电气传动的工业应用

第15章电气传动的工业应用15.1石化工业钻井是石油勘探和开发最主要的于段之一。通过钻井才能证实勘探地区是否含油以及含油量多少；通过钻井才能将地下的油气开采出来。钻井技术水平不仪直接影响到勘探的效果和油气的产量，而且关系到油田开发总成本的高低。因此，提高钻井技术水平和钻井效率，降低钻井成本，对油气田开发具有十分重要的意义。石油钻井，按钻井的目的，分为勘探井和生产井；按井身轴向角度，分为垂直井和定向井，定向井包括斜直井和水平井；按钻井的环境条件，分为陆地钻井、沙漠钻井和海洋钻井，海洋钻井又按钻井装置分为固定钻井和浮式钻片等。钻机是实现钻井工作的一套综合性机组。钻井技术水平的高低很大程度上取决于钻井设备的装备水平，无论是何种类型的钻井工艺，对钻井设备都有下列基本要求：(1)为了有效破碎岩石、形成井眼，钻具要有旋转钻进的能力。因此要求机械设备必须给钻具提供足够的转矩和转速，并维持一定的钻压；(2)为了满足钻具送进、起下钻具、更换钻头、下套管和处理井下事故的需要，机械设备应有一定的起重能力及提升速度；(3)为了清洗井底、排出岩屑，要求机械设备能够提供钻井液，并产生足够的泵压和排量。在满足这些基本要求的基础上，适应于不同钻井类型，形成了品种繁多、规格各异的钻目前的钻井作业一般采用旋转式钻井法，就是将许多根长9m或12m的钻杆经螺纹连接起来，在其端部装上钻头，由转盘给钻头一个旋转力进行钻井。随着钻井技术的发展，钻井的深度越来越深，超深钻井的深度巳达15000m以上。钻井工艺也在不断提高，由原来的单孔垂直钻井发展到钻定向斜片、水平井和丛式钻井。新的钻井工艺对钻井机械提出越来越高的要求。普通的以柴油机为动力的直接钻井方式，已满足不了现代钻井工艺的要求，先进的电驱动系统采用晶闸管供电的直流电动机驱动或以变频装置供电的交流变频电动机驱动，方便灵活，控制性能好，得到了迅速的发展。随着钻井工艺技术和钻井方法的不断改进与提高，各种新型钻井技术和设备，如顶部驱动钻机系统、随钻测量系统、钻井智能专家系统等，必将得到更广泛的应用，1.钻机的组成石油钻井是一个复杂、完整的工业系统，钻井作业由钻进、钻具更换、泥浆循环、水泥灌浆等几个工序组成。钻井机械是一套为钻井1程服务的综合性联合工作机，统称钻机。钻机的组成与钻井方法有关，现代旋转钻井法所用钻机根据钻井施工中的钻进与洗井、起下钻具等工序的需要，成套钻机必须具备下列各系统和设备：(1)旋转钻进系统该系统的功用是驱动井中钻具、钻头旋转，以不断破碎岩石。它包括转盘、水龙头、钻杆柱(方钻杆、钻杆柱等)和钻头，如为钻丛式定向井，则还有井底动力钻具(涡轮钻具或单螺杆钻具)。(2)钻井液循环系统该系统的功用是循环洗井液，并清除井液中的岩屑。为了用钻井液及时将井底已破碎的岩屑清除掉以保证继续钻进，钻机必须具备使钻井液增压、输送、液固分离的循环系统。它包括钻井泵、地面管汇、钻井液池与钻井液槽、钻井液固相控制设备(包括振动筛、除砂器、除气器及离心分离机等)以及调配泥浆的设备。(3)钻具起升系统该系统的功用是起下钻杆柱，以更换钻头、下套管柱，控制钻头钻进所需的钻压等。它主要包括绞车、猫头绞车、辅助制动器(水刹或带刹、盘刹等)、游动系统(天车、游车、大钩及钢丝绳等)以及井架等。(4)动力与传动系统该系统的功用是为各工作机组提供动力，并进行动力的传递与分配、能量转换等。它主要包括柴油机(有的是柴油机-交流发电机组),可控整流、可控变频设备和交、直流电(5)控制系统该系统的功用是指挥各系统协调一致的工作。它主要包括机械控制、液压控制、(6)井控系统该系统的功用是控制与处理井喷事故，由井口液压防喷器、节流与压井管汇、液压控制系统等组成。图15-1钻机的组成示意图技术参数。它包括大钩速度、指重表、转盘扭矩5—水龙头6—转盘7—绞车8—配电表、转盘转速表、泵压表、泵冲次表、泥浆出口流间9—泥浆泵10—泥浆净化系统液面指示器等。(8)底座底座用以安装钻机的主机及空压机等，包括钻台底座和机房底座。钻机的组成示意图见图15-1。2.钻机的分类油气井的深度是根据油层、气层的位置或所需探明的地层深度决定的，钻不同深度的井应选用不同的钻机。按钻井的深度和井径分，有大型钻机和轻便钻机；按动力机驱动类型分，有柴油机驱动和电驱动，电驱动又分为直流电驱动和交流变频电驱动；按钻机使用环境分，有海洋钻机、浅海钻机、沙漠钻机、陆地钻机、极地钻机等。由于使用目的、场合不同，各类钻机在结构上有所区别，但对于电气传动系统来说基本上是一致的。石油钻机基本参数见表15-1。表15-1SY/T5609-1999石油钻机基本参数钻机级别127nm钻杆1J00~5000~114mm钻杆500~800~6000~游动系68888868防压钢丝结11菲12钻井泵单台功率不小于15,17只17%,20只，27井m架19m立级钻机均采用可提升28m立柱的井架；对10/600、151900,20/135柱的片架；对120f9000一级钻机也可来用提①)由114mm能杆组成的销住的名义平均重量为30kg/m.出127mm钻杆组成的钻柱的名义平均重量为36kg/m,以②所选用制丝绳应保证在游动系统最多绳数和最大钩载的情况下安个系数不小于2,在钻井绳数和酸大钻柱载荷情况15,1.1.3与电气传动有关的主要钻井机械工作与载荷特点1.绞车绞车主要由滚筒、离合器、变速齿轮箱、制动装置、绞车电动机及相应的控制装置组成。绞车的主要作用是用来起下钻具、套管。绞车的工作特点是载荷变化大。当井深时的大钩载荷Qa与起空吊卡时的大钩载荷Q之比值，一般不小于10。绞车的操作是频繁的，起起停停，要求动力传动系统的起动性能好，有灵敏可靠的控制与离合装置。在钻井作业中，绞车的作业时间占整个钻井作业时间的比重较大。为提高效率、节约成本，要求大钩载荷Qa时，起升速度为0.4～0.5m/s;起空吊卡时，为小于或等于2m/s。…般要求电气传动系统恒转矩调速范围不小于]:10,恒功率调速范围约为1:4~5。此外，为了使绞车适应钻具起动时发生的动载荷及克服一般的卡钻，还要求传动系统有知时的过载能力，钩载、功率与调速范围示意图见图15-2.在提升钻杆时，为了不和开架及其他设备碰撞，要求绞车低速起动，然后迅速加速，因而要求传动系统有良好的动特性。绞车电动机典型的负载见图15-3,图15-2钠载、功率与调速范情图15-3绞车的典型负载2.转盘转盘的作用是使钻具旋转，把扭矩经钻杆传至钻头，切削地壳实现钻进作业。在钻进过程中，随着井深及岩层的变化，要求电气传动系统的调速范围为1:5～10。为处理钻具事故，要求既能细微地调节转速，又能反转。当钻具遇卡时，为了防止钻杆折断，要能限制传动系统的转矩，到了限定转矩，能自动停止旋转，并且这---限定转矩可由可钻工自由调整。当电气传动系统有故障停车时，应有阻尼或制动装置，或使用专门的控制器，控制钻杆的反弹速度。典型的转盘的转知-转速曲线见图15-4。3.钻井泵钻井泵是泥浆循环与净化系统中的关键设备，其重要性犹如人的心脏。目前油田所用的钻井泵多为卧式双缸双作用或三缸单作用活塞泵。一般为无载起动，起动不频繁，对起动转矩和过载能力要求不高，它要求电气传动系统图15-4转盘的转矩-转速曲线转盘传动效率为91%,高档传动恒转矩调速，其范围为1:5～6(同一缸套下)。往复泵的特性曲线见图15-5,输人轴转矩-泵速曲线见图15-6。1.小电网供电钻机多工作在远离城市的陆地、沙漠或海洋，即使可由工业电网供电，电网容量也很小；而且考虑到钻机的机动性，大部分钻机都是由独立的自备电源供电。由于是小电网供电，在品闸管变流系统工作时产生的大量谐波就会使电网波形严重畸变，造成各晶闸管变流系统之间的干扰及种种不良影响。在这种恶劣条件下，所有电控设备都应能安全可靠地工作。图15-5往复泉特性曲线第15章电气传动的二业应用969对于谐波及大量的无功功率，以往曾采取复杂的补偿措施，如IC谐振滤波器、电容无功补偿装置、调相机补偿等，这类补偿方法投资多、休积大、维护困难。经多配以相应的交流发电机和晶闸管传动系统中的改进措施，就能保证正常.工作。对于交流变频传动系统，如采用电力“极管变流器或正弦波PWM变流器，则无须考虑补2.尽量减小装置体积陆地、沙漠钻机是经常需要移动的设备，对于2000m以内的钻机，往往十多天就可打好一门井，对于4000m以上钻机，也只需3～5个月就为保证钻机的机动性、对于陆地、沙漠钻机，通常把电控设备安装于一个可移动的活动房内；对于海洋钻机，因为所有设备都要装在人工搭建的平台上、其使用面积是非常宝贵的，所以减小电控装置的休积和重量是至关重要3.提高系统运行可靠性陆地钻机，尤其是海洋钻机，钻井费用相当昂贵，因而增加系统运行的可靠性，尽量减少停机时间，是每台钻机追求的重要指标。另外，在钻井过程中，如果长时间停机(如超过40min),就有可能使整个井报废，造成不可挽回的巨大损失，所以可靠性是钻机至关重要的指标。减少停机时间有三个含义：其一是尽量少出故障；其二是一且出了故障便于查找，便于更换；其三是即使电控系统的某·部分出了故障，也不致使整个机械停下米。因而钻机电控系统设计时，都要考虑足够的裕量，4.在保证系统功能的前提下尽可能简化系统对钻机传动系统来说一般调速范围不是很大，对其控制特性也没有非常高的硬度要求，所以直流传动系统一般都不采用转速反馈，而用电动势反馈或电压反馈。这样的电气传动系统特性较软，额定负载时转速降在5%左右，已能满足工作需要。采取电动势(电压)或模拟磁通计算反馈可大大简化系统，增加可靠性。对于交流变频传动系统，应用于绞车时，为了保证低速性能，须安装速度传感器(编码器),至于工艺要求的负载限制特性、恒功率调节特性、加减速限制特性和各种保护特性，系统中都应给予充分考虑，否则将影响钻机的正常工作。对于绞车、转盘等设备的制动，一般不采取再生制动的形式。这是因为电网容量小，过多地回馈能量将使电网电压大幅度波动，不利于用电设备的正常工作；对于柴油发电机组构成的独立电网，过多地回馈能量将造成柴油机超速，这是不允许的，对于采取再生制动的系统，其回馈能量应严格受到限制，一般不得大于负载容量的10%～15%。·般情况下，设备的制动由能耗制动、电磁涡流制动或机械制动装置来完成。5.钻机对电控装置的特殊要求钻机工作环境非常恶劣，潮湿、腐蚀性气体、液体、爆炸性气体等对电控设备造成了重大威胁，为对付这些特殊问题，必须采取相应的对策。对丁裸露于空气中的电气设备，必须进行防潮、防腐蚀处理。对于位于井口区、泥浆泵区的电气970电气传动自动化技术手册设备，要有防爆措施，如直流电动机、变频电动机、司钻台、司泵台、脚踏开关等都应采取密封正压通风的防爆方式，以防可燃性气体进入；对于所有电控装置，都应设有低温加热装置，以便在长时间不用时加热驱潮。6.钻机独立电源系统无论是海洋钻机，还是陆地钻机，在很多情况下，都设有自己专用的发电系统，发电机的动力多为柴油发动机，也有的采油平台上使用燃气轮机，随着钻井深度的增加，钻机的功率加大.一般4500m以上的钻机配3～5台发电机组，总容量在4000kVA以上，采用公共母线供电，词钻工可根据情况选择并联发电机的台数，以达到最佳效率。…般设计电源系统时都考虑了足够的裕量，当其中一台柴油发电机组故障时，也不会影响钻片工作。对钻机用独立电源系统还有如下的技术要求：(1)电网电压一·般为三相交流600V或690V(少数也有440V),直接对晶阐管变流装置或变频装置供电。(2)容量山于品闸管变流装置供电的直流电动机驱动系统，在低速运行时需大的尤功输入，无功功率虽可山无功补偿装置供给，但其体积大、造价高，现代的钓机供电系统中很少应用。为解决无功功率问题，通常在选用发电机时，根据负载情况可加大发电机的视在容量，功率因数一般按0.64～0.7考虑，交流变频驱动时可按0.8考虑，发电机的视在功率大于(3)有足够的电压稳定度和频率稳定度在静态情况下，当负载从零变化到满载时，一般要求电压稳定度优于±3%,频率稳定度优于±0.5Hz。(4)动态响应快电压和频率调节系统的动态响应时间一般都应小丁1s。(5)对于独立的电源系统，还需设有应急发电机系统在紧急情况下，应急发电机能自动起动投入运行，以保证关键设备及部门的供电。应急发电机的容量一般在200～500kVA。对于柴油机驱动的发电机控制系统，除设有同期装置及过电流、过电压、超频、低频等保护环节外，还应设逆功率保护环节，以防在逆功率过多的情况下损坏发电机和柴油机。(1)绞车电气传动系统绞车电气传动系统的框图见图15-7.该系统采用双闭环控制、恒定励磁。控制系统内环为电流环，外环为电压环，调压调速。由于绞车的调速范围不很大，对控制特性的硬度没有过高的要求，所以控制系统的外环多采用电压坏，这样既可省掉测速发电机，简化系统，又可容易地使并联运行的电动机负载平衡。电压调节器可采用PI调节器，也可用比例调节器。挖制输入端有加速度限制器，以限制起制动时间，减少冲击。加速度时间一般为2～10s。77981一速度给定2—加速度限制器3—北压调节器4—电流调节器5…触发器6—变流器?—电流变换器8—电压变换器9一功率限制环节10—励磁回路根据机械系统的要求，电动机在任何工作状态下，其最大输出功率都不超过电动机的额定功率。在控制系统中加人功率限制环节，随着转速的升高自动控制最大电流值，以达到限制最大输出功率的目的。绞车由两台电动机经齿轮耦合并联传动，供电装置为两台，一般采用一对一供电。两台电动机的负载平衡是通过对两晶闸管变流器的两个电流调节器给以同一个电流指令来达到的，即采用“主从控制”方式。此外，也有的电控系统中采用调节磁场的方式达到负载平衡的日的。在一对二供电的场合，由一台品闸管变流器给两台串励直流电动机并联供电，这两台电动机的负载平衡是靠印励直流电动机的软特性自然平衡的。电动机的制动没有采取再生制动，必要时可加能耗制动。绞车提升时的快速制动及下管时的制动是采用电磁涡流制动器和机械制动器达到的。绞车传动系统的控制特性见图15-8。76982513图15-9转盘传动系统框图图15-8绞车传动系统的控制特性(2)转盘传动系统转盘传动系统的框图见图15-9。主控制部分和绞车传动系统是一样的，考虑到转盘在事故状态下有反转的可能，故采用反接磁场的可逆系统。又由于在钻进过程中，司钻工要随时掌握和调节钻进力矩的大小，为使主电路电流更近似地表示转矩，所以其磁场问路采用恒流控制。转盘在钻进中的最大力矩要能灵活控制，此功能由最大力矩限制环节实现，由可钻工在司钻台挖制。转盘控制系统的特性见图15-10。由于钻杆很长，在钻进过程中，钻杆有很大的扭曲变形，允其是卡钻时更为严重。为防正转盘传动系统的转矩降低过快而致使钻杆快速反转，正常工作时，可出加速度限制环节给出缓慢的减速过程；在转盘传动系统故障的情况下，依靠机械的惯性制动来完成。转盘驱动功率较小，通常只用…台电动机驱动。由于绞车和转盘不同时工作，有的系统中不设独立转盘驱动电动机，而是由一台绞车电动机驱动，此时控制功能的更改由切换部分实现。但是，现代钻机往往为了简化机械设计，采用独立转盘驱动的方案也是常见的。图15-10转盘控制系统的特性转盘控制系统的可逆运转靠反接磁场来实现，由人工完成。所以系统中需设置可靠的电气联锁：保证在电动机的速度为零时，方能转换磁场；磁场建立后，才能反向起动电动机。(3)泥浆泵传动系统泥浆泵传动不要求反转，其主控电路的结构也和绞车、转盘一样采用双闭环控制，内环为电流环、外环为电压环，同时泥浆泵电控系统也没有绞车、转盘电控系统那样的特殊要求，所以结构简单。在钻机的传动系统中，为了减少备件，互为备用，无论是绞车、转盘、泥浆泵电控柜都制作成统的标准模式，何以互换使用。而其不同的要求在另一控制柜(称之为综合控制柜)内通过适当的切换来实现.g4g4电机组的控制包括柴油机速度控制和发电机电压控制两大部分。为保证电源频率稳定度不大于±0.5Hz及发电机有功负载分配的不平衡度限制在±5%以内，235般柴油机的速度控制采用带有有功电流235调节内环与速度外环的从属控制系统。图15-11柴油机调速系统结构框图1-加速度限制器2—速度调节器3—电流调节器入时，以一台为主进行速度调节，各发电机有功电流内环则以主发电机速度调节器的输出作为有功电流参考值，因而保证了负载均衡。主从逻辑电路决定主发电机所属机组，并完成上述挖制的切换。各发电机采用励磁机磁场电流内环和发电机电压调节外环的从属控制系统，电压稳定度可达±3%,响应时间为1s:发电机电压系统结构框图见图15-12。外环给定中设有无功电流反馈信号，在并网后，电压由网络电压钳制，各发电机的电压给定除与网络反馈电压相抵的数值外，其差值用来调节发电机的无功电流输出，使其不平衡度限制在±10%。给定端还设有“低频减压”信号，当网络频率降至限制值，或本机组以怠速运转时，此信号的输入会削减发电机电压.另外，线路还有其他保护功能：逆功率限制在7%,延时10s;过电压限制在30%,欠电压限制在12%,延时100ms跳闸；过频率6Hz,低频率4H₂.延时100ms跳当网络框用总功率(有功及无功)超过运行发电机额定值的95%时，功率限制环节发出信号，并使晶闸管变流器的触发延迟角后移，以防发电机过载，某直流电传动钻4电压给在23l图15-12发电机电压调节系统框图2.直流全数字控制系统由于数字调速控制技术的迅速发展，直流电动钴机的模拟控制系统所能实现的功能，全部可用全数字控制系统代替。全数字控制系统具有控制精度高，可以实现模拟控制系统难以实现的控制策略，从而提高了控制性能，实现工艺组合容易，调试简单，具有自诊断，无温漂，故障率低，运行可靠性高，容易通过数据通信实现网络控制系统等一系列优点，因此近年来在电驱动钻机上得到了大量应用，可以说，现代先进的直流电第15章电气传动的工业应乐9731与柴油机2号柴油机3号柴油机4号柴油规受电11发!发电T发电机泛预部传女供电MCC用电单元F!LiL?电磁病流制动器驱动钻机基本1全部都采用了全数字控制系统，而模拟控制系统已经逐步被淘汰或换代政造。3.交流变频控制系统随着交流变频技术的普及，交流变频调速数字控制系统由于具有动态性能好、功率因数高、效率高、谐波小等优点，在电传动钻机应用上发展迅速。交流变频调速数字控制系统不但能够实现直流数字控制系统的全部功能，而且绞车和自动送钋电动机能够容易地实现能耗制动四象限运行，因此可以取消电磁涡流制动器，简化机械结构，减少了投资。系统可以自动投入制动，制动迅速平稳，零速输出额定转矩，从而不借助制动器实现“悬停”功能及快速停车与正反转，工作安全可靠。交流变频传动系统应用于钻机工况，有“一对一”和公共直流母线两种配置方案。所谓“一对一“,即一套完整的变频器给一台电动机供电，或通过切换给另外一台电动机供电，而公共直流母线方案则是由一台或多台变流器提供共用的直流电源，供给各个逆变器。采用公共直流母线方案，有利于减小装置体积，能够合理利用不同负载有功及无功功率，从而降低考虑到泥浆泵的实际工况，有的钻机系统还采用绞车、转盘用交流变频控制，而泥浆泵用全数字直流传动的所谓混合传动方案。典型的交流变频调速传动钻机动力系统单线图见图15-14。典型的交流变频调速传动钻机控制系统.一般是绞车和自动送钻电动机采用有速度传感器的矢量控制模式的交一直一交SPWM变频器，转盘电动机和泥浆泵电动机采用无速度传感器的矢最控制模式的交一直一交SPWM变频器。所有的变频器、PLC主站、PIC从站、触摸#、上位机之间，通过现场总线将整个系统连成…个网络控制系统，自动化水平显著提高。某钻机的现场总线通信网络系统见图15-15,采用了适用于控制设备与现场控制设备之间4.现代先进钻机控制系统的新功能4.现代先进钻机控制系统的新功能(1)电子司钻现代先进电驱动钻机的司钻工操作方式有了1)用触摸操作屏实现数字给定。用触摸操作屏作为司钻工的操作平台，取代了传统的以转换开关及手轮组成的司钻台，实现了数字给定，提高了给定信号的图15-15现场总线通信网络★辅助G3)大工控机图15-14交流变频调速传动钻机动力系统葱SIMATICS7-3001M精度和可视性，界面友好，操作简单可靠，具有误操作提示保护功能。各种画面和数字显示信息量大，不但显示重要的钻井参数、传动系统运行状态及重要参数曲线、实时大钩位置、故障报警信息提示；更重要的是，对一些容易忽略的操作细节，以对话方式提醒司钻工进行2)钻井中的关键部位，采用工业电视监视。3)实现所有钻井参数的数字显示、存储、打印功能，可存储打井期间的整口井的完整资4)实现一体化钻井参数实时采集。传统钻机的钻井参数是分散采集、分散显示的。计算机技术的使用做到了所有钻井参数的一体化实时采集、显示、存储，诸如悬重、钻压、泵压、泵冲、井深、钻速、转盘转矩、变频器参数、立管压力、液压猫头压力、泥浆返出量、4个泥第15章包气传动的工业应用9755)原手动的气控、液控阀门，均改为电气控制，其执行机构改为电磁阀，提高了自动化程度，如刹车控制、上扣卸扣控制等。(2)大钩位置控制由安装在滚筒上的编码器实时检测大钩位置，由PLC分析运算实现位置控制，使绞车工作时可靠地实现了自动减速及自动停车，防止大钩上碰下砸；并可实时精确指示大钩当前位置，方便操作人员的操作，缓解了劳动紧张程度；同时还可实现自动起(3)自动送钻所谓自动送钻，就是通过控制钻压(WOB)并保持其恒定实现自动钻进，这时钻进速度(ROP)为变化量。自动送钻有两种实现方式：一种是设置专门的送钻电动机及其传动系统实现自动送钻；另一种是通过绞车传动系统实现自动送钻。恒钻压控制精度一般小丁±5kN(±500kgf),使用效果很好。(4)软泵功能泥浆泵一般是使用双缸或三缸活塞泵，钻井中有时两台或三台泥浆泵同时工作。这样，泥浆输送管网中就要承受较大的压力脉动。所谓“软泵功能”就是通过检测泥浆泵轴的角位置来跟踪活塞位置，实现对两台或三台泵的“角同步”控制，达到保持管网中的压刀脉动峰值相位错开的日的，这样，两台三缸泵就相当于一台六缸泵、三台三缸泵就相当于一台儿缸策的压力脉动，使泵压脉动大幅度降低，一般情况下，泵压脉动可降低60%以上，同时可有效消除泵冲频率的波动.从而提高了泵和泥浆系统的寿命。在交流变频钻机中，通过检测泵的相位角，采用相应的控制手段，同样能够实现这种要求。(5)转盘软扭矩控制在深井钻机的钻进中，由于钻杆传递扭矩时的扭曲变形，如果转盘抓矩突然消失，将导致钴杆快速反转，可能出现卸扣引起的事故。转盘的“软扭矩控制”就是要使转盘扭矩保持缓慢的消失。除了速度给定环节要做到给出缓慢的减速过程之外，在速度环和电流环之间，通过软件控制转盘扭矩的下降过程，就可以达到软扭矩控制的要求。实际上，虽然设置有这样的转盘软扭矩控制环节、机械的惯性制动作为后备保护还是必需的。(6)全自动钻机系统通过设置基本钻井参数、无需手动控制和操作制动手柄即可完成钻井作业，从面提高了钻机安全永平和钻非的经济性、节省钻井时间和维护费用。(7)远程诊断与维护利用现有的通信网络，时以建立钻机系统与专业技术支持的在线远程联系，从而快速、准确地进行在线诊断与维护，对于长期野外作业的钻井系统尤为适用。(8)预部传动顶部传动(TDS)技术是转盘钻机问世以来，钻井设备发展的突出成果之。所谓顶部驱动，就是把钻机动力部分由下面的转盘移到钻机上部的水龙头处，在井架空间上部直接传动钻具旋转，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液，从而大大提高钻井效率，并可预防卡钻事故发生，用于钻斜并、钻高难度的定向非时，效果尤为显著。日前提供的转盘钴机电控系统大都预留顶部驱动接口。顶部传动钻井设备的传动方式以电传动为主，电动机功率一般在1000kW以内，并以交流变频电传动为主导发展方向。管线用来输送原油、石油化工原料、石油制品、天然气、泥煤等流体。其输送能力与管径和输送距离相适应，是定范闹输送。输送中能量消耗少，可以连续输送，而且安全可靠。输送距离从数下米到数下千米，油管门径为100～1500mm。因输送的流体或用途不同，有原油管线、产品管线、气体管线等。明游谛常!明游谛常!线功976电气传动自动化技术手册 1.管线设施管线设施是按照计划，准确安全地输送流体的设施，管线设施采用集中控制系统，这是一个包括保护设备在内的自动化监控系统。管线上装有泵、各种阀门、计量仪表、保护设备等，在全长数百下米的长距离管线上，从起点站到终点站之问要设置10～20个加压站。在起点站和加压站中装有数台加压泵，终点站装有贮油罐和出油设备。为了在发生漏油事故时能抑制漏油过，在城市近郊约每隔1km以及穿过河流两侧设置阀门站，内装紧急切断阀.图15-16为管线设施构成图。2.电气设备起点站装有3～5台泵，串联运转。由于管内有摩擦损耗而使压力降低，为此在管线上要中联地安装加压泵，以补充压力，把流体输送到终点站、为把危险分散和调节流量起见，各站装有多台容量相同的泵。泵一般用电动机传动，供电困难的泵站，有用柴油机或燃气轮机传动的。因流量、输出压力和吸入条件不同.采用双吸单级或多级式、蜗壳式离心泵，它们由数百原酒贮油罐地区至数千干瓦的高速电动机(主要是两极电动机)图15-16管线设施直接传动，正常运转时，压力调节阀完全打开，故大流量控制是通过投入台数控制来进行的，用恒速电动机传动。鉴于情况不同，也有把数台电动机选择为调速电动机与台数控制相结合的流量控制方式。恒速电动机采用三相笼型异步电动机或同步电动机，调速电动机用交流中级调速的绕线转子异步电动机等。山于经常与易燃液体接触，故多将它们装于户外，有时也要求用低噪声电动机。外壳结构采用全封团外冷式或开启式：当要求防爆时，应采用防爆型电动机，紧急切断阀采用电动液压式或气动式。(1)生产过程将原油脱盐，在常压蒸馏装置中加热、蒸馏，通过物理与催化剂化学的处理，精炼成可燃气体、工业和汽车用汽洲、喷气式发动机燃料、煤油、重油；此外，将常压残油用减压蒸馏装置提取润滑油馏分、溶剂精制、脱蜡、加氢精制等少骤制成多种润滑油，图15-17为石油精炼工.艺过程的示例。燃料气T业用汽汽车用汽油燃料气T业用汽汽车用汽油喷气机燃料煤油常蒸化雨T氨脱硫真油混精1淮滑油溶辉悦源背之类外，尚配备有辅助设备、原油输入和贮油罐设备.产品出厂和油罐设备、以及安全和防止：公害有关的设备等。用管道把塔罐、换热器和加热炉等连接起来，管道中连续地流动着流体或气体。在上述设备中，安装了各种检测仪表，用电子计算机进行连续自动控制、集中远距离监控：用于精制油的动力和生产的电力、蒸汽、冷却水、工业用水、空调设备等辅助设备很庞大，蒸汽即是自备发电用汽轮机、泵、压缩机的动力，还用于生产过程中。此外，尚第15章电气传动的工业应用977配备有：制氢设备、制造副产品硫磺的设备、降低重油含硫量的重油脱硫设备等。对所用电气设备主要有以下几点需注意的事项：1)因要求长期连续运转，所以设备应维护方便、坚固、损耗小。2)因处理的是可燃性流体或气体，故要根据设备安装场所的气体情况考虑设备防爆性能，特别要注意确定哪些安装地方的环境条件是危险场所。若有腐蚀性气体的场所，还要求设备3)生产过程的设备多装丁户外、有的情况下，特别是为防止公害，也要求低噪声。4)儿乎都用汽轮机或电动机传动，…般要设置数台，其中有一台是保证安全生产的备用机。因这台备用电动机长期不用，故应有防潮性能。根据以上要求，通常多用三相笼型异步电动机，几乎都为防爆型。它们大多不要求调速，以恒速电动机为主，有全封闭白冷、全封闭他冷式结构。…般，数百下瓦以下的中小容量电动机多用直接起动。所用的泵有离心泵、回转泵、往复泵等，但其中用得最多的是离心泵，它是利用安装在高速旋转轴上的叶轮把液体压出，再顺轴向吸人流体的泵，用两极三相笼型电动机直接传动。压缩机用透平式或往复式，转速较低、容量较大的往复式压缩机用三相笼型异步电动机或同步电动机传动。矿井提升机也称矿井卷扬机。作为井上与井下的唯一输送通道，使得矿井提升机成为矿山的关键设备之一，也是矿山的咽喉部位。矿井提升机运行性能的优劣，不仅直接影响到矿山的正常生产与产品质量，而且还与设备及人身安全密切相关。矿非提升机种类繁多，按照井道结构分，有立井与斜井；按照传动电动机分，则有交流传动与直流传动提升机；按容器功能分，则有箕斗与罐笼，箕斗又分为单箕斗和双箕斗，罐笼也有单罐笼和双罐笼，还有单层和双层罐笼之区别；按钢丝绳结构方式分，则有单绳圆柱滚简提升机和多绳摩擦轮提升机；按矿井功能分，还可分为主井(输送矿产品)与副开(输送人员、材料等)提升机；按停车点的多少分，又有单水平和多水平提升机。早在1894年，AEG公司曾为西格兰德矿井提供了第一套配有直流发电机-电动机系统(G-M系统)的矿井提升机，直到1965年，世界各地要求较高或容量较大的矿片提升机都一直沿用这类系统，此后，由于电力电子技术的发展，特别是品闸管的出现，对要求较高、容量较大或多水平开采的矿井，其提升机几乎都采用了晶闸管变流装置供电的直流传动系统(V-M系统)。以交流电动机组成的交流传动系统，亦大量地应用于提升机。但就我国目前情况看，国产的交流传动矿井提升机大部分仍采用较老的控制方式：它是在线绕转子异步电动机的转子回路中市入多级电阻(也有用水电阻的),逐级切除电阻，实现分级调速；减速制动多采用能耗制动方式；至于停车前的爬行段，常需另外增加一套附加装置，它可以是小容量异步电动机、或低频(5Hz)电源。这类系统的控制性能不够理想，而且消耗大量的电能，从节能观点出发，是不利的。这类系统一般仪用于容量不大、控制要求不高的单水平矿井提升机。从技术发展的角度看，由于电力半导体器件及微电子技术的发展，特别是交流传动失量控制(VC)与直接转矩控制(DTC)理论的出现及成熟应用，近年来，变频调速技术已成功地应用到提升机中。国外已将交-交变频调速系统或具有四象限性能的交-直-交变频调速系统应用于矿井提升机，但与直流传动系统相比较，主要还是成本偏高，故在复杂的、要求较离的、多水平、大容量的提升机中，占主导地位的仍是直流传动系统。15.2.2提升机对电控装置的要求不论单绳圆柱形滚筒提升机或是多绳摩擦轮提升机，对电控系统的要求基本上是相同的。提升机及电控装置原理框图见图15-18所示。提升机属于往复运动的生产机械，对于单水平提升系统，在每次提升循环中，容器的上升或下降的运动距离是相同的；对于多水平提升系统，在每次提升循环中，容器的上升或下降的运动距离是不一定相同的。提升机对电控装置有下述要求：1.要求满足四象限运行提升机电气传动系统的给定速度p=f(t)见图15-19。根据动力学方程式，可以得出要按给定速度图运动所需转矩T.=f(t)的变流器M2图15-18矿井提升机及电控装置原理框图M一直流电动机TC一速度传感器T…滚筒1-容器12一容器2特性，从而可得到传动系统所需的力F=f(t),提升机的负载静力F,决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双容器的平衡提升系统中，静力F₁也就是提升物的净载重。由于提升系统的负载为位势负载，所以静力F,的作用方向始终是提升电物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的容器处于停止状态(使于容器的装卸载),对滚筒必须施静力的作用方向与容器1装载还是容器2装载有关。为了分析问题方便，设容器1载重时，传动系统受到的静力F为正，容器2载重时，静FF图15-19提升机传动系统给定速度与力图力F,为负；容器1上提(或容器2下放)时，电动机为正向运转，反之，容器1下放(或容器2上提)时，电动机为反向运转。动态力Fa决定于传动系统按给定速度图运行时所需的加速力矩Ta。若为容器1上提，当负载变化时有四种力图；(1)容器2空载、容器1载重，且净载重量较大(F<FL)。其给定速度图与力图见图在加速段F₁=F+Fa>0第15章电气传动的工业应用979在减速段F₃=F+Fa>0(Fs<0)根据此力图可知，电动机在各阶段均工作在正向电动状态。(2)容器2空载、容器1载重，但净载量较小(F>F)。其给定速度图与力图见图15-在等速段F₂=FL>0根据此力图可知，电动机在加速段和等速段，工作在正向电动状态；在减速段，将工作在正向制动状态；在爬行段，又要工作在正向电动状态。也就是说，在容器1上提的运动过程中，电动机的运行状态应切换两次。z;F(3)容器1空载、容器2载重，且z;F静载量较小(Fm>FL)。其给定速度图在等速段F₂=F₁<0a)b)在减速段F₃=F+F<0(F₄工作在正向电动状态；在等速、减速和爬行段，电动机均工作在正向制动状态。图15-20在不同负载下的给定速度与力图(4)容器1空载、容器2载重，且静载量很大(Fa<F)。其给定速度图与力图见图15-20d。在等速、减速和爬行段，F均为负力。根据力图可知，电动机在整个提升过程中，始终工作在正向制动状态。综上所述，在容器1上提时，要求电动机按给定速度图运动，电气传动系统应能根据负载的变化而自动地工作在正向电动或正向制动状态。同样，在容器2上提时，要求电动机工作在反向电动或反向制动状态，也就是说，要求电气传动系统能满足四象限运行。2.要求平滑调速且调速精度较高提升工艺要求电气传动系统能满足运送物料(达到额定速度)、运送人员(可能要求低于额定速度)、运送大件和炸药(2～3m/s)、检修运行(0.3～1.0m/s)对于调速精度，提升机一般要求静差率较小(例如在高速下S<1%),这是为了使系统在不同负载下的减速段的距离误差比较小。这样爬行段距离可设计得尽可能短，从而在保证安全和准确停车的条件下，获得较高的提升能力。3.要设置准确可靠的速度给定装置提升工艺要求电气传动系统的加减速度平稳。根据980电气传动自动化技术手册保安规程，对矿井提升机的加速度、减速度都有一定的限制，其限制值见表15-2。允许加减速度喉井斜井另外，为了提高提升设备的使用寿命，减少乘员对加、减速度的不适反应程度，降低提升机加、减速时的电流冲击，还应对加速度及减速度的导数(加速率)a进行限制。也就是说要求提升机按S形速度曲线实现加速和减速。S形速度给定曲线及相应的力图见图15-21。S形速度给定曲线可由以下儿种方法产生：H模拟电子电路按时间原则来产生；山凸轮板控制自整角机电路按行程原则产生；利用计算机按行程原则产生。矿井提升机电气传动系统实质上是一个位置控制系统，容器在井筒中的什么位置该加速、等速、减速，肥行，都有一定的要求。也就是说，根据容器在井筒中的位置确定给定的速度，这就是按行程原则产生速度给定信号。显然，利用计算机按行程原则产生S形速度给定信号是比较理想的，也是比较容易实现的，4.要设置行程显示与行程控制器为了便于提升机司机操作，电挖装置应设置可靠的提升容器在井筒中的位置显示装置(又称深度指示器)。老式深度显示装置常采用牌坊指针式和圆盘指针式深度显示装置；新式深度显示装置则采用数字显示装置。另外，提升机电控装置应设置可靠的位置检测环节，准确地检测出提升容器在井筒中与减速点、停车点及与过卷相对应的位置，以便控制提升机能可靠地减速、停车。为了可靠起见，通常位置检测都同时采用几种不同的手段，以实现冗余控制。5.要设置完善的故障监视装置提升机对其电控系统的可靠性要求很高，因为提升机旦出现故障，轻则影响生产，重则危及设备安全和人员生命。电控装置的高可靠性表现在两个方面：…是电控装置质量很好，故障很少；二是出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容(即使是单次)进行记忆和显示，以便能迅速排除故障。通常提升机故障监视内容少则儿十项，多则数百项。6.要设置可靠的制动器控制电路提升机的机械制动器是提升机安全运行的最后一道屏障，因此，要求机械制动器的控制电路可靠。提升机的机械制动器大多采用液压控制的盘形制动器、盘形制动器的控制分为工作制动(习称工作闸，由司机的制动把于控制)和安全制动(习称安全闸、由安全电路的继电器控制)。工作制动是在手动操作或在白动操作方式下作为正常停车的手段；而安全制动是在系统出现故障时使运行状态下的提升机快速地减速停车、静止状态下的提升机不能松开制动器所采取的手段。安全制动又分为·级制动和两级制动和恒减速制动。当提升容器在井筒中而离停车点较远时，若系统出现故障而需要紧急制动时，应用二级制动和恒减速制动。所谓两级制动，就是制动力矩不是一次全加到间盘上的，而是分两次，这样紧急制动时的减速度比较小，对机第15章电气传动的工业应用981械设备的损伤小，容器在紧急制动后要滑行一段才能停下米，所谓恒减速制动，就是制动力矩根据提升速度、转矩大小连续地从小到大依次施加到闸盘上的，是无级的连续制动，对机械设备的损坏更小，制动更平滑。当提升容器在井筒中而离停车点较近时，若系统出现故障而需要紧急制动时，应采用…级制动。…级制动时，制动力矩大，在紧急制动时滑行距离短。目前在先进的提升机上都普遍装备有制动力可调的恒减速制动装置。15.2.3提升机直流发电机-电动机传动系统这种传动系统是多年来具有代表性的传统的电气传动方式，见图15-22。控制直流发电机的励磁，实现电动机变电枢电压调速，均匀地调节励磁电流和极性，可以方便地实现转速无级调节和四象限运行。当系统作提升重物运行时，发电机的端电压U:极性见图15-22,而且l>Ey,电动机处于机械特性第一象限，处于当提升空罐笼时，由于平衡重的重量大于罐笼或箕斗本身的自重，电动机处于发电状态，这时Ew>U;,电枢电流反向流通，将机械能变成电能回馈电网。电动机运行于机械特性的第二象限。当空罐笼(或箕斗)下降时，则相当于电动机提升平衡重，电动机反转运行在第三象限，罐笼(或箕斗)电动下降，电能变为机械能。当重罐笼下放时，罐笼总重大于平衡重，电动机在反转情况下进人发电状态，从而使罐笼按给定速度下放，这对应图15-22直流发电机—电传统的发电机励磁电流控制方式是：由前级放大器控制电机扩大机的励磁，来控制电机扩大机的输出电压，从而改变发电机的励磁电流大小及极性，实现系统四象限运行。这种传统控制方式的优点是调速平滑、稳定，调速范周较宽，便于将机械能变为电能回馈电网。若变流机组的原动机采用同步电动机，尚可改善矿并供电电网的功率因数。缺点是变流机组噪声大、直流发电机的电制和换向器维护工作量大、运行效率低、设备投资大、占地面积大、基建费用高、耗费金属量大。因此，这种旋转变流机组的传动方式，目前几乎已完全为电力半导体变流装置所取代。15.2.4晶闸管变流装置供电的传动系统利用品闸管变流装置可组成可逆传动系统，实现四象限运行，其机械特性与上述变流机组供电系统基本相同。这类系统的优点是响应快、效率高(运行效率可达0.95左右)、节能、维护工作量小。其主要缺点是功率因数低，变流装置产生较多的谐波，容易对电网产生污染，导致电网电压波动和波形畸变，对其他用电设备造成干扰。当电动机励磁电流恒定时，电动机转矩的人小和方向是靠改变电枢变流器输出电流的大小和方向实现的，其特点是转矩的反向快(由于电枢电流的反向快),欲实现四象限运行，必须采用两组反向连接的变流装置，一般多为直接反并联的两组6脉波或12脉波的全控桥，见982电气传动自动化技术手册图15-23a。这就是常用的电枢换向的可逆调速方案。容量较大的提升机，也可采用磁场换向的可逆调速方案，这时电枢回路中只用一组大功率变流装置，由于励磁容量一般较小，不超过电动机容量的10%。因此，虽然励磁多用了…组变流装置，但因容量小，造价低，故使总投资减少，但其快速性远比电枢可逆的差。不过，由于矿井提升机是钢丝绳软连接，对快速性要求不是很高，一般要求提升机由正向最大转矩变化到反向最大转矩的时间约为0.6～Is,变化过快反而不利，容易引起钢丝绳打滑或产生强烈的机械冲击。这时，为抑制电磁惯性的影响，可采用3～5倍的强励予以补偿，见图15-23b。不过在现在的制造技术进步的条件下，两种方案总造价的差别已不很显著了。至于电枢可逆还是磁场可逆的容量分界线，并无严格规定。按照目前国内的制造水平和市场价格分析，一般认为容量在2000kW及以下使用电枢可逆方案、容量超过2000kW以上使用磁场可逆方案，图15-23晶阐管变流可逆调速系统的两种方案15.2.4.1电枢换向的晶闸管变流可逆调速系统容量较小的提升机一般采用6脉波电枢可逆电路，它由三相全控反并联整流桥电路构成；较大容量的提升机--般采用12脉波电枢可逆电路。1.12脉波可逆整流电路可以有并联12脉波和串联12脉波两种选择：图15-24并联12脉波电枢可逆电路图15-25串联12脉波电枢可逆电路(1)图15-24是并联12脉波电枢可逆电路的例子。它由两组相位相差30°电角度的6脉波电枢可逆整流电路并联组成。整流变压器可为两台双绕组变压器，其联结组标号分别是Dd0和Dy5,也可以是一台三绕组(双二次绕组)变压器，其联结组标号为Dd0y5;因为整流变压器的二次绕组之间相位相差30°电角度，两组整流电压的瞬时值不相等，所以要加入平衡电抗器，以使两台变流装置得以均流；电路中需使用两台直流快速断路器。第15章电气传动的工业应用983(2)图15-25是串联12脉波电枢可逆电路的例子。它由两组相位相差30°电角度的6脉波电枢可逆整流电路串联组成。整流变压器可为两台双绕组变压器，联结组标号分别是Dd0和Dy5,也可以是一台三绕组(双二次绕组)变压器，其联结组标号为Dd0y5。串联12脉波方案一般用于需要满载半速运行的场合，例如用于主井箕斗提升，当任一个中联回路的某一部分故障时，可切除故障凹路，变作6脉波运行，这就是说此时只有1/2额定速度、额定工作电流运行。但在满载半速运行的场合，其整流变压器须为两台双绕组变压器，以便切除故障回路。电枢换向的可逆调速系统，不论电枢采用6脉波还是12脉波电路，其恒定磁场电路一般都采用不时逆可控整流，实现磁场电流的恒流控制。2.电枢换向的晶闸管变流可逆调速系统的结构框图电枢换向的逻辑无环流可逆调速系统框图见图15-26。调速系统的调节电路山电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双闭环调节系统来实现；提升机的转矩、速度的大小及方向金部由对该电动机电枢供电的电压、电流的控制来决定，调节过程简单。正组整流桥UF和反组整流桥UR的触发脉冲由一套触发电路产生，两组桥的切换是通过对两组桥的脉冲通道的控制来实现的，而两组脉冲通道DF和DR是由无环流逻辑控制器DLC来控制的。无环流逻辑控制器DLC根据电动机运行状态的要求，发出开通何组脉冲、封锁何组脉冲的指令，可靠地实现无环流逻辑切换。对于无环流逻辑控制器的要求是：电流给定信号(速度调节器的输出)的极性是逻辑切换的依据；零电流信号(包括检测到原工作桥的电流小于某一个规定值时的零电流检测和使用晶闸管导通角θ检测电路进行的零电流确认)决定了逻辑切换的时刻；发出零电流信号后，须经过封锁延时时间才能封锁原导通组的脉冲，再经接通延时时间后，才能接通另一组脉冲；无论在任何情况下，两纽品闸管绝对不允许同时施加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须被封锁。3.双电机驱动的主从控制当提月机的容量较大(如3000kW以上)时，为了减少转子转动惯量对控制性能的影响，常采用双电动机同轴传动，这时两台电动机必须保持力矩动静态平衡(力矩大小、方向均相同),从而避免出现反扭和系统振荡，解决这一问题常用的控制方法为“主从控制”。在并联12脉波的场合，电流控制的方法是：两组6脉波整流桥是两个独立的电流环，由ASH-速度调节器BPC—极性变换器ACR—电流调节器CT--触一个速度调节器的输出同时作为这两个发器DF、DR--正、反向组脉冲通道DIC—无环流逻辑控制器电流环的给定，而两个电流环的静态、PCA—0角检测器TA—电流互感器BC—电流变换器动态特性调整得一样，这样可以获得两组6脉波整流桥的输出电流平衡。这就是常用的“主从控制”方法，其中主控制器是包含速度调节器、电流调节器的完整的双闭环系统，而从控制器只保留了电流调节器。但在串联12脉波的场合，因为是串联，两组桥电流相等，所以主控制器是包含速度调节器、电流调节器的完整的双闭环系统，而从控制器只保留了转矩方向判断、换相逻辑、脉冲触发环节。主控制器的速度调节器输出作为从挖制器的转矩方向、换相逻辑的给定，主控制器的电流调节器输出作为从控制器的脉冲触发的给定。两纽6脉波整流桥的同步信号相差304.四象限运行的实现电枢换向的V-M可逆调速系统中，电动机四象限运行的分析见图正向电动状态：正组桥UF.T.作在整流状态。假设其输出电压(m为正极性，建立正向的电枢电流Ia,电转，电枢产生正向的反电动势E,JHla>E,电动机工作在第一象限，正向发电制动状态：电动机因惯性仍继续正向运行，或提升机正向下放重物，电枢反电动势E仍为正极性。反组桥UR工作在逆变状态，HUu<E,电动机电枢电流1反向，电动机产生反向转矩T.,电动机运行在反向电动状态：反组桥UR工作图15-27电枢换向的品闻管变流可逆调速系统四象限运行分析反向，电动机建立反向转矩T.,电动机反向运转，E为负极性，且E<Ua,电动机运行在第反向发电制动状态；电动机反向运转，E仍为负极性，正组桥Ur工作在逆变状态，HUo<E,1,为正向，T。为正向，电动机工作在第四15.2.4.2磁场换向的晶闸管变流可逆调速系统此方案中，电枢回路的整流器只需要一组(一般采用并联12脉波或串联12脉波的全控整流桥),电枢电流的方向是不变的，转矩极性的改变是靠改变励磁电流的方向实现的，因此磁场供电的整流器必须是两组反并控制的三相全控桥反并联电路。速系统某结构框图见图15-28。它图15-28磁场换向的晶闸管变流可逆调速系统第15章电气传动的工业应用985由电枢整流控制电路和磁场整流控制电路组成。电动机转矩、转速的大小及方向不仅决定于电枢电流与电压，还与励磁电流大小与方向有关，因此带来一个电枢与磁场协调控制问题。尽管电枢电流与励磁电流的给定值都是由速度调节器给出，但由于电动机磁场的时间常数远比电枢的时间常数大，故变换过程将不一致，导致了这种系统控制较为复杂。速度调节器ASR输出信号的大小和极性，表示系统对电动机转矩的大小和极性的期望值。把这个信号分为两路，用来分别控制电枢电流和励磁电流。由于电枢电流不能反向，所以转矩的反向是靠励磁电流的反向来实现的。电枢整流器的控制电路是典型的双闭环调节系统，只是在速度环内多设置了一个绝对值变换器，将速度调节器的输出双极性的信号变成单极性的电枢电流指令信号。励磁电流的控制是要按照速度调节器的输出信号极性使励磁电流快速反转极性，从而实现四象限运行。由于采取了强励措施，励磁电流在满磁给定下的动态响应时间约为0.2~0.4s。励磁电流给定值调节器AFG是一个比例调节器，并带有正、负限幅，它的输出极性表示期望的励磁电流极性、它的大小表示期望的励磁电流大小；AFG的比例系数大小决定了在电枢电流为何值时励感电流开始反向，限幅值决定了励磁电流满磁时的电流值。而磁场逻辑控制电路DLC是用来对磁场可逆电路进行可靠的无环流逻辑切换控制。2.转短换向过程转矩换向的静态特性见图15-29。转矩的反向过程是：当速度调节器ASR的输出信号由正变负(即要求转矩由正变负改变方向)时，首先是电枢电流由大变小而励磁电流保持正向满做不变，电动机正向转矩下降；当电枢电流下降到某一预定值时，励磁电流开始下降，并且它与电枢电流同时下降、同时过零点；接着由于绝对值变换器的作用，电枢电流山零开始正向上升，而同时励磁电流由零向负增加；到电枢电流增大到预定值时励磁电流达到反向满磁，电动机反向转矩增加，直到达到期望值。可以看出，在励磁电流由正向满磁变到负向满磁的变化过程中，由于电枢电流也在变化，并且它的值很小，因此这个区间的转矩是很小的，也就是说，造成了转矩的失控区。但由于系统惯性很大，只要参数调整合适，不会影响提升机的正常运行。986电气传动自动化技术手册3.四象限运行的实现磁场换向的晶闸管变流可逆调速系统中，电动机的四象限运行分正向电动状态：励磁整流器的UF桥工作在整流状态，假设建立正向励磁电流ir,电枢整流器u桥工作在整流状态，其输出电压l为正极性，产生正向转矩，电动机正向运行，建立正极性的反电动势E、U₁>E,E向发电制动状态：电动机仍为正向运行，励磁整流器的UR桥工作在整流状态，建立反向励磁电流i,反电动势E为负极性。电枢整流器U桥工作在逆变状态，其输出电压U。为负，且U<k。I₄方向不变，因i,反向而使电动机产生反向转矩，电动机运行在第二象限。反向电动状态：励磁整流器的UR桥工作在整流状态，建立反向励磁电流i,电枢整流器U桥工作在整流状态，其输出电压I。为正，电动机产生反向转矩，反向运行。反电势E为正极性，且U>E,电动机运行在第三象限。反向发电制动状态：电动机反转，励磁整流器的UF桥工作在整流状态，建立正向的励磁电流i,反电势E为负极性；电枢整流器U桥工作在逆变状态，其输出电压U。为负，且U。<E.I₄方向不变，建立正向转矩，电动机运行在第四象限。15.2.4.3矿井提升机晶阐管变流可逆调速系统的改进方案为了提高矿开提升机晶闸管供电的直流调速系统的技术性能和经济指标，国内、国外各厂家在上述调速方案的基础上对系统作了若干改进，形成各自的特色，主要有以下儿个方面：1.电流自适应调节当电枢电感较小(所选滤波电抗器电感量较小或不设滤波电抗器),或在电动机负载很轻时，会出现电枢电流断续现象。在电枢电流断续区，整流装置的外特性上翘，相当于使整流装置的等效内阻增加。电枢电流断续后，电流环近似为一个时间常数很大的惯性环节，电流调节过程变得很慢。同时，对速度环也有不利的影响：当电枢电流断续的程度比较严重时，系统稳定的条件不容易满足，可使速度出现低频振荡。为了保证系统正常工作，克服电流断续对系统动态性能的不良影响，在电流环内引入电流自适应环节是非常为了使调速系统在电流断续时与电流连续时具有同样的动态性能，就要求电流断续后的电流环的开环传递函数与电流连续时相同。据此，设计了能根据电枢电流断续的程度自动改变其动态参数的电流白适应调节器；有的系统还设置电流前馈环节，以政善电流断续区性能，均取得了较好的效果，在提升机直流传动系统中也得到了比较广泛的应用。2.速度自适应调节在磁场换向的V-M可逆调速系统中，当磁场换向过程中，有…段磁场电流脱离满磁的变化过程，此时磁场电流是变化的，而且小于额定励磁电流。但速度环的动态校正方法一般仍采用电枢换向(恒定磁场)的直流调速系统的校正方法，由于磁通的减小，使得速度环的开环增益减小，致使速度环的截止频率减小，响应变慢，又使速度环的相角裕量减小，稳定性变差，超调量变大，有可能出现低频振荡。为了解决磁场换向的直流可逆调速系统在弱磁时出现的稳定性变差的问题，速度调节器可以改用自适应调节器，即让速度调节器的比例系数随磁通的变化而自动地改变，从而保证在磁通变化时速度环的动态性能不变。在矿井提升机传动系统中，也有使用速度自适应调节的例子。3.转矩的单值调节对于速度、电流双闭环调速系统中，速度调节器的输出信号的大小和极性，表示系统对电动机转矩的大小和极性的期望值。在提升机的电枢换向的可逆调速系统中，转矩的调节是在恒定磁场前提下，按照速度调节器的输出信号的控制.由电枢电流的调节来完成的。转矩与速度调节器的输出信号是成正比的，呈线性关系，即转矩由速度调节器的输出信号单值控制，也就是说转矩是由电枢电流单值调节的。但在提升机的磁场换向的可逆调速系统中，情况却不相同：速度调节器的输出信号分成两路，分别去控制电枢回路和励磁电路。在励磁电流为正或负的满磁情况下，这和电枢换向的可逆调速系统一样，转矩是由电枢电流单值调节的。可是，在励磁电流换向的过程中，电枢电流和励磁电流是同时变化的，转矩是由电枢电流与励磁电流的乘积决定的，所以转矩与速度调节器的输出信号呈二次方关系。在此区间内，转矩是很小的，对系统的动态调节是不利的。欲改善这种关系，可以在电枢回路巾设置电枢电流最小值限制电路，构成转矩的单值调节，就是在调节电枢电流时，磁通不变；在调节磁通时，电枢电流不变。具有转矩单值调节功能的磁场换向的直流可逆调速系统见图15-31。电枢电流最小值限制电路的特性，见图15-32。采用转矩单值调节后，转矩换向的静态特性，见图15-33。图15-31其有转矩单值调节功能的磁场换向的直流可逆调速系统图15-32电枢电流最小值限制电路的特性图15-33采用转矩单值调节后转矩换向的静态特性988电气传动自动化技术手册采用转矩单值调节，有利于系统的动态校正；并且一般电枢电流最小值的限制都取得较大，约为电枢额定电流的0.3～0.4倍，使得电枢电流连续所需的电感量可大为减小，因而可减小滤波电抗器的体积，其至不用滤波电抗器。4.复合控制在反馈控制系统中，是靠偏差信号来控制的。因此，为了获得较好的动态品质，只能希望动态偏差小一些，却不可能使偏差为零。为了提高系统的精度和稳定性，常在反馈控制系统中增加一个附加的前馈校正(称为复合控制)。在矿井提升机直流可逆调速传动系统中，采用复合控制是基于以下二个方面的考虑：消除速度误养，消除由静转矩产生的在初加速段及初等速段的速度跟随误差，防止在开车初期产生的提升容器下坠。在反馈控制系统中，速度给定与速度反馈的误差信号经过速度调节器，其输出信号直接加在电流调节器的输入端作为电流环的给定信号。前馈控制是在此基础上，把速度给定信号通过新增加的前馈环节，其输出信号再叠加在电流调节器的输人端。只要把前馈环节按照不变性条件去设计，并且精心调试，就能提高系统的跟随精度，做到跟随误差为零。15.2.4.4矿井提升机晶闸管变流可逆调速系统的全数字化控制全数学化调速系统与模拟系统相比具有如下优点：1.提高了调速性能由于测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制，复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制2.提高了运行可靠性由于硬件高度集成化，所以零部件和触点数量大大减少；很多功能都由软件来完成，使得硬件得以简化，因此故障率大大减小。另外，数字电路的抗下扰能力强，不易受温度等外界条件变化的影响，没有工作点的温漂等问题，所以运行的可靠性高。3.易于维修由于计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。4.提高了自动化程度全数字控制系统均具有完善的通信功能，使传动级与基础自动化实现可靠接人，从而构成具有很高白动化程度的完整的控制系统。5.易于组态由于全数字系统提供了非常丰富的标准功能块，可以任意组态和连接，这为构建各种不同的控制结构创造了条件，因此适用性更广。典型的全数字控制简图见图15-鉴于上述原因，日前现代的直流电气传动系统已经全面地由模拟控制换代为全数字控制系统。述的矿井提升机所有的直流传动系统，原先广泛使用的模拟控制方式已经全部被淘汰。它只存在于早期建造的工程项日中，正面临着换代改造；新上项日已经毫无例外地全部使用全数字化控制系统。15.2.5无功补偿及谐波滤波器矿井提升机晶阐管变流器供电的传动方式，由于其容量大、负载变化剧烈，尽管有的已经配置了12脉波整流电路甚至24脉波整流电路，但网侧电流仍含有较多的谐波，以及功率因数的下降和无功的冲击(例如提升机的加速阶段);会造成波形畸变和电网电压波动，直接影响电网质量和并联的负载。解决的办法是设置谐波滤波器和无功补偿装置，以达到电力系第15章电气传动的工业应用第15章电气传动的工业应用力限龋地进市990电气传动自动化技术手册统规定的标准。常用的方法是设置无源谐波吸收和静态无功补偿装置，其投资较少，所增加的设备不多，谐波吸收的效果显著,基本上可以达到使用的要求。无源谐波吸收及静态补偿装置既能解决谐波的影响，又能解决无功静态补偿的要求。其结构见图15-35。按需要补偿的无功功率选配电容，把电容器分为若干组，每组串联适当电抗，调谐到对某一次谐波(5、7、11、13…次)串联谐振，专门吸收该次谐波。无源谐波吸收和静态无功补偿装置的设计原则是；按各电容器组的谐振频率下的容抗相差不多的原则来分配各组无功补偿量，计算容抗时，要考虑电抗器的影响；选配电容器的电爪要比电网电压高，需要留有一定的裕量。量固定。如果变流装置的无功功率变化大，而电源容量相对较小(短路阻抗相对较大),则可能会引起较大的母线电压波动。在负载很小时，因补偿容量偏大，会造成母线电压的升高，同时电网功率因数也会有较大的波动。为此，可设置无功动态补偿装置。其方法较多：品闸管开关控制投切电容器组、品闸管控制交流电抗器的无功电流、晶闸管控制自饱和电抗器的无功电流等等。虽然效果较好，15.2.6交流传动系统交流电动机与直流电动机相比有许多优点，但交流电动机由于其数学模型的非线形、强耦合，使得不容易实现平滑、无级、宽范围调速。对于控制性能要求不高的、单水平矿井提升机，简单的绕线转子异步电动机的转子回路逐级切电阻的交流传动系统被大量使用。对于控制要求高、大容量、低速直联传动的矿井提升机，若采用交流传动，则选择交-交变频和使用绕线转子异步电动机，在转子同路中串入多级电阻，用有级切换电阻的方法进行调速，这实质上是交流电动机的调压调速方式。虽然这种系统的损耗大、控制性能差，但其价格便宜，目前我国大多数矿井提升机还是采用此种方案。转子回路串入的电阻一般有三种：金属电阻、液体电阻和金属水冷电阻。提升机在减速段常出现负力，故多采用动力制动。这时电动机的定子必须从交流电网切断，另加直流电源装置给定子某·绕组供电，使提升机切换到动力制动区，电动机变为发电机运行，它将机械能变为电能消框在转子电阻上。制动负力的大小是流人定子的百流电流和转子串入电阻的函数。控制定子电流或转子电阻，则提升机的速度沿着一簇特性曲线下降到某…低速点。在制动减速时，都接入测速反馈，尤其是当直流电源采用晶闸管变流装置时，由于其动作迅速，使制动过程可以做到接近给定速度曲线。提升机减速完成后，转人速度很低的爬行运行，而且常常需要电动机作电动运行，故单纯的动力制动装置不能实现低速爬行。要解次此类问题，还需其他辅助设备。目前有脉冲爬行、微传动爬行和低频爬行三种方法：(1)脉冲爬行是在爬行阶段上接入大电限，手动或山动地多次通断电动机电源的方法。第15章电气传动的工业应用991这种方法由于机械特性较软，不易控制，多次通断电动机对机械和电气设备都会产生冲击，应用不多。(2)微传动爬行是加装一套微传动装置。它由容量较小的绕线转子异步电动机、减速器、气囊离合器和压气装置等组成，并与主提升电动机相连。在爬行段，主电动机脱离电网，接通微传动电动机，气囊离合