展异步电动机矢量控制（VC）变频调速系统使异步电动机的调速获得了和直流电动机相媲美的高精度和快速响应的性能，同时异步电动机具有机械结构比直流电动机简单、坚固且转子无电刷、集电环等电气接触点的优点，随着交流调速逐渐成熟起来，其有逐步代替直流调速的趋势。交流变频驱动是通过变频器将电网供电的固定频率（50HZ或60HZ）电源转换成随意调节的可变频率电源向交流电动机供电达到调速目的。变换方式上可分为交－交变频（即直接由工频电源转换成可调频率电源）；交－直－交变频（即工频电源经过整流变成直流电源再经逆变器变换成可调频率电源）这两大类型。交流变频系统的控制对象既可以是同步电动机也可以是异步电动机，因此按控制培训手册第3页共32页对象，可以分为交流同步电动机变频驱动系统和交流异步电动机变频驱动系统两大类型。目前应用最多，最广泛的变频调速是交-直-交电压源型SPWM变频器——被称为通用变频器。其输出电压波形接近正弦波。为增强通用性制造厂家通常将多种控制方式集于调节回路（例如恒压频比控制方式+矢量控制方式等）成为多控制方式变频器,用户可根据工艺要求设置选择控制方式，既可以构成功能较简单的变频系统，也可构成高动态性能的交流调速系统。变频调速涉及内容非常广泛。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控（或可控）整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。现仅就石油钻机电驱动中典型应用之异步电动机PWM型闭环调速系统进行讨论，简要叙述其工作原理、系统基本组成以及相应的维护保养等知识。图5.1.1交流变频PMW系统框图1.2交流变频PWM型驱动系统工作原理培训手册第4页共32页一、控制对象交流电驱动钻机控制系统多以鼠笼型异步电动机为控制对象，对于进行高性能的调速控制，需要以矢量控制理论为基础。各种控制结构所依据的都是电动机的数学模型。因此需要对其数学模型的性质、结构及内在规律性加以探讨。根据电机统一理论可知：任何电机无论直流电机还是交流电机，均可等效成两绕组电机，其数学模型可由下列方程表达。磁链方程rMsSsiLiLsMrriLirL电压方程ssssSjpirUrrrrrrjpirU)(转矩方程)(*ssmmdiIpT)(*srmrmmdiILLpT矢量控制中，电磁转矩控制关键是电流矢量的控制，由转矩方程可知，转矩只与定子、转子电流空间矢量si、ri成正比。控制好这两个矢量的大小和方位，就可实现对转矩的控制，从而获得对电机转速高性能的调节。三相异步电动机转矩与转子电流的关系式为：2cosrmmdiCT其中气隙磁通m、转子电流ri、功率因数2cos均为转差率S的函数，均培训手册第5页共32页为非独立变量，难以实现控制。然而科学家发现了交流电动机矢量变换控制理论，从而解决了这个难题。将转子放在方静止的定子坐标系中观测，各变量为空间旋转的矢量；如果在以角频率ω同步旋转坐标系中观测，则所有旋转矢量的角频率则为零值，交流电机的物理量就都变成了静止矢量（即变成了直流量），借助于坐标变换，就可以用控制直流电机的原则，实现对交流电动机加以控制，对给定的物理量，在旋转坐标系中与反馈量形成闭环控制，就能取得与直流电机控制系统的同样效果，达到同样的性能。而后，再经过坐标系的逆变换，从旋转坐标系还原到静止坐标系，找出实际定子的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制。当然，这种复杂的数学推导计算过程必须借助于高效计算机才能得以实现。为此，计算机内专门编制了相应的功能包、功能模块，例如：Ⅰ旋转矢量从三相定子坐标系转换到二相正交坐标系（α、β轴）的3/2变换功能块；Ⅱ从正交坐标系（α、β轴）变换到三相定子坐标系的2/3变换功能块；Ⅲ矢量回转器功能块；Ⅳ矢量分析模块；Ⅴ电动机电压电流数学模型功能块等。二、转速—转矩特性控制石油钻机负载变化非常大，而调速范围很宽，又不希望加机械换档。为满足钻井工艺的需要，对电驱动系统提出了特殊的转速－转矩特性。当启动、低速或堵转情况下，系统应能提供出最大的转矩。由于不加机械换档，必然要求系统在较宽的范围内有恒定功率的输出，而在高速段要求硬特性以满足较高生产率。为此，在交流变频PWM驱动系统中，整个调速范围分成两个区段：在基速（对应50HZ或60HZ）以下，采取恒转矩调速方式；而在基速以上采取近似恒功率的调速方式（类似于直流传动的弱磁调速）。1、恒转矩区域为实现基速以下恒转矩调速控制，系统中采取矢量控制保持磁通恒定的控制原则（即保持V1/f1为常数，当有功电流不变，磁通Φm恒定），则电动机输出恒定转矩。2、恒功率区域在基速以上，利用频率/电压鉴定环节的饱和特性，使系统保持电源电压恒定，培训手册第6页共32页根据异步电动机电动势方程mKWfE11144.4可知，当电压不变，随1f的上升，磁通m则下降，系统以近似于恒功率调速的控制方式运行。三、闭环控制系统石油钻机的绞车等对电驱动系统都有较高的动静态特性之要求，应用矢量控制理论，完全可以将类似于直流传动闭环控制的方法用于交流传动系统中。1、速度闭环控制变频调速顾名思义，就是用改变供电电源的频率来实现交流电机的调速，而变频装置的输出频率是由速度给定信号决定的；安装于电机轴上的编码器则提供速度反馈信号。由比例积分功能块组成的速度调节器SR将给定和反馈信号进行综合构成了速度闭环调节，即系统的速度外环控制。SR的输出则作为电流给定信号加到电流调节器的输入端。2、电流闭环控制从系统结构图图4.1.1看出，系统中存在两个电流调节器，一个是综合励磁信号分量的电流调节器uI－调节器；一个是综合有功电流信号的有功电流调节器wI－调节器。它的比例积分作用确保了有功电流的稳态精度。电流环的构成同样类似于直流驱动系统中的控制方式。电流给定信号来自速度调节器的输出，电流反馈信号则是定子电流实际计算值。调节器将二者差值综合运算后，再经过坐标变换输出给PWM触发装置，改变PWM的输出，形成电流闭环控制。3、并联校正环节系统中引入了具有矢量变换的电机模型功能块，用于观测当前系统运行状态，经过计算发出频率和有关电流校正信号形成并联校正环节，大大改善了系统的动态品质，提高了系统稳定性和响应过程。1.3交流变频PWM型闭环调节系统的基本组成变频调速系统的控制对象是交流电动机。就石油钻机电驱动而言，首选应是培训手册第7页共32页鼠笼型异步发电机。因为它具有结构简单、坚固耐用、效率高、响应快、容量大、转速高等突出特点。全数字变频系统的基本组成，包含硬件配置和软件配置两大部分。一、系统硬件配置变频控制系统硬件配置结构框图示于图5-3-1图5.3.1变频PWM调速结构框图1、主回路培训手册第8页共32页图5.3.2交流变频主回路结构框图变频器主回路如图5-3-2所示，由可控整流桥、直流链接电路和变频逆变电路三部分组成。可控整流桥将3相固定50Hz的交流电源，整流后向直流母线提供可控直流电压。直流链接电路是由电容储能元件构成。逆变桥多采用高性能可关断器件IGBT构成。向异步电动机提供3相变频电源。IGBT模块工作原理变频器主回路开关元件采用IGBT，IGBT的中文名称是绝缘栅双极型晶体管。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，较SCR、GTR等开关元件高了一个数量级，载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近于正弦波，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几伏的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足培训手册第9页共32页开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT的工作特性包括静态和动态两类：1）、静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性三部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh式中Uj1——JI结的正向电压；Udr——扩展电阻Rdr上的压降；培训手册第10页共32页Roh——沟道电阻。通态电流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos——流过MOSFET的电流。由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。IGBT