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顶部驱动钻井装置教学讲义1第四章顶部驱动装置电气及控制系统第一节电气及控制系统的基础知识一、可控整流的基本知识1、可控硅原理可控硅学名叫晶闸管，英文名称是SiliconControlledRectifier，即硅可控整流，英文简写为SCR。它是一种功率半导体器件，具有控制特性好、效率高、寿命长和体积小等一系列优点，应用非常广泛。晶闸管具有可控的正向导电特性，即给晶闸管阳极对阴极加上正向电压时，它还不能导电，元件呈正向阻断状态。要使晶闸管正向导通，除了在阳极与阴极之间加上正向电压外，还必须同时在门极与阴极之间加上一定的正向门极电压，有足够的门极电流流入才能使晶闸管导通。门极使晶闸管导通的过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就失去对它的控制作用。因此通常在门极上只要加一个正向脉冲电压即可触发晶闸管导通，但使它无法关断。要使已经导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减少，到约几十毫安时，会突然降到零，表明晶闸管已经关断。在顶部驱动钻井系统的电气控制部分，包括主电路在内的直流电源都是通过可控硅整流而得到的。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。2、三相可控整流电路三相可控整流电路分为三相半波不可控整流、三相半波可控整流顶部驱动钻井装置教学讲义2和三相桥式全控整流。顶部驱动钻井系统的SCR房使用的一般都是三相桥式全控整流电路，这种整流电路共有六只晶闸管。三相桥式全控整流电路在任何时候必须保证有两个SCR元件同时导通，以构成电流回路，此电路必须用双脉冲或宽脉冲触发。二、电力电子器件介绍电力电子器件的应用开始于本世纪初汞弧整流器的发明，但真正的应用革命开始于1956年美国贝尔实验室发明晶闸管和1958年美国GE公司推出产品的时候。电力电子器件的发展可分为三个阶段：1900—1960年：汞弧整流器和闸流管、电子阀、硒整流器、机械斩波器和接触式变压器，主要工程应用是整流器、蓄电池充电器、电解供电和直流机速度控制等；1960—1980年：硅二极管、晶闸管及较小的功率晶体管，主要工程应用是DC-DC变换、交流机速度控制、感应加热和UPS等；1980—1990年：大功率双极晶体管、功率场效应管（MOSFET）、隔离门极双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO），主要工程应用是电网侧和负载侧获得正弦波、电流和电压无功补偿和有源电力滤波器；1990—现在：智能型功率器件和光触发的MOS控制晶闸管，主要工程应用是数字程序控制自调节、更多变速交流传动、电网和负载智能联结等。绝缘门极双极型晶体管（IsolatedGateBipolarTransistor）简称IGBT，也称绝缘门极晶体管。由于IGBT内具有寄生晶闸管，所以也顶部驱动钻井装置教学讲义3可称作绝缘门极晶闸管。它即具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点，因此发展很快，倍受欢迎，在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有取代功率MOSFET和GTR的趋势。三、闭环控制的调速系统1、闭环控制调速系统介绍在电驱动钻机和顶部驱动钻井装置的电控系统中，不论柴油发电机组的转速调节和电压调节，还是各种交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。用串励电动机举例，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。在一般的现场即采用晶闸管—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。2、顶部驱动钻井系统转速控制的要求⑴调速即在一定的最高转速和最低转速范围内平滑地（无级）调节转速。⑵稳速以一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。⑶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顶部驱动钻井装置教学讲义4率，同时也要求尽量平稳。3、顶驱闭环控制调速系统原理顶驱钻井电机闭环调速系统中的速度和扭矩调节都是通过反馈环节组成的闭环系统来实现的。以直流钻井电机调速系统为例，将反映直流电动机转速的SCR桥输出电压的一部分与转速给定电压相比较后，得到偏差电压，经过放大器产生触发电路的控制电压V，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，原理图如下：图4-1采用转速（电压）负反馈的闭环调速系统可见，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，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顶部驱动钻井装置教学讲义5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，都能减少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。上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（PI）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，即要稳态精度高，又要瞬态响应快，只要把两种控制规律结合起来就行了，故PI调节器在调速系统中得到广泛应用。顶部驱动钻井装置教学讲义6第二节顶驱电气及控制系统原理一、顶驱电气动力系统以安装CANRIG1050E-500直流顶驱的电动钻机为例，整个电动钻机电气控制系统的作用是从柴油发电机组得到一个三相600V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上。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。系统单线图如下：图4-2电动钻机电气控制系统分布图现在在大多数电动钻机中，交流动力系统一般由3（或4）台柴油发电机组构成，3（或4）台机组并网于3相600V50HZ（或60HZ）的交流母线，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。钻机直流动力系统由3（或4）套SCR整流柜和直流电动机组成。顶部驱动钻井装置即是由SCR房中单独一套SCR整流柜供给动力，再经过顶驱系统的整流电路调节后供给顶驱的用电系统。顶部驱动钻井装置教学讲义7二、顶部驱动钻井装置的控制系统1、司钻控制台顶部驱动钻井装置的控制系统为司钻提供了一个控制台，通过控制台实现对顶部驱动钻井装置自身的控制。控制系统部件有：司钻仪表控制台控制面板动力回流同转盘钻井一样，顶部驱动钻井装置由可控硅供电作业。控制面板用于逻辑和报警功能转换，转换控制面板上的开关直接控制各种动作。这种面板里面装有接触器、可编程控制器、辅助交流元件及记录顶驱扭矩转速的钻机仪表接口。建立程序控制器模拟必要的逻辑功能是安装可控硅装置的需要。司钻控制台和仪表由扭矩表、转速表、各种开关和指示灯组成。顶部驱动钻井装置可实行的基本控制功能是：吊环倾斜远程控制内防喷器马达控制马达旋扣扭矩控制紧扣扭矩控制转换开关钻井时的转速、扭矩和旋转方向由可控硅控制台控制。可控硅控制台装有下列情况指示灯：顶部驱动钻井装置教学讲义8马达控制远程控制内防喷器马达鼓风机2、顶部驱动钻井装置布线顶部驱动钻井装置的SCR房到顶驱钻井马达的电缆是直接接到钻台的二层台并从二层台接到顶驱上的，控制面板的各种信号被传送到顶驱SCR房进行处理，然后再被传送到顶驱的控制线路接线盒中，从而使顶驱执行各种动作。3、净化控制系统转换面板有一个净化控制系统，用于危险区域（2号区域或1级—2分区）。该面板与所有现有的可控硅系统兼容，且在安装时就已配制好。所有系统都提供正内压，以防危险气体进入2号区域或1级2分区危险区域。保护装置中的压力开关监测压力并在净化压力漏失时给出报警信号。启动没有净化的系统前，用净化控制装置按一定的时间间隔（足以除去积起来的灰尘和危险气体）对系统进行净化。司钻控制台上的状态灯告诉司钻正确的净化压力、净化压力损失和系统的净化。如果发出了净化压力损失报警，且在预定的时间间隔内对此装置无法处理，可以设定关闭装置来关闭顶驱。4、井架电气接线盒接线盒的配置有几种，取决于所定的电气系统的类型。每种配置都符合世界专门的电气标准主管机构的要求。顶部驱动钻井装置教学讲义9第三节VARCOTDS-11SA顶驱电气控制系统一、TDS-11SA交流变频顶部驱动钻井装置简介TDS-11SA交流变频顶部驱动钻井装置是美国VARCOBJ公司1996年推出的新型产品。它是由两台交流变频电机驱动，电机上没有电刷、电刷齿轮或转换开关，交流电机内没有产生电弧的装置，同时顶部驱动钻井装置本身带有液压系统，不需要单独的液压装置和液压油管汇，这些新的设计降低了顶部驱动钻井装置的维护和配件费用。二、交流顶驱和直流顶驱在性能上的比较：1、交流顶驱比直流顶驱有更高的扭矩和更宽的适应范围；2、交流顶驱无须维护电刷；3、交流顶驱比直流顶驱有更高的零转速时的最大扭矩；4、交流顶驱采用的是交流防爆电机，比直流顶驱更安全；5、交流顶驱比直流顶驱具有更小的整体尺寸；6、交流顶驱比直流顶驱有更轻的重量和更高的可靠性；7、交流顶驱比直流顶驱能更精确地控制扭矩和转速。三、TDS-11SA交流变频顶驱工作过程VARCO顶部驱动电气系统运转过程是：柴油发电机组输出一个三相600V的稳定交流电源，接入VARCO顶驱变频房，通过SCR整流桥整流和IGBT管的逆变，把发电机发出的交流电转化成连续可调的，顶驱和各种器件适用的电源。VARCO顶驱变频房的作用就是为顶驱上的电机和控制系统提供调制后的电源，处理和传输各种控制信号。系顶部驱动钻井装置教学讲义10统简图如下：图4-3VARCOTDS-11SA顶驱电气控制系统分布图四、TDS-11SA交流变频顶驱系统介绍1、电机部分：TDS-11SA顶驱使用两台400马力或350马力交流电机，它们安装在齿轮箱顶部，可以保证井中心线与导轨后缘之间的距离最短。电机采用三相575V交流电，输入频率为0到80赫兹，每一部电机需要1100立方英尺/分钟的冷却空气。电机转速从0变到1200转/分钟时都可获得最大连续扭矩，而且从1200转/分钟到2400转/分钟时，最大额定转速可获得400马力或350马力连续功率。使用两台350马力交流电机（总计700马力）和10.5：1齿轮传动比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供32500英尺·磅(约14742.6公斤力)扭矩；保持700马力输出功率，可在228转/分钟的最大钻杆转速下产生15100英尺·磅扭矩。这些电机配备有两台安装在钻井电机顶部的5顶部驱动钻井装置教学讲义11马力交流电电机。冷却系统经过制动器抽进空气，经过刚性气道将空气排送到每台钻井电机顶部的风口。这种结构简单、坚固耐用的设计保证了强制通风的可靠性。2、VARCOTDS-11SA顶驱变频房的整流和变频部分：系统简图图4-4VARCOTDS-11SA顶驱变频控制系统简图VARCOTDS-11SA顶驱变频房采用的德国西门子公司的产品，西门子变频器主要有70系列和36系列，70系列采用IGBT（绝缘栅极双极晶体管）控制，36系列采用GTO（可关断晶闸管）控制，它们的区别是IGBT每秒钟开关几千次，而GTO每秒钟只有几十次。具体型号可以见西门子手册。对于马达的屏蔽保护，配备西门子36系列变频器的设备使用GLASSTYPE（玻璃类型），采用西门子70系列变频器的设备使用VR2（VARCO2号）。因为西门子70系列变频器使用IGBT，其变换速度更快，发热量大，因此使马达负重大，所以VARCO公司推出了适合此类产品的VR2