顶驱电气控制部分讲义hb教材Word格式文档下载.docx
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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。
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。
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：
●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。
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。
胜利油田的TDS-11SA顶驱控制部分使用的是控制单元矢量控制板和通讯板的组合。
不同的电路板组合在PLC内部有不同的文件设置，在测量时必须用软件或附带键盘检查，使用故障号码找出问题。
⑴整流部分
来自交流母线的三相交流电源通过断路器向变频房SCR柜中的SCR桥供电。
SCR桥可以将交流电源整流成连续可调的直流电源。
整流装置为六只可控硅组成的三相全控整流桥，整流桥通过断路器与交流电网相隔离。
在每个SCR柜内装有供冷却用的鼓风机，用来冷却SCR桥，以防SCR温度超过110℃。
通常在出现下面四种情况时断路器将跳闸：
●SCR结温度超过125℃；
●保护SCR的熔断器熔断时；
●SCR柜冷却鼓风机停转时；
●失压脱扣电路与司钻台上的紧急停车按钮闭接点接在一起，司钻紧急停机时断路器也将跳闸。
⑵变频器部分：
变频器由整流器和电容器部分组成。
在这一部分，将传来的三相交流电转换成直流电并贮存在电容器中，以供电力设备使用。
另一选择为，绕过整流器，可采用810伏直流电流驱动变频器。
而电力模块作用是产生控制电机转速需要的变频电压。
为此需将直流电转换成一组脉冲组成的输出波形。
控制好每个脉冲的时间，使传给交流电机的电压以交流正弦波出现，以达到变频目的。
用脉冲产生波形并以正弦波传给电机的方法，称为脉冲宽度调制（PWM）。
VARCO变频房中的脉冲宽度调制（PWM）使用绝缘栅极双极晶体管（IGBT）来实现。
使用IGBT的优点是具有更低的驱动损耗，使马达的噪音更小，防止运转的马达过热。
可以由电压控制闸阀，有更高的载波频率，更小的设备驱动体积和更低的费用。
IGBT控制脉冲宽度调制（PWM）过程，然后输出连续不断的脉冲波形。
所以为了改变电机转速，司钻使用一个手轮转动就可以进行控制，即手轮改变输入电机的频率。
因为钻井电机是频率同步型电机，所以电机转速与频率成正比（例如，20赫兹对应电机转速600转/分钟，那么，40赫兹则对应1200转/分钟）。
因此交流变频驱动最大的优点是转速和扭矩能够得到高质量的控制，使操作人员能在整个运转范围内准确地控制钻杆转速。
⑶控制部分
控制部分监测钻井电机的运转情况，接收TDS-11SA控制系统手轮和扭矩设定信号，以及控制电力模块的起动电路。
五、TDS-11SA交流变频顶驱PLC系统
1、PLC系统概念
PLC，即可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），也就是我们常说的PLC或PC，来代替一部分传统的继电器控制系统。
PLC是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。
它从七十年代初期诞生以来，在近三十年，特别是近十年来得到了迅猛的发展。
PLC与机器人、CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制造）并列称为工业生产自动化的三大支柱。
一般VARCO顶驱上使用的是西门子公司的PLC产品。
下面是TDS-11SA顶驱PLC系统图解和实物图：
图4-5VARCOTDS-11SA顶驱PLC控制系统简图
2、德国西门子公司S7系列PLC实物图
图4-6德国西门子公司S7系列PLC实物图
3、PLC的硬件组成：
PLC实质是一种专用于工业控制的微机，其硬件结构与微型计算机基本相同，主要由CPU、存储器、输入输出接口和编程器四部分组成。
⑴PLC的CPU作用与微型计算机中的CPU作用一样，是PLC的核心，其作用可概括为：
●接收并存储从编程器输入的用户程序；
●用扫描方式采集现场输入装置的状态和数据，并存入相应的数据
寄存器中；
●诊断电源及PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误；
●执行用户程序：
从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程
序解释后逐条执行。
完成程序规定的逻辑和算数运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作。
目前PLC所使用的CPU有单CPU、双CPU和多CPU几种，在类型方面，有的使用通用的Z80、8085、8086、6502、M6800等微处理器芯片，更高级的则使用8031、8051、8039、8049或8096等单片机芯片。
目前VARCOTDS-11SA顶驱变频房中的PLC使用的CPU就是英特尔（Intel）公司生产的8051单片机芯片。
⑵PLC中的存储器：
PLC的存储器用来存放程序和数据，分为系统程序存储器和用户程序存储器两大部分。
有ROM、RAM、EPROM（紫外线可擦除ROM）等几种类型。
●系统程序存储器。
系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊
断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。
系统程序关系到PLC的性能，由厂方提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取。
●用户程序存储器。
用户程序存储器主要用来存储通过编程器输入
的用户程序，中小型PLC的容量一般在8K字节以下。
用户程序存储器一般又分为程序存储器和数据存储器。
数据存储器存放输入输出信息、中间运算结果、运行参数（如计数定时器的时间常数）等。
⑶PLC的输入输出接口：
输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部件，是PLC的重要组成部分。
与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，PLC的I/O接口是按强电要求设计的，即输入输出接口可以接受强电信号，输出接口可以直接和强电设备相连接。
通常PLC的输入设备是各种控制开关、传感器等，输出设备有电磁开关、各种电动机、电磁阀、电磁继电器、电磁离合器、加热器等。
下面介绍一下处理PLC的各种输入/输出量的接口模板：
●开关量输入接口模板：
是将外部过程的数字量信号转换成PLC的CPU模块所需的信号电平，并传送到系统总线上。
一般分为直流汇点输入方式、交流汇点输入方式和分隔式输入方式三种类型。
●开关量输出接口模板：
用来将CPU模块的TTL电平转换成外部过程所需的信号电平，来驱动外部过程的执行机构、指示灯等负载。
一般有晶体管输出方式、场效应管输出方式、固体继电器输出方式、有触点继电器输出方式等几种。
●模拟量输入接口模板：
是用来将模拟量信号，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等，转换成PLC所能接收的数字信号，即进行模拟量到数字量的转换。
这个转换过程称为模/数（A/D）转换。
●模拟量输出接口模板：
就是用来将PLC内部输出的数字量转换成外部生产所需的模拟信号，以便对电磁阀、液压电磁铁等一类执行机构进行控制。
这个转换过程称为数/模（D/A）转换。
另外对生产过程来说，还需要进行闭环控制，需要机器间的通信等特殊功能，因此还使用了一类智能接口模块，包括PLC的通讯处理模板、带有调节功能的模拟量控制模板、高速计数器模板、数字位置译码模板、阀门控制模板、中断控制模板等。
下面是TDS-11SA顶驱中使用的ET200B输入/输出接口模块图：
ET200B模拟输出模块
图4-7德国西门子公司ET200B模拟输出模块图
ET200B数字输入/输出模块
图4-8德国西门子公司ET200B数字输入/输出模块图
⑷编程器
编程器是开发、维护PLC控制系统的必备设备，包括键盘和显示器等。
编程器通过电缆与PLC相连接，其主要功能如下；
●通过编程器向PLC输入用户程序。
●在线监视PLC的运行情况。
●完成某些特定功能。
如将PLCRAM中的用户程序写入EPROM，或
转存到盒式磁带上；
给PLC发出一些必要的命令如运行、暂停、出错复位等。
4、PLC软件工作过程：
与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的，在软件的控制下，PLC才能正常工作。
PLC的软件分为系统软件和应用软件两部分。
系统软件一般用来管理、协调PLC各部分的工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。
用一台PLC配上不同的应用软件，就可完成不同的控制任务。
PLC的基本工作过程如下：
1输入现场信息
在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点，读入
各输入点的状态；
2行程序
顺次扫描程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容
进行逻辑运算；
3输出控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。
上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。
每执行一遍所需的时间称为扫描周期，PLC的扫描周期通常为10-40ms。
在实际应用中，大多数钻井机械设备的工作过程可分解为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。
因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，比较简单、直观，程序容易编写和修改。
5、PLC的内部等效继电器电路：
如上所述，PLC是一种专用微机，其硬件结构与微机基本相同。
但在目前，它主要用于完成较复杂的继电接触控制系统的功能。
因此，在实际应用中，我们不必从计算机的角度去研究，而是将PLC的内部结构等效为一个继电器系统。
实际上在PLC的存储器中专门设置了一个区域，可等效一个继电器阵列，其中包括若干输入继电器X，输出继电器Y，辅助继电器M，时间继电器T，计数继电器C等，用户就是使用这些软继电器，通过编程来实现所需要的逻辑控制功能的。
6、PLC的指令系统和编程：
PLC常用梯形图编程和指令编程两种方式。
梯形图类似电气原理图，简单直观，对于熟悉继电器接触控制的人来说，容易接受，是一种基本的编程方式。
指令编程类似于计算机的汇编语言编程，但要简单得多，PLC只有十几条基本指令，通常不会计算机的也很易学会。
指令编程以梯形图为基础，一般是先按要求画出梯形图，再根据梯形图写出相应的指令程序。
一般熟悉电气线路和继电器的人都可以学会编PLC的程序。
7、PLC在电动钻机中的应用：
PLC对环境要求低，无需空调，适于在钻机现场工作，平均无故障时间在5万小时以上。
顺序控制是电动钻机自动控制中最基本的环节，几乎各种钻机辅助设备的控制都可以分解成按步进行的顺序控制，因此，都可以采用PLC来完成。
一般钻井机械设备的单机自动控制，多属简单的顺序控制，只要选用具有逻辑运算，定时器、计数器等基本功能的PLC就可以了。
六、编码器：
1、什么是编码器？
编码器是一种传感器，它输出一种数字信号。
这是一种一连串的脉冲输出。
电压最大值和最小值总是一成不变的，随着轴的变化而变化的。
随着轴转速的增加，输出频率也随之增加，随着轴转速的减小，输出频率将减小。
同编码器相连的设备（交流变频器、PLC），通过记录一段时间内的脉冲数来确定轴的转速。
记录脉冲数和计算转速反复连续进行。
2、为什么需要编码器？
交流顶驱采用一种数字式编码器。
在大多数钻井作业情况下，并不需要编码器的反馈信号。
只是在进行上扣、卸扣时需要。
当上扣、卸扣时，顶驱的扭矩必须平稳和规范，基于这一原因，需要编码器。
3、VARCOTDS11SA交流顶驱编码器
VARCOTDS11SA交流顶驱的编码器是用来为变频器提供电机旋转位置的。
编码器在VARCO顶驱的右部电机上，它能输出一种数字信号，这是一种一连串的脉冲输出。
随着轴转速的增加和减少，输出频率也随之增加和减少。
同编码器相连的设备（交流变频器，PLC），通过记录一段时间内编码器的脉冲数来确定轴转速，以进行对钻井电机的控制。
记录脉冲数和记录转速是反复连续进行。
因为上扣、卸扣时，顶驱的扭矩必须平稳和规范。
下面是VARCOTDS-11SA交流顶驱使用的编码器系统简图：
图4-9VARCOTDS-11SA交流顶驱使用的编码器系统简图
在现场的TDS-11SA交流顶驱上，编码器信号进入西门子数字式转速电路板（DTI），然后传输到VARCO顶驱变频房控制中心的CUVC电路板进行处理。
用于编码器的+15VD
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