钻机电驱动使用手册

70D电驱动钻机电控系统

使用手册

目录

第1章电气控制系统的基础知识 (2)

1．1可控整流的基本知识 (2)

1．2运算放大器 (9)

1．3闭环控制的调速系统 (13)

1．4电气控制系统简介 (16)

1．5电气控制系统的检验与维护 (21)

1．6故障排除的一般方法 (22)

1．7缩写字母注释和元件符号 (24)

第2章交流电动机控制中心 (35)

2．1 MCC柜安装图 (35)

2．2 MCC运行前的检查与试验 (35)

2．3 MCC的运行操作 (35)

2．4 MCC的维护和故障排除 (36)

2．5干式变压器的维护 (37)

第3章交流控制单元 (39)

3．1同步发电机简介 (39)

3．2交流控制系统 (44)

3．3交流控制组件 (48)

3．4交流控制单元功能试验 (52)

3．5交流控制单元故障排除指南 (56)

第4章直流控制单元 (59)

4．1串励电动机的工作特性 (59)

4．2直流控制系统 (61)

4．3直流控制组件 (64)

4．4皮带轮防滑电路 (66)

4．5绞车能耗制动 (68)

4．6直流控制单元功能试验 (70)

4．7直流控制单元故障排除指南 (75)

第5章司钻控制台及PLC系统 (78)

5.1 司钻控制台 (78)

5.2 PLC系统 (80)

5.3 PLC故障查找 (83)

5.4 工况指配逻辑 (84)

5.5速度控制 (85)

5.6风机控制与报警装置 (86)

5.7司钻控制台的功能试验 (86)

5.8司钻控制台故障排除指南 (87)

第6章电磁涡流刹车 (87)

6.1 电磁涡流刹车的工作原理 (87)

6.2 风冷式电磁涡流刹车配电柜 (88)

6.3现厂安装调试 (91)

6.4故障检修 (92)

第一章电气控制系统的基础知识

1．1可控整流的基本知识

在电驱动钻机的电气控制部分，包括主电路在内的许多直流电源是通过可控整流而得到的。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。

1．1．1晶闸管的结构与工作原理

晶闸管俗称可控硅，是一种功率半导体器件。由于它具有控制特性好、效率高、寿命长和体积小等一系列优点，应用日益广泛。晶闸管的结构特点是具有PNPN四层半导体材料，它的机械外形图与符号如图l一1所示。其中图l—l(A)为平板式结构，图l—l(B)和图1—1(C)为螺旋式结构，图1—1(D)为电气符号。

a)

晶闸管的内部结构原理图如图1—2所示。

在阳极和阴极之间只有三个PN结J1、J2和J3，

这种结构使晶闸管具有可控的正向导电特性，即

给品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Ug，有足够的门极电流Ig流入才行，如

图1—3（a）所示。就是说，门极对元件导通与

否起着控制作用。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上一个正向脉冲电压即可触发晶闸管管导通，但无法使它关断。要使已经导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源Ea，或增大负载电阻Rd，使流过晶闸的阳极电流Ia减少，当Ia减小至约几十毫安时，它突然降到零。这时如果再增加Ea或减少Rd，Ia仍然为零，表明晶闸管已经恢复阻断。当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流叫维持电流Ih。如果Ia

图1-2 晶闸管结构

晶闸管的上述性质需从其内部结构分析。晶闸管可看作由P型半导体与N型半导体交替叠成，它的三个PN结可等效看成由两个晶体管BGl(P1一N1一P2)和BG2(N1一P2一N2)组成，如图1—3(b)所示。当晶闸管阳极加上正向电压后，要使管子导通，关键是使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。从图1—3(c)不难看出，BG1的集电极电流又是BG2的基极电流，BG2的集电极电流同时又是BGl的基极电流。当阳极加上正向电压，一旦有足够的门极电流流入时，由于晶体管的放大作用，形成了强烈地正反馈，表示如下：

其结果，瞬时使两个晶管饷导通，也就是晶闸管通。导通以后，晶闸管的正向压降为1.5V左右。

由于正反馈作用，晶闸管导通以后，即使I g＜0，也不能使其关断。只有设法使I a

如果给晶闸管加反向阳极电压，由于不具备形成正反馈的条件，故无论有无门极电压，它都不会导通，只有很小的漏电流。如上所述，晶闸管导通时只有1．5V左右的正向管压降，阻断时只有很小的漏电流。晶闸管只能稳定工作在导通与阻断两种状态，是比较理想的单向无触点开关。只用很小的门极电流就能控制很大的阳极电流导通。

晶闸管最主要的参数是额定电压和额定电流。额定电压是管子能够承受的正反向重复峰值电压(取较小的值)。为了安全，选用元件的额定电压值应比实际工作时可能出现的最大电压大2～3倍。额定电流是正弦半波平均电流。影响允许：管子电流大小的是温度，晶闸管管芯温度称结温，结温的高低山发热和冷却两方面的条件所决定。为了减小发热，应选导通管压降小、反向漏电流小的管子。元件的散热条件：和冷却方式必须符合厂家规定，否则管子容易烧坏。由于晶闸管的过载能力比其它电机电器小得多，2因此选用晶闸管的额定电流时，根据实际最大电流计算后，还至少要乘1．5～2倍，使其具有一定的电流裕量。

晶闸管的原文是“Silicon Controlled Rectifier”(硅可控整流)，在本手册的以后的文字说明和图纸中经常使用其原文的缩写字母“SCR”。关于晶闸管SCR的详细论述，请参阅有关专著。

1.1.2 3相可控整流电路

1.1.

2.1 3相半波不可控整流

三项半波不可控整流电路如图1—4（a）所示。它可由变压器供电，也可直接接到三相交流电源上，三个整流管的阴极连在一起接到负载端，称为共阴极接法。三个阳极分别接到三相电源上。

对整流二极管来说，只要阳极电位高于阴极电位，它就会导通。三相半波不可控整流负载电压波形如图1—4(b)所示。在ωt1～ωt2区间，即d点～e点之间，A相瞬时电压VA 最高，二极管D1导通。若忽略二极管正向导通压降，A点与K点同电位，K点电位也最高，使D2和D3受反压而截止。同理，在之间，只有D2导通，在ωt3～ωt4区间，只有D3导通。就是说，任何时刻只有瞬时电压最高的一相管子导通。按电流的相序，每管轮流导通120”。交流相电压正半周相邻瞬时值的交点称为自然换流点或称换相点，如波形图中的d、c、f、8……各点。过了换相点后，后相的二极管自然转为导通，前相导通的二极管自然转

为截止。负载Rd上的电压Ud由三相电源供给，是三相电源波形的包络线。平均输出电压为

整流二极管两端电压Ud1如图l一4(c)所示。以Dl管为例，将一个周期分成三等分，2ωt1～ωt2区间，D1导通，udl为o；ωt2～ωt3区间D2导通，B点与K点电位同电位，所以D1承受的电压为线电压UAB，UAB超前A相电压UA30o；ωt3～ωt4区间D3导通，Dl 承受线电压UAc。可以看出，整流二极管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，如果线电

压为600V AC，则二极管承受的最大反向电压为

1．1．2．2 3相半波可控整流

将图l一4的3个二极管换成相应的晶闸管Tl、T2和T3即为三相半波可控整流电路。晶闸管整流的特点是实际换流点不一定在自然换流点上，而决定于触发脉冲的相位，即控制角α。三相半波可控整流的控制角是以对应的自然换流点为起算点。由于自然换流点距相电压波形原点为30o，所以触发脉冲距对应相电压的原点为30o+α。图l一5是：α=18o、负载为电阻时的波形Ugl然换流点ωto后延α角，即ωt1角时触发晶闸管Tl。这时A相电压

最高，T1管导通后，T2和T3管承受

反电压，因此，即使T2和T3同时被

触发，也不可能导通。T1导通到T2

的自然换流点ωt2时，如果是不可

控整流，由于UB开始比UA高，迫使

Tl关断。但在SCR整流电路中，Ug1、

Ug2触发脉冲间隔为120o，ωt2时

Ug2尚未出现，T2无法导通，故T1

也无法关断，继续导通到ωt3角，

待Ug2触发T2后才迫使T1关断。负

载Rd上的电在波形如图1一5(e)所

示。

上面分析的三相半波整流电路

是把三个晶闸管的阴极接在一起，三

个阳极分别接到三相交流电源，这种

电路的接法称为共阴极整流电路。另

一种接法是把晶闸管的阳极联在一起，而三个阴极分别接三相交流电源，如图1—6(a)所示，这种接法称为共阳极接法。共阳极整流电路可以同共阴极整流电路一样分析。由于晶闸管方向反接了，因此只能在电源相电压的负半周导通，电流方向改变。因三个管子的阳极联在一起，同等电位，所以电路换相总是换到阴极电位更负的那一相，自然换流点是相电压负半周相邻两相的交点。

1．1．2．3三相桥式全控整流

三相桥式

全控整流电路

实质上是由一

组共阴极与一

组共阳极三相

半波可控整流

电路相串联并

去掉中线而组

成的，如图1—

7所示。由三相

半波可控整流

电路的分析可

知，当控制角α

=0°时共阴极

组在自然换流

点ωt1触发T1

管，在ωt3触

发T3，在ωt5

触发T5。共阳

极组在自然换

相点ωt2触发

T2，在ωt4触

发T4，在ωt6

触发T6。两组

的自然换相点

对应相差60°，

都各自在本组

内换流，即T1

→T3→T5→

Tl…和T2→T4

→T6→T2…每

只管子轮流导

通120°，如图

1—8(a)所示。

由图1—7

可以看出，要使

电流在负载中流通，必须在共阴极和共阳极两组电路中各有一个SCR元件同时导通。

在ωt1～Vt2区间，A相电压正值最大，B相电压负值最大，在触发脉冲作用下，T6

和T1同时导通。电流从A相流出，经T1→负载→T6流向B相，负载上得到线电压UAB。从ωt2开始，A相电压仍保持正值最大，但C项电压开始比B项更负了，此时脉冲Ug2触发T2导通，迫使T6承受反压而关断。负载电流从T6换到T2。在ωt2～ωt3区间，T1和T2导通，电流路径为A相→T1→负载→T2→C相，负载上得到线电压UAc。从ωt3点开始，B 相电压正值大于A相，在脉冲Ug3触发下T3导通。由于此时T1的阴极电位高于阳极，迫使T1关断。电流从Tl换到T3。在ωt3～ωt4区间，T2和T3导通，由B相和C相供电。同理，

在ωt4～ωT5区间，T3和T4导通，由B相与A相供电。在ωt5～ωt6区间，T4和T5导通，由C相和A相供电。在ωt6～ωt7区间，T5和T6导通，由C项和B项供电。在ωt7～ωt8区间，T6和T1导通，由A相和B相供电，重复以上过程。

上整流条件下，对共阴极而言，输出电压波形是三相相电压波形正半周包络线；对共阳极而言，输出电压波形是三相电压波形负半周包络线。三相桥式全控整流的输出电压为两组输出电压之和，是相电压波形正包络线和负包络线之间的面积，其平均直流电压为：

Ud==231．17Uυ=2．34Uυ

若用三相线电压流形表示，则为其正半部分的包络线，如图l一8(c)所示。电源电流波形如图l一8(d)所示。

当控制角α>0°时，输出电压波形发生变化，图l一9画出了α为30°、60°及90°时的波形。由图可见，当α≤60°时，负载电压Ud的波形为正值；当60°<α<90°时，由于自感电势的作用，ud波形出现负值，但正值数值大于负值，平均电压Ud仍为正值。当α=90°时，正负面积相等，Ud=0。

按照图l一7的线路接法，在三相电源正序情况下，T1和T4接A相，T3和T6接B相，T5和T2接C相。根据这样的排列，触发脉冲的顺序为Ug1→Ug2→Ug3→Ug4→Ug5→Ug6，脉冲间隔为60°，如图l一8(b)所示。

为了保证SCR桥能启动工作，或在SCR关断后能再次导通，必须对共阴极和共阳极两组元件中应导通的一对元件同时有触发脉冲，通常采用的办法是一个触发电路在触发某一号SCR时，同时给前—号SCR补发一个脉冲(称之为辅助脉冲)，例如触发T3的同时，对T2补发一个辅助脉冲；触发T4的同时，对T3补发一个辅助脉冲，图1—8(b)中的虚线脉冲，即为辅助脉冲。这样便能保证每个换流点同时有两个脉冲触发相邻的SCR元件。称这种方式为双窄脉冲触发。也可用宽脉冲触发，达到同样的目的。

通过以上分析，可得到以下结论：

①三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证有两个SCR元件同时导通，只有这样才能构成电流回路。SCR元件只在共阴极或共阳极组的本组内换流，每隔120°换流一次。由于整流电路中共阴极与共阳极换流点相隔60°，所以每隔60°有—次换流。

②三相全控桥控制角α的起算点是自然换流点，即相邻相电压的交点(包括正向与负向)，自然换流点距离波形原点30°。在线电压波形上，是相邻正向线电压的交点。由于线电压超前对应的相电压30°。因此在对应线电压波形上，α角的起算点距波形原点为60°例如当α=20°时，触发脉冲在相电压波形上距波形原点为50°；在对应的线电压波形上，该脉冲则距波形原点为80°。

③三相桥式全控整流电路的负载电压Ud波形是六个相位不同的线电压的组合，当α=0°时，为三相线电压的正向包络线，每周期脉动六次，基波频率为300Hz。SCR两端的最大电压为√6Uυ。

④三相桥式全控整流电路必须用双脉冲或宽脉冲触发，脉冲的移相范围在大电感负载时为0～90°。电阻负载且α>60°时波形断续。由于SCR的导通要维持到线电压过零反向时才关断，所以移相范围为0～120°。

⑤在三相桥式半控整流电路中，将共阳极组(或共阴极组)中的三个SCR元件更换为三个二极管，这种电路只能使每周期的六个脉动波形中，有三个相间的波形可控，另外三个相间的波形不可控，对电压控制要求不高的场合，可以使用这种整流模式。

1．2运算放大器

运算放大器在电控系统中应用非常广泛。运算放大器具有高电压增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特性。根据外接反馈电路的不同，实现不同的运算功能。

1．2．1倒相放大器

倒相放大器如图l一10所示，等腰三角形A表示一个增益很高的放大器，电阻Rf2为反馈元件。可以看出这是一个电压并联负反馈电路．电阻Rp为温度补偿元件，Rp的阻值为Rf1和Rf2的并联值，即RP=Rf1//Rf2。这样连接使得从反相输入端和从同相输入端向外部看去的等效直流电阻相等。当温度变化时，放大器输入级偏流流过外部等效偏流电阻产生的

电压保持相等，使放

大器的反相输入端

和同相输入端之间

不会因温度变化而

引起电压变化，从而

避免在输出端由于

温度变化而引起电

平漂移。电路中的

RL为负载电阻。由图1一10和克希荷夫定律可知

由于放大器的开环放大倍数Ao和环输入电阻数值极大，放大器又是在很深的并联负反馈条件下工作，所以放大器的有效输入信号远小于信号源提供的信号，也远小于输出信号。流入放大器的输入电流远小于流过Rf2的电流，即V_<

i i+I f=0

i i=V i/R f1

i f=V0/R f2

由此可得倒相放大器的闭环放大倍数为：

Af= V0／Vi=-Rf2／Rfl （1—3)

由于同相输入端接地，故反相输入端的电位可近似认为与地同电位，但并没有电流直接流入地。根据这一特性，将反相输入端称为“虚地”。“虚地”与真正的“地”的根本区别在于“虚地”点的电位近似为零而并不等于零。“虚地”点的电流不入地。

因为反馈电路在输入端的连接方式是并联连接，所以尽管无反馈时放大器本身输入电阻很高，但从放大器的反相输入端向放大器看进去的输入阻抗却非常低，近似为Rf1。反馈电路在输出端的连接方式是电压负反馈，故闭环输出阻抗比开环输出阻抗小得多。

1．2．2同相放大器

图1—1l为同相放大器电路。图中各元个卜的作用与反相放大器相同。与分析反相放大器的方法近似，即在深负反馈条件下，放大器输入端的有效电压远比输出电压和信号电压小。同时Rp不比开环输入电阻Ri大，Rp上的压降可略去。于是由图l—11可得

图l一11同相放大器，同相放大器反馈电路型式是电压串联负反馈，所以它具有输入阻抗高而输出阻抗低的特点。

1．2．3 差动放大器

差动放大器用来放大输入信号中的差模信号，

抑制共模信号。图1—12为差动放大器电路。输入

信号vil和vi2分别加到放大器的反相输入端和同

相输入端。接于同相输入端的电阻Rpl和Rp2组成

分压器，将同相输入端的信号取出一部分作为净输

入信号，这样可使放大器对vil和vi2的放大倍数

的绝对值相等，以便有效地抑制输入信号的共模分

量。

由图l一12得

(Vil-V_)／Rfl=(V0 –V_)／Rf2

(Vi2 -一V+)／Rpl=V+／Rp2

V_=V+

联立解以上三式可得

V0=R f2{V i2/R p1(1/R p1+1/R p2)-V i1/R f1(1/R f1+1/R f2)}(1/R f1+1/R f2)

若电路平衡, 即R f1=R p1=R1, R f2=R p2=R2, 则

V0=R2/R1(Vi2-Vi1) (1-5)

可见差动放大器也可作为模拟减法器.

差模放大倍数为

Ad=V0/(Vi2-Vi1)=R2/R1 (1-6)

若运算放大器的共模拟制比为无限大,则其共模输出为零.

1．2．4电压跟随器

图l—13为电压跟随器电路，这是一个有百分之百电压串联负反馈的电路，因此它的输入阻抗极高，输出阻抗极低，电压放大倍数小于l而接近于l。电压跟随器具有优良的跟随特性。由于其反相输入端直接与其输出端相连，所以一旦输入电压超出放大器共模输入电压的允许值，便将产生堵塞现象。为了工作可靠起见，通常在输出端和反相输入端之间接入反馈电阻Rf，而在同相端接入—个减小温漂的电阻Rp，且使Rp=Rf，如图l一14所示。Rf 一般取10KQ左右。

1．2．5模拟加法器

模拟加法器分反相输入式和同相输入式两种，现只介绍反相输入式模似加法器，如图1—15所示。

vil，vi2和vi3为待加的输入信号。待加信号的数目可多可少。比较图l—15与图l —10所示的倒相放大器，除输入端的数目不同外，其它方面完全相同。同倒相放大器的分析方法一样，反相输入式模拟加法器存在如下关系：

V

0=-Rf(Vi1/R1+Vi2/R2+Vi3/R3) (1-7)

可见输出电压等于三个输入电压vil、vi2和vi3分别乘以比例系数-Rf/R1、-Rf／R2和Rf／R3后之和。由上式可看出，改变任一路输入信号与反相输入端之间的电阻，都可以单独改变该路信号由输入端到输出端的传输系数。这是因为各待加信号的会聚点，即放大器的反相输入端具有“虚地”特性。

为了减小温漂，接在同相输入端的补偿电阻应为 Rp=R1//R2//R3//Rf

1．2．6比较器

图l一16为比较器电路，比较器通常用于开关操作。当输入信号电压Vi小于基准电压vc时，比较器输出“+”饱和值；当vi大于Vc时，比较器输出“—”饱和值。

1．2．7积分器

图l一17为基本积分器电路，输入的待积分信号加到反相输入端，在输出端和反相输入端之间接入电容Cf。

由克希荷夫电流定律可得Vi(t)/R=-C(dv0(t)/dt)

由此得出

V0(t)=1/RC[∫Vi(t)dt] (1-8)

上式表明积分器的输出电压正比于输入电压对时间的积分，其比例常数取决于反馈电路的时间常数(τ=RC)而与放大器本身的参数无关。

图1—18（a）为

滞后积分器电

路，当输入端加

一跃变信号Vi

时，输出电压的

跃变值为

Vj=-Vi(t)R1[R2

/(R1+R2)Ri]

(1—9)

输出电压的最终

值为

vf=-ViR1/Ri

(1—10)

时间常数τ=（R1+R2）C

输入信号电压和输出信号电压的波形图如图1一18(b)所示。

图l一19(a)为导前积分器电路，当输入端加一跃变信号vi时，输出电压的跃变值为Vj=-vi R3 (R1 + R2)/R1 R2 (1—11)

输出电压的最终值为

Vf=-Vi R3／R2 (1—12)

时间常数τ=(R1+R2)C

输入信号电压和输出信号电压的波形图如图1—19(b)所示o

1.2．8微分器

基本微分器如图l一20所示。输入的待微分电路加到反相输入端；将信号源与放大

器反相输入端之间的电阻换成电容C，就得到基本微分器。

由克希荷夫电流定律可得 C [dVi(t)／

dt]=-V0／R

所以图1—20 本微分器

V0(t)=-RC [dVi(t)／dt] (1—13)．

即输出电压为输入电压对时间的导数。其比

例常数取决于反馈电路的时间常数τ=RC，而与放

大器本身的参数无关。

微分和积分在数学上互为反函数运算。在运

算放大器的电路构成上，组成反馈电路的一个元

件是电阻。另一个是电容。由于电容上的电压和

流过电容的电流互为微分和积分，所以将两个元

件位置互换，便得到互为反函数关系的两种运算

电路。

1．3闭环控制的调速系统

在ZJ50D和ZJ70D电驱动钻机电控系统中，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。为简明起见，现以直流电动机调速系统为例进行分析，其它自动调节系统与此相似。

串励电动机的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ZJ50D钻机和ZJ70D中采用晶闸管一电动机调速系统。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。

1．3．1对转速控制的要求

1．3．1．1调速

即在—定的最高转速和最低转速的范围内平滑地(无级)调节转速。

1．3．1．2稳速

以—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。

1．3．1．3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。

以上三条有时都须具备，有时只要求一项或两项，特别是调速和稳速两项经常碰到。为了满足钻机对电动机和发电机功能上的要求，在zJ50D(zJ70D)驱动系统中采用闭环控制方案。

1．3．2．闭环调速系统

在闭环调速系统中，速度的调节是通过反馈环节组成的闭环系统来实现的。以直流调速系统为例，将反映直流电动机转速的SCR桥输出电压的一部分Vfb与转速定电压Vref相比

较后，得到偏差电压△V，经过放大器产生触发电路的控制Vo，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，其原理框图示于图l一2l中。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Vd，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，都能减小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。

1．3．3 PI调节器

前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(P1)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，既要稳态精度高，又要瞬态响应快，只要把两种控制规律结合起来就行了。

图l一22给出了PI调节器输出和输入的动态过程。在输入电压△V的作用下，输出电压中的比例部分(1)和△V成正比，积分部分(2)是△V的积分，输出电压Vo是两部分之和(1)+(2)。可见，Vo既具有快速响应性能又足以消除系统的静差。故PI调节器在调速系统中得到广泛应用。

1．3，4转速电流双闭环调速系统

如果对系统的动态特性要求较高，比如要求快速启动、制动，突加负载动态速降小等等，只有转速反馈的单闭环系统就难以满足要求。这是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

如果突加负载时，在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度启动，到达额定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这个理想过程示于图l一23中。这时启动电流呈方形波，而转速是线性增长的。

为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持最大值Idm的恒流过程。采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

生产工艺一般要求在启动过程中只有电流负反馈而得到一个近似的恒流过程，不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端。到达稳定转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。双闭环调速系统就能得到既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用。实施的方法是：在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者间实行串级联接，如图l一24所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制触发装置。从闭环结构上看，电流调节器在里面，叫做内环；转速调节器在外边，叫做外环。这就形成了转速和电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静态特性和动态特性，双闭环调速系统采用两个PI调节器，其原理图如图l一25所示。在图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，还表示出两个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅电压即饱和电压，决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是Vctm，它限制了晶闸管整流输出电压的最大值。

电路设计得在正常运行时，只有转速调节器有饱和和不饱和两种状态，而电流调节器是不会达到饱和状态的。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。就是说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的关

系，相当于使该调节器开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压△V在稳态时总是

零。

当转速调节器不饱和时，负载电流Id小于最大电流Idm，表现为转速无静差，这时转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。

1．4电气控制系统简介

DDF系列电驱动钻机电控系统的作用是从柴油发电机组得到—个三相600V和50Hz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—。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。DDF系列电控系统分布图如图1—32所示，其系统单线图见图002—00。DDF系列的动力和控制流向如图l 一33所示。

1．4．1交流电动机控制中心

该控制中心的主要功能是对井场的钻台、泥浆泵房、泥浆循环罐区、油罐区、压气机房和水罐等区域的交流电动机进行控制，并给井场提供照明电源。若井场需要设置辅助发电机组，可在MCC柜配置辅助发电机投入380V母线的接口。MCC的控制柜中装有断路器、接触器、继电器、按钮、仪表、指示灯以及各种保护装置。

1．4．2交流控制装置

电驱动钻机交流动力系统一般由3或4台柴油发电机组构成。3或4台机组并于3相600VAC 50HZ母线上，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。

交流控制装置的功能是控制多台机组，使其在负荷允许变化的范围内保证输出稳定的电压(600VAC)和频率(50Hz)，并对机组进行多项保护。

在交流控制柜中主要安装有下列设备：

1．4．2．1断开器（CB）

断路器（CB）是使发电机母线与主母线通断的执行电气器件，并具有短路、过流和欠压保护功能。

1．4．2．2交流控制组件（ACMD）

交流控制组件是控制柴油发电机组转速和电压的核心部件，同时具有负荷均衡分配和各种保护功能（过压、过频、欠频、逆功和反馈脉冲丢失）。

1．4．2．3励磁电路板（EXCITER PC）

该板向发电机励磁机提供可控的励磁电流。

1．4．2．4功率限制盒（POWER LIMIT）

功率限制盒的作用是限制司钻从机组取用的功率或总电流。以免柴油机停车和发电机断路器跳闸。机组发生逆功和欠频时，也限制功率和电流。同时对负荷变化速率进行限制。1．4．2．5同步装置（SYNC）

待上线机组和母线的电压和频率由同步装置进行控制和显示，保证并车安全。1．4．2．6接地故障检测装置（GROUND FAULT DETECTOR）如果600V交流或SCR输出直流出现接地故障，均由接地故障检测装置进行检测和显示。1．4．3直流控制装置(SCR)

电驱动钻机直流动力系统由3或4套SCR(晶闸管)整流柜和直流电动机组成。运用直流接触器进行切换，亦称“1拖2”驱动方案。有4台电动机驱动2套泥浆泵(MP)，2台电动

机驱动绞车(DW)，其中绞车电动机A(DWA)可以通过机械离合器拖动转盘RT。有的钻机还设

有顶驱电动机TD。

直流控制柜中主要安装有下列设备：

1．4．3．1断路器(CB)

该断路器主要通断SCR柜与主母线，并具有过流、短路、过热及应急关断等保护功能。

1．4．3．2晶闸管整流桥(SCR)

该整流桥为3相全控整流电路，由6个大功率晶闸管(1200V 1000A)组成，将600VAC 整流成0—750VDC。装有强风冷散热装置，并装有过热和短路检测器件。

1．4．3．3直流控制组件(DC MD)

直流控制组件是控制SCR桥的核心部件，具有转速、电流(转矩)和绞车能耗制动控制功能，还具有功率限制、零位联锁保护和过电流保护等功能。