钻机电气控制系统的基础知识资料PPT资料.ppt

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V为提升速度，单位米/秒。

为了使实际起升曲线尽量接近理想曲线，绞车对驱动传动设备的要求是：

1）要有高度的柔特性，能实现正反转无级调速，且调速范围宽；

2）动力机短期过载能力强。

按恒功率原则变矩变速调速范围:

R10,转盘对驱动传动的要求,转盘的作用是使钻具旋转，在钻进时为正转，在有时处理事故如卡钻时也需要反转，在钻井过程中，为适应不同的岩层，转盘的扭矩需要维持一定并能灵活调节，转盘的转速需要较大范围的调节。

当偶然卡钻时，具有过载保护能力，并具有良好的保护特性，如过力矩保护和掉电保护等。

为满足钻井工艺的上述需要，转盘对驱动传动的要求是：

1）要有一定的柔特性，能够无级微调转速，调速范围较宽；

2）动力机具备短期过载能力；

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（SiliconControlledRectifier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”。

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（RectifierDiode）、快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）和肖特基二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）等3种主要类型。

晶闸管（Thyristor,orSiliconControlledRectifierSCR）可以算作是第一代电力电子器件，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-OffThyristorGTO），大功率双极型晶体管（BipolarJunctionTransistorBJT,orGiantTransistorGTR），功率场效应管（PowerlOxideSemiconductorFieldEffectTransistorPowerMOSFET）等。

20世纪80年代出现了以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT,orIGT）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、IGBTMOSFET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“SiliconControlledRectifier”（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