rosshill直流组件原理.docx

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rosshill直流组件原理

第二节可控硅桥

来自母线的三相交流电经断路器向可控硅SCR馈电，每相交流电源接两只SCR，一只SCR的阴极接直流（＋）母线，另一只SCR的阳极接直流（－）母线。

三相交流电源共需6只SCR，A相接到A+和A-,B相接到B+和B-，C相接到C+和C-。

A+、B+和C+SCR向直流（＋）母线馈电，A-、B-和C-SCR则向直流（－）母线馈电。

直流母线经工况接触器接到各驱动直流电动机。

SCR的通断由门极和阴极间所加的触发脉冲控制，使得SCR输出的直流电压在0～750VDC范围内可调，其输出电流为1650A时可连续运行，最大电流可达1800A（55摄氏度环境温度，输出电压及电流最大值由交流母线电压及SCR型号决定）。

在可控硅交流侧的断路器上有一组辅助接点，上面的一组常开接点与面板‘SCRON’信号灯连接，另一开接点是指配接触器逻辑线路的一部分。

断路器有一失压脱扣线圈（UVTRIP）,线圈正端接到＋14V直流电源上，负端经几个闭接点接到－14V直流电源上，这几个闭接点在下列危急状态下断开：

1、有两个热敏元件TEMP1和TEMP2,各装在（＋）（－）直流母线上，当SCR结温超过125度时，热敏元件闭接点断开。

2、保护SCR的熔断器由两只600A的熔断器并联装配而成，由此可获得等值于交流1380A的主熔断器。

失压脱扣电路和各SCR的信号熔断器串联接线，而信号熔断器跨接在主熔断器上，如果主熔断器烧断，过电流便通过信号熔断器，造成信号熔断器熔断，这时通过熔断器上柱塞对连杆的挤压，致使微动开关闭接点断开。

3、失压脱扣电路与司钻控制台上的紧急停机按钮接点接在一起，紧急停机时，该闭接点断开。

在SCR交流侧有三个电流互感器CT1、CT2和CT3，用来检测流入SCR的电流，电流互感器信号整流后作为电流反馈信号加到直流组件上去，并在控制面板上用直流电流表显示SCR输出电流的大小（每2.66V相当于SCR输出1000A电流）。

为降低加于SCR的电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt,避免SCR被误触发甚至击穿，在SCR交流侧串接电抗器REACTOR，并在SCR两端跨接由25欧电阻和1uF电容组成的阻容吸收电路。

在SCR门极和阴极之间的脉冲变压器用来变换控制组件输出的触发脉冲，以便对SCR进行强触发。

在SCR输出端的直流母线上跨接了一些串联电阻，以1：

15的比率取出一部分电压，模拟SCR输出电压，送入直流组件为直流调节电路用。

当SCR输出750VDC时，直流组件101－102间的电压为750/15=50V,同时在其中一组电阻上取出电压降，驱动面板上的SCR电压表。

变压器T5提供46V的三相交流电供给PC1板，经PC1整流为60V直流，作为接触器电源，变压器T4给可控硅信号灯L1提供120VAC电源，当可控硅工作时，L1发光。

T4副边的星形绕组还对直流组件提供六相120V电源（Vca、Vcb、Vab、Vba、Vbc和Vac，对应直流组件103～108），这些电源信号用于SCR同步触发脉冲，并产生正负14V的直流电源。

第三节浪涌电压抑制

由于交流电路在接通和断开时会出现暂态过程，导致在可控硅输入端出现过电压，产生过电压的原因主要是与可控硅桥并联的其他负载切断时，或可控硅桥直流侧开关断开时，或断路器因故跳闸时，由于电源回路电感产生感应电势，造成过电压。

这些过电压都是瞬时尖峰电压，通常用阻容吸收电路消除它们，一般称为浪涌电压抑制电路。

下图就是一个整体式接法的RC电路，三相交流电经二极管D1～D6组成的三相整流桥整流后，给相串联的C3、C4和C5充电，若出现尖峰电压，则被C3、C4、C5、R8～R13的R15～R17等阻容网络吸收。

由于这种整流式接法使电容放电不经过可控硅，对限制dv/dt值也有好处。

由于C3、C4和C5是三个1500uF450V的大电容，它们本身还存在一些电感，这将影响对尖峰电压的吸收效果，因此在上述阻容两端再并联两个较小的电容C1和C2,依靠C1和C2对高频分量的吸收功能抵消寄生电感产生的影响。

为了限制电源刚接通时过大的充电电流，在电容充电回路中串接一个10欧225瓦的限流电阻R1,使充电电流限制在84A以内，在电源接通的30ms后,继电器K1动作，使R1短路。

电源切断时，C3、C4和C5等电容上的电荷由电阻网络经过一定时间泄放，所以在刚切断电源后的短时间内，决不可接触电路中的任何导体，以免触电。

K1:

继电器D1～D6:

二级管C1,C2:

10uF1500VC3,C4,C5:

1500uF450VR1:

10欧225WR8～R13:

100千欧2WR15～R17:

310欧750W

第四节直流控制组件框图

直流控制组中安装着控制SCR的电子电路，其中有触发器和直调节器，它们组成一个具有反馈环节的自动控制系统，能自动地按来自控制台的指令调节电动机的速度和转矩，其方框图如下所示。

由框图可看出，SCR传动系统由两个调节环组成，外环为电压（速度）环，内环为电流（转矩）环。

来自司钻控制台的速度给定（SPEEDREF）与速度反馈（SPEEDFEEDBACK）信号综合产生一速度指令，速度指令经速度调节器Z7调节后与电流反馈信号综合产生触发给定信号，再送入触发器（FIRINGCCTS）。

触发器产生触发脉冲（PULS），控制SCR导通时间，改变SCR直流输出电压，从而调节电动机的转速和转矩。

速度给定信号由司钻控制台上的变阻器手轮给定，从0到最大，变阻器可输出0到-8V的直流电压信号；绞车给定除了手轮控制外，另有脚踏指令控制器。

电流反馈信号来自SCR三相交流进线的电流互感器，由于电动机转矩直接与电枢电流成正比（M=Cm￠Ia,其中Cm为电动机结构常数，￠为电动机磁通）,而SCR的交流输入电流大小与电动机的电枢电流近似成正比，因此用SCR三相交流进线电流互感器中的电流模拟电动机转矩，作为转矩反馈信号。

速度反馈信号是电动机转速的模拟量，对于串励直流电动机，速度是电枢电压与磁通之比的函数，而磁通又是电枢电流的函数，它们的关系可由下列关系得到：

由电动机的基本原理可知，电动机的电枢反电势为：

Ea=Ce·n·￠

式中Ce为电动机结构常数，n为电动机转速，￠为电动机每极磁通，由于电动机电压V与其电枢反电势Ea近似相等，因此可得出：

N=V/（Ce·￠）

上式表明，只要将电动机两端电压与磁极磁通￠利用除法器相除，即可得到与电动机转速成正比的速度反馈信号，ROSSHILL直流组件就是按这样的思路进行设置的。

第五节SCR触发

触发电路为SCR产生触发脉冲，一个SCR单元的直流组件中共有六套相同的触发电路，一套触发电路触发一只SCR元件，如图2。

由图4可知，从变压器T4逼边产生六相同步信号Vab、Vac、Vbc、Vba、Vca和Vcb，将这六相分别输入图2的六套触发电路中，这六套电路都是锯齿波同步触发电路，具有双脉冲、强触发等环节，这种电路调节范围宽、抗干扰、抗电网波动性好。

它由同步移相与脉冲形成放大两部分组成，现以B+相触发电路为例分析其工作原理，在电容C303以前为同步移相电路，其后为脉冲形成放大电路。

一、同步移相电路

同步移相的原理是将变压器T4输入的正弦同步电压Vab变换成锯齿波电压，并将此锯齿波电压作为同步电压，再与直流触发给定电压比较，输入到Z3中，控制Z3的输出，以实现锯齿波移相的目的。

图2中的波形①为正弦电压Vab的波形。

在同步信号Vab的正半周，二极管D301截止，+10V电源通过R303、D303向电容C302充电，由于二极管D304与C302并联，所以C302上的电压就是D304上的正向管压降，为0.7V。

如图2波形③4～8ms一段。

在同步信号Vab的负半周，二极管D301导通，通过D301上的电流在R302上的压降使D303的阳极电位低于阴极电位，D303截止。

C302上原有的正向管压降很快降为零，并由-10V电源经R303和R304的并联电路向C302反向充电，使C302上的电压上负下正，如波形③中8～16ms一段，反向充电时间常数为：

T充=R303×R304×C302/（R303+R304）

当同步信号Vab由负半周变为正半周时，C302通过下列回路放电：

C302－地－+10V电源－R302－D303－C302,放电时间常数为：

T放=R302×C302

放电使C302上的负电压值逐渐减小为零，并正向充电至0.7V。

由于T放小于T充，所以C302的放电时间比充电时间短，如波形③中16～20ms一段。

C302放完电后又正向充电至D304正向管压降电压，这样便在电容C302上形成一个锯齿波电压。

将C302上的锯齿波电压通过R306输入到放大器Z3的同相端④点，该点电压波形与③点一致，只是由于R306有压降使其电位负值较③点小一些。

在Z3反相端输入触发给定信号，在Z3中将两信号相比较，当锯齿波电压小于给定信号时，Z3输出正电平，如波形⑤中的2～13ms一段，当锯齿波电压大于给定信号电压时，Z3输出负电平，如波形⑤中13～18ms一段。

可见Z3输出为一矩形脉冲。

二、脉冲形成放大电路

当⑤点电位为高电平时，13V电源使D312、D313导通，⑥点电位为以上两二极管的正向压降，约1.4V左右。

这时C303上的压降约为11V左右。

当⑤点电位位于13ms处由+12V跃至-12V时，由于C303上电压不能突变，所以⑥点电位跃变为24V左右，同时C303上电荷通过D307导通很快放电完，所以⑥点电位又很快升到原来的1.4V左右，从而形成⑥点13～15ms一段的脉冲波形。

改变给定信号电压的大小，就能改变锯齿波电压与给定电压交点，从而改变Z3输出电压，使⑤点波形的正负矩形波宽度改变，也就改变了⑥点脉冲产生的时刻，于是达到了移相的目的。

由④点波形可看出，给定信号电压的调节范围为0～-2V，给定电压与锯齿波电压相交的时间范围在8～16ms之间，即有8ms的调节范围，相应的可调角度为：

а＝360°×8×50/1000＝144°

⑦点电压信号由相邻的以Vac为同步信号电压的另一触发电路送入，其电压波形同⑥点电压波形一样，只是其幅值经过R305的压降，比⑥点电压幅值小得多。

⑥点电压再经过R309的压降后，同⑦点电压一样大。

另外，两个脉冲在相位上相差约2.8ms,这将在后续双脉冲形成中详细讨论。

⑥点和⑦点电压经过三极管Q301放大反相后得到⑧点波形，即两个正向脉冲，⑨点电压波形是将⑧点电压再经过三极管Q302放大反相后得到的，其幅值约为30V，这个脉冲再经过脉冲变压器的耦合，送到SCR的门极和阴极之间，以控制SCR的导通和截止。

三、双脉冲形成

三相SCR全控桥要求接连送出两个相隔60°的窄脉冲去触发SCR，图2中的每个触发电路，在一个周期内都可以连续送出两个相隔60°的窄脉冲，去触发一个SCR门极，仍以B+为例，其中第一个脉冲由本相触发电路产生，而第二个窄脉冲则由滞后60°的A-触发电路产生，即A-产生本相触发脉冲的同时，由D212正端经R305、D306送到B+相Q301基极，于是B+触发电路产生第二个脉冲，由于同步信号正弦电压Vac在相信上比Vab滞后60°,所以在时间上，Vac滞后Vab：

60°/（360°×50）=3.3ms（此处为后续计算方便，使用50HZ，不是图纸上的60HZ）

此处D306的作用是防止前相的负脉冲送到后相中去，产生误触发。

图2中触发顺序为：

Vab-Vac-Vbc-Vca-Vcb-Vab，触发顺序是由电源相序A-B-C决定的，如果电源相序接反，可控硅桥便不能正常工作。

第六节电流调节

图1中Z8及其相关元件组成电流调节电路（PI调节器），它的第一个输入信号是速度调节器输出的电流给定信号，这个信号来自由Z7组成的比例调节器，经R25和R39,到Z8的反相输入端。

PI调节器的第二个输入信号是电流反馈信号，来自电流变换环节，从131端输入组件，经R7和R37到Z8反相输入端。

反馈系数是2.66V/1000A。

PI调节器的第三个输入信号是功率限制信号，由115端子输入，经R36、D25和R39到Z8反相输入端。

当电网上任一发电机的输出功率超过额定值的95％时，从这条输入端输入一个正电平信号，使触发给定信号变得更负一些，触发脉冲后移，控制角增大，SCR输出的直流电压减小，从而减小输出电流。

PI调节器的输出经图3中的R770、R771和R775输入到触发电路中，作为触发电路的触发给定信号，其调节范围为-3V到+0.5V，用以控制触发脉冲的相位。

R771右端的手动开关S1用来检查触发电路以及SCR桥工作状况，当S1置于R44上时，切断-14V电源，即切断接触器线圈电路，电动机接触器断开，电动机不工作，调节变阻器R44即可检查触发电路及SCR桥工作是否正常。

当绞车电动机投入动力制动时，从Q703输出的动力制动信号经D719、R760、D730输入Q708基极，由于稳压二极管D730的作用，Q708基极信号被钳位于－5V左右，该信号使Q708导通，将一个较负的电平经D736送至触发给定线路，使触发给定电平为－3V，SCR桥不输出直流电压。

图3右下角Z706等相关元件组成零位锁定环节，该环节的作用是防止电动机在较高电压下突然起动，造成设备及人员伤害。

它保证只有在司钻控制台上速度给定手轮在零位时，所指配的接触器才能吸合工作，如果不设零位锁定环节，而速度给定手轮又给出较负的电平，相应的接触器未吸合，这时速度调节环节中（图1）的①②两点电位都在＋5V左右，③点电位为＋1V，Z7输出到TP8点电位为正值，经Z8组成的PI调节器后，将－3V电位送到触发电路中去，使得触发控制角变得很大，SCR输出几乎为零，电动机停止不动。

这时假若突然将接触器闭合，①点电位突然降至－11V，①②点间的二极管截止，②点电位突降到0～－1V，③点电位降到0V以下，Z7输出到TP8点电位为－1V～－5V间的一个较负电位，经Z8调节器后，将输出比－3V正得多的一个电位到触发电路，触发控制角突然变得很小，SCR桥输出高电压，电动机突然在高电压下起动，造成过大的起动电流和机械振动等事故。

加上零为锁定环节后，如果指配接触器未闭合时就使速度给定手轮在较大位置（较负），这时TP8得到较小的正电位，并从CB50输至Z706的反相输入端。

接触器未闭合时，①点电位为＋5V，经D42～D46或D73中的一个二极管由CB54输入零位锁定环节，使D747导通，将较高的正电位加到Z706同相输入端，因此Z706输出正电位，该正电位经D748、R791和D746影响Q708基极电位。

同时，＋5V电位还使D741截止，D739、D740导通，从而影响Q708基极电位，以上两个条件均使Q708基极电位较发射极为正，Q708导通，将触发给定电位降到－3V，使可控硅不输出直流电压。

若此时接触器突然闭合，TP8电位降到－1～－5V之间的较负值，这个电位进入到Z706的反相输入端，由于D745的箝位作用，使Z706的反相输入端电位为－0.7V。

同时①点电位因接触器吸合降至－11V左右，使D747截止，以上两个条件使Z706保持正电位。

另外，Q708基极与发射极间跨拉一个大电容C715对动态过程产生强烈的负反馈，保持Q708的导通状态，不会因为闭合接触器时引起的电位瞬时变化而变化，使Q708一直保持导通，将触发给定电位降为－3V，可控硅不输出直流电压。

若司钻正常操作，当速度给定手轮为零时，先将指配电动机的接触器接通，－11V电位使Q747截止，Z901同相输入端电位为零伏，－11V电位同时使D741导通，D739、D740截止，Q708基极电位低到发射极电位，同时这个低电位逆向通过D746、R791，将Z706输出电位降为负值，并通过Z706的正反馈电路R789和R790使其同相输入端为负值，使Z706输出端保持负电位。

虽然手轮给定的电位也能使Z706反相输入端降到－0.7V，但仍不足以改变Z706输出负电位的状态，从而使Q1保持截止，不影响触发给定的正常输出，即触发电路正常工作，电动机正常起动运行。

在零位联锁保持起作用时,Z706输出的正电位还使组件板上的指示灯LED2YPM,表示速度给定手轮不在零位。

第七节速度调节

速度调节电路由图1中的Z7及其相关电路组成，Z7为比例调节电路。

输入到Z7同相端的信号只能是转盘、泥浆泵和绞车等各信号中的一个，各信号网络基本相同，现以SCR系统驱动1号泥浆泵MP1为例进行分析，然后对其他信号电路的不同点作出补充说明。

输入到Z7同相端③的信号是由MP1给定信号、速度反馈信号和电流限制信号组合而成。

由司钻控制台输入的MP1给定信号由125端输入，信号变化范围为0～－8.2V，由泥浆泵MP1控制柜输入的给定信号从126端进来，信号变化范围同上，直流接触器逻辑控制信号由124端输入，当直流接触器未闭合时，124端置空，①点为＋11V左右，＋14V电源经R11、D2综合其他信号使②点电位为＋5V左右，D47导通，D48截止，该部分电路没有输出信号。

当直流接触器被指配吸合，124端接通－14V电源，D2截止，MP1的司钻控制台给定信号经R2与⑩点输入的速度反馈信号N（0～＋5V）综合，使②点电位在0～－1V之间变化，并通过D48输入Z7同相输入端。

R57、R802、D48和R34组成电流限幅电路，当②点负电位过大时，D47截止，R34、D48、R57‖R802形成闭合回路，将③点电位限制在－1V，此值为Z7的最大输入值，它将触发给定的幅值限制在＋0.5V，改变R57就能在一定范围内改变电流的限幅值。

当SCR系统用于驱动转盘时，其输入网络与MP1输入电路基本相同，只是钻井工艺要求对转盘的驱动转矩进行限制，所以在MP1输入电路的基础上，增加了由R31、R35、R23和C9组成的转盘转矩限制电路（即限制转盘电动机电流），由司钻控制台上的转盘转矩限制电位器所给定的限制信号经128端输入组件，经过上述转矩限制电路，与手轮给定信号、速度反馈信号综合，经D15输送至Z7同相输入端。

转矩限制信号的接入，使Z7的输入信号不能超过某个数值，从而限制SCR桥的输出电压，即限制转盘电动机的电流和转矩。

当SCR系统用于驱动绞车电动机时，输入端子是116、117和114，其中116、117输入信号与泥浆泵和转盘对应，其作用完全相同。

114输入脚踏指令控制器的0～－8.2V给定信号，开始起钻时，司钻首先略转手轮指令控制器，把绞车转速速写在锚头速度。

此时只有手轮速度给定在起作用，若需快速起钻时，司钻踏下脚踏指令控制器，将一较负的信号经R6、D55和R51输入到电压跟随器Z9（用以提高输入阻抗），然后通过R26使D10截止，将绞车手轮给定信号和R72的绞车速度反馈信号断开，速度反馈信号只能通过R84输入，③点为－1V，触发脉冲前移，SCR桥电压升高，绞车快速运行，以提高起钻效率。

当松开脚踏指令控制器时，脚踏指令为零，117端的手轮给定信号再次起作用，使绞车电动机转速回到锚头速度。

需注意的是，绞车手轮速度给定必须离开关断位置时，脚踏指令控制器才能起作用，否则用脚踏指令控制器会造成电动机从零状态突然加速到高速，造成过大的起动电流和机械振动，不利于设备及人身安全。

由R51、R52、C5和C6组成的电路形成电容器充电的延迟环节，防止司钻瞬时误压脚踏控制器时，组件使SCR桥驱动电动机立即高速起钻，造成事故，增加了延迟环节后，若发生误操作，还来得及立即改正，若正常压下脚踏控制器，起钻速度会逐渐增加，从而防止机械振动并保证安全。

第八节速度反馈

使用串励电动机时，ROSSHILL组件的的速度反馈信号是由反电势除以磁通得来的（Ea=Ce·n·￠），与反电势Ea近似成正比的电压反馈信号从101和102端输入,经过R705～R708和C703组成的滤波网络，去掉交流成分，再经Z701放大后，输出直流电压，这个电压作为被除数输入除法器Z703的③端子。

Z702以及相关的电阻和二级管组成函数发生器，131反馈回来的电流反馈信号经过该函数发生器，模拟从电流到磁通的变换，成为磁通￠，磁通￠和电流Ia的关系曲线如下图￠—Ia

（一）。

函数发生器共有四条反馈支路，当电流信号很小时，只有R725起负反馈作用，其余支路由于D703、D704、D705截止，没有反馈作用，在这种条件下，￠—Ia关系如下图￠—Ia

（二）oa段。

当电流反馈信号增加一些后，由于D703阴极电位最低（该电位由R721决定），所以D703首先导通，反馈比原来加强，￠与Ia的比值相对减小，相当于曲线ab段。

电流信号继续增大，D704导通，形成bc段曲线，当三个二极管全部导通，也就是电流接近电动机额定电流时，负反馈最强，相当于曲线的cd段。

可以看出，曲线oabcd与电机磁化曲线很相近，因此可将Z702的输出看作与电流成对应关系的磁通量，再将该磁通量经R715、R713、C706稳定滤波后，送到除法器Z703的⑥端作为除数。

除法器的商从Z703的①和④端输出，作为串励电动机的速度反馈信号，由CB15输至速度调节器中。

第九节动力制动

起钻过程中，为了提高效率，踏下脚踏指令控制器，使绞车电动机快速运转，当游车升到二层平台后，为迅速降低电动机转速，采用动力制动，将电动机转速很快降到手轮控制的锚头速度，通常电动机从满速降到锚头速度需要时间30～40s,使用动力制动后，使降速时间减少到10～15s。

从脚踏指令控制器释放到动力制动自动投入，约需2～3s，动力制动只在SCR系统驱动绞车起钻的情况下使用。

动力制动的基本工作原理是将电动机产生的电磁转矩变成阻力转矩，该转矩与电枢的旋转方向相反，使电动机转速迅速下降或停转。

这时电动机吸收转轴上的机械能转换为电量后，又进一步转换为热能消耗掉，所以动力制动又称为能耗制动。

图3下半部分为动力制动控制线路，自①端转入触发给定信号，动力制动时，由于释放了脚踏指令控制器，电动机高速运转时的速度反馈电平高于速度给定电平，①端电位约为-5V，②端电位即CB116电位为绞车接触器逻辑电平，系统用于驱动绞车电动机时为－14V。

由支路OV-D714-D713-R729-R728--14V可看出，二极管D711虽然导通，但D714、D713也导通，Q702发射极反偏，使Q702截止，其集电极电位升高，放大器Z704输出负电位，Q703饱和导通，其集电极电位接近0V，通过D719、R760、D730影响零位锁定环节，使触发器给定维持在－5V左右。

同时该电位使Q705基极电位升高，Q705导通，使K701吸合，将直流组件的127和128端子吸合接通，从而影响外围动力制动单元工作（由于本项目只针对ROSSHILL直流组件原理进行分析，所以不对外围动力制动单元工作原理进行描述）。

Q705导通，使继电器K701吸合的同时，Q705集电极电位降低，Z705输出高电平，Q706导通，继电器K702吸合，将组件138端的120VAC通过其接点接向D726、D727、R758、D728和C708,经过整流箝位后，在D728阳极形成＋0.7V电位，这个电位供给Q706固定的偏压，同时使D729阴极为零电位，将原来从D719送来的零电位锁定，以确保输出到零位锁定环节（即电流调节器）的触发给定信号维持在－5V，以防止SCR桥在制动过程中被触发导通，达到K701和K702共同影响外围动力制动单元的目的。

司钻从松开脚踏指令控制器到动力制动开始作用有2～3s延时，这是为了在提钻过程中，司钻瞬时松开脚踏控制器时，只要松开时间不超过这个设定时间，再重新踏下控制器，由于电路的延时作用，不影响继续高速提钻。

延时时间由R732、C712决定，其时间常数为：

T＝R742×C712＝470×5/1000＝2.35S

另外，当Q706导通时，其集电极电位约为－10V，将该电位级D721