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钻机电气控制系统的基础知识,四川宏华石油设备有限公司培训部主讲：唐颖联系方式子邮件：hhcp,主要内容,石油钻机主要工作机特性钻机调速系统的组成钻机调速系统的分类交流调速系统相比直流调速系统优势调速系统基础知识防爆知识电气安全知识,石油钻机主要工作机特性,石油钻机的电控系统在满足钻井工艺性和运行经济性的条件下，要实现合理匹配钻井工作机和驱动它的动力机功率，从而合理匹配整个电控系统，首先必须要弄清楚各个工作机的负荷特性。钻机的三大工作机：绞车、转盘、泥浆泵的工作特性。,绞车对驱动传动的要求,绞车在工作工作过程中的载荷是变化的，每起升一根钻柱，载荷就变化一次。为了提高起钻速度，必须充分利用绞车所配备的功率。因此，绞车的理想起升曲线是一条双曲线。,注：G为大钩负荷，单位吨；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。,注：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。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。,功率器件GTO、IGCT：集成门极换流晶闸管,采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降，价格较高，也不利于串联。IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors)是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且造成本低，成品率高，有很好的应用前景。IGCT已经成为高压大功率低频交流器的优选方案。ABB公司已经推出比较成熟的高压大容量IGCT产品。,电气控制系统的基础知识-可控硅整流,可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成。可控硅具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域。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。,可控硅整流桥,大功率二极管外部构成,从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式（图b），200A以上则采用平板式（图c）。,a）符号b）螺旋式c）平板式,大功率二极管的特性,1大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia间的关系称为伏安特性，如图所示。第象限为正向特性区，表现为正向导通状态。第象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。a）实际特性b）理想特性大功率二极管的伏安特性,大功率二极管的特性,2大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。（1）大功率二极管的开通过程大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图4为大功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的大功率二极管上承受的峰值电压UDM比稳态管压降高的多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。图4大功率二极管的开通过程图5大功率二极管的关断过程（2）大功率二极管的关断过程图1-5为大功率二极管关断过程电压、电流波形。大功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。,大功率二极管的主要参数,1、额定正向平均电流（额定电流）IF指在规定40的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。2、反向重复峰值电压（额定电压）RRM在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80称为反向重复峰值电压URRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。3、反向漏电流IRR对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流IRR。4、正向平均电压UF在规定的40环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。元件发热与损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。5、大功率二极管的型号普通型大功率二极管型号用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下ZP电流等级电压等级/100通态平均电压组别如型号为ZP5016的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。,普通二极管的检测,将数字万用表拨到二极管档，用万用表测量：将红、黑表笔分别接在二极管的两端，读取读数，再将表笔对调测量。根据两次测量结果判断，通常小功率锗二极管的正向电阻值为300500，硅二极管约为1k或更大些。锗管反相电阻为几十千欧，硅管反向电阻在500k以上(大功率二极管的数值要小的多)。好的二极管正向电阻较低，反向电阻较大，正反向电阻差值越大越好。如果测得正、反向电阻很小均接近于零，说明二极管内部已短路；若正、反向电阻很大或趋于无穷大，则说明管子内部已断路。在这两种情况下二极管就需报废。在路测试:测试二极管PN结正反向电阻，比较容易判断出二极管是击穿短路还是断路。,晶闸管(SCR)的结构,晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等优点，它是大功率开关型半导体器件，广泛应用在电力、电子线路中。晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图所示。,a）螺栓型b）平板型c）符号,管芯是晶闸管的本体部分，由半导体材料构成，具有三个与外电路可以连接的电极：阳极，阴极和门极（或称控制极），其电路图中符号表示如图c）所示。散热器则是为了将管芯在工作时由损耗产生的热量带走而设置的冷却器。按照晶闸管管芯与散热器间的安装方式，晶闸管可分为螺栓型与平板型两种。螺栓型（图a）依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。,晶闸管(SCR)的散热器,晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分。,a）自冷b）风冷c）水冷,晶闸管(SCR)管芯结构原理图,晶闸管管芯的内部结构如图1-3所示，是一个四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件。它是在N型的硅基片（N1）的两边扩散型半导体杂质层（P1、P2），形成了两个PN结J1、J2。再在P2层内扩散型半导体杂质层N2又形成另一个PN结J3。然后在相应位置放置钼片作电极，引出阳极A，阴极K及门极G，形成了一个四层三端的大功率电子元件。这个四层半导体器件由于有三个PN结的存在，决定了它的可控导通特性。,晶闸管(SCR)的工作原理,通过理论分析和实验验证表明：1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常称之为触发脉冲。3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。晶闸管为什么会有以上导通和关断的特性，这与晶闸管内部发生的物理过程有关。晶闸管是一个具有P1N1P2N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个PN结的功能可以看作是一个PNP型三极管VT1（P1N1P2）和一个NPN型三极管VT2（N1P2N2）构成的复合作用，如图所示。,晶闸管的等效复合三极管效应,可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流Ig流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流Ig，晶闸管都不能导通。,晶闸管(SCR)的基本特性,1静态特性静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。这里介绍阳极伏安特性和门极伏安特性。（1）阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流Ia之间的关系曲线，如图所示。,晶闸管阳极伏安特性：正向阻断高阻区；负阻区；正向导通低阻区；反向阻断高阻区,阳极伏安特性可以划分为两个区域：第象限为正向特性区，第象限为反向特性区。第象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。,晶闸管(SCR)的基本特性,（2）门极伏安特性晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性，如图阴影区域所示。,晶闸管门极伏安特性,晶闸管(SCR)的基本特性,2动态特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路时，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。（1）开通特性晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图1-12给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处在正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10%所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10%IT上升到90%IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。,晶闸管的开关特性,（2）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断，就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零，也会出现反向恢复电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。,晶闸管(SCR)的主要参数,要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。1电压参数（1）断态重复峰值电压UDRM门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区，漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称断态不重复峰值电压UDSM，“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的90定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。（2）反向重复峰值电压URRM门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区，反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的90定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。（3）晶闸管的额定电压UR取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上。电压等级不是任意决定的，额定电压在1000以下是每100一个电压等级，1000至3000则是每200一个电压等级。由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的23倍，以作安全余量。UR=（23）UM（4）通态平均电压UT（AV）指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，也称之为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母AI表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。,晶闸管(SCR)的主要参数,2电流参数（1）通态平均电流IT（AV）在环境温度为40、规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170的电路中，当结温稳定在额定值125时所允许的通态时的最大平均电流称为额定通态平均电流IT（AV）。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.52倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。（2）维持电流IH维持电流是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。（3）掣住电流IL晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（24）倍。3晶闸管的型号普通型晶闸管型号可表示如下：KP电流等级电压等级/100通态平均电压组别其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP50015型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。,KP2300A/2400VThyristor,整流组件由三个整流单元组成，由于绞车、转盘都是单电机运行，所以每个整流单元选用两只KP1500A/2400V元件配XF70DS散热器组，元件芯片63mm，采用进口硅单晶制造。元件门极引线采用耐高温聚四氟乙烯线，双线绞合。所有元件具有适当防腐蚀，防盐雾，防霉菌。其元件参数如下：门极电压：Vg12V同批次Vg0.6V；门极电流Ig60150mA同批次Ig70mA；（2540）；为100A/us，为1000V/us。由于泥浆泵带双电机选用两只KP2300A/2400V元件配SRH13FA散热器组，晶闸管采用进口硅单晶制造，元件芯片77mm。元件门极引线采用耐高温聚四氟乙烯线，双线绞合。所有元件具有适当防腐蚀，防盐雾，防霉菌。其元件参数如下：门极电压：Vg12V同批次Vg0.6V;门极电流Ig80200mA同批次Ig80mA;（2540）;为100A/us，为1000V/us。,晶闸管(SCR)的检测,万用表选电阻R*1挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极G，红表笔的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏。晶闸管(可控硅)的管脚判别：晶闸管管脚的判别可用下述方法：先用万用表R*1K挡测量三脚之间的阻值，阻值小的两脚分别为控制极和阴极，所剩的一脚为阳极。再将万用表置于R*10K挡，用手指捏住阳极和另一脚，且不让两脚接触，黑表笔接阳极，红表笔接剩下的一脚，如表针向右摆动，说明红表笔所接为阴极，不摆动则为控制极。,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）结构与工作原理,1结构IGBT的基本结构如图所示，与P-MOSFET（功率场效应晶体管）结构十分相似，相当于一个用MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。仔细观察发现其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP及N+PN，它们又组合成了一个等效的晶闸管。这个等效晶闸管将在IGBT器件使用中引起一种“擎住效应”，会影响IGBT的安全使用。,2工作原理IGBT的等效电路如图b）所示，是以PNP型厚基区GTR（大功率晶体管）为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿电路结构器件，Rdr为GTR基区内的调制电阻。图c）则是IGBT的电路符号。IGBT的开通与关断由栅极电压控制。栅极上加正向电压时MOSFET内部形成沟道，使IGBT高阻断态转入低阻通态。在栅极加上反向电压后，MOSFET中的导电沟道消除，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT工作特性,1静态特性IGBT的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图1-31所示。输出特性表达了集电极电流IC与集电极发射极间电压UCE之间的关系，分饱和区、放大区及击穿区。IGBT的转移特性表示了栅极电压UG对集电极电流IC的控制关系。在大部分范围内，IC与UG呈线性关系。,IGBT工作特性,2动态特性IGBT的动态特性即开关特性，如图所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。当栅极电压UG达开启电压UG（th）后，集电极电流IC迅速增长，其中栅极电压从负偏置值增大至开启电压所需时间td（on）为开通延迟时间；集电极电流由10额定增长至90额定所需时间为电流上升时间tri，故总的开通时间为tontd（on）tri。IGBT的关断过程较为复杂，其中UG由正常15V降至开启电压UT所需时间为关断延迟时间td（off），自此IC开始衰减。集电极电流由90额定值下降至10额定所需时间为下降时间tfitfi1tfi2，其中tfi1对应器件中MOSFET部分的关断过程，tfi2对应器件中PNP晶体管中存贮电荷的消失过程。由于经tfi1时间后MOSFET结构已关断，IGBT又未承受反压，器件内存贮电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需较长时间下降，形成电流拖尾现象。由于此时集射极电压Uce已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使结温升高。总的关断时间则为tofftd（off）tfi。,IGBT的开关特性,IGBT擎住效应,1擎住效应如前所述，在IGBT管内存在一个由两个晶体管构成的寄生晶闸管，同时P基区内存在一个体区电阻Rbr，跨接在N+PN晶体管的基极与发射极之间，P基区的横向空穴电流会在其上产生压降，在J3结上形成一个正向偏置电压。若IGBT的集电极电流IC大到一定程度，这个Rbr上的电压足以使N+PN晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶闸管导通，从而IGBT栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功耗导致器件损坏。擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大于某临界值ICM后产生的擎住现象，对此规定有IGBT最大集电极电流ICM的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT关断时，MOSFET结构部分关断速度很快，J2结的反压迅速建立，反压建立速度与IGBT所受重加dUCE/dt大小有关。dUCE/dt越大，J2结反压建立越快，关断越迅速，但在J2结上引起的位移电流CJ2（dUCE/dt）也越大。此位移电流流过体区电阻Rbr时可产生足以使N+PN管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象。由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住现象，使用中应保证集电极电流不超过ICM，或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度，减小重加dUCE/dt值。总之，使用中必须避免发生擎住效应，以确保器件的安全。,IGBT安全工作区,2安全工作区IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区（FBSOA），如图a）所示。它是由避免动态擎住而确定的最大集电极电流ICM、器件内P+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCE0、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电压UG决定（图1-31a），故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此还可确定出与最大集电极电流ICM相应的最大栅极电压UGM这个参数。a）FBSOAb）RBSOAIGBT的安全工作区IGBT关断时所对应的为反向偏置安全工作区（RBSOA），如图b）所示。它是随着关断时的重加电压上升率dUCE/dt变化，dUCE/dt越大，越易产生动态擎住效应，安全工作区越小。一般可以通过选择适当栅极电压UG和栅极驱动电阻RG来控制dUCE/dt，避免擎住效应，扩大安全工作区。,新代IGBT功率器件性能,新一代IGBT的特点：其一：是IGBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热5070的器件发热降低了30。其二：是高载波控制，使输出电流波形有明显改善；其三：是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静音化；其四：是驱动功率减少，体积趋于更小。,IGBT检测,1、判断极性首先将万用表拨在R1K。挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C)：黑表笔接的为发射极（E）。2、判断好坏将万用表拨在R10KQ档，用黑表笔接IGBT的集电极（C)，红表笔接IGBT的发射极(E)，此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C)，这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E)，这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。3、注意事项:任何指针式万用表可用于检测IGBT。注意判断IGBT好坏时，一定要将万用表拨在R1OK挡，因R1KQ档以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。,VFDdetailedelectronics,includingtheIGBTandIGCT,IGCT(IntergratedGateCommutatedThyristors),GatedrivecircuitandtheGCTgatecommutatedthyristordeviceshavebeenintegratedasawhole,晶闸管（Thyristor）与绝缘栅双极晶体管（IGBT）的介绍:一、普通晶闸管（Thyristor）曾称为硅可控整流器（SCR,简称可控硅）。从1956年第一只晶闸管问世到1980年前的一段时间，变流装置都是由SCR组成。可控硅的符号：A代表可控硅的阳极，K代表可控硅的阴极，G代表可控硅的控制极（门极）。可控硅的特点：1、要想使可控硅导通必须满足两个条件：a.在可控硅的两端加上正向电压；b.在可控硅的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。2、可控硅一旦导通，门极即失去控制作用，故可控硅为半控器件。3、为使可控硅关断，必须使其阳极电流减小到维持电流以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。目前SCR的外型基本上有两种：饼式和模块式。二、绝缘栅双极晶体管（IGBT）：绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，是80年代出现的新型复合器件，在电机控制、中频和开关电源，以及要求快速的领域广泛运用。IGBT的符号如下：C代表集电极，E代表发射极，G代表门极。目前IGBT的外型：基本上全为模块式。根据封装形式分为：G单独的IGBT；半桥IGBT；全桥IGBT；三相IGBT。IGBT属全控器件，由门极的控制电压来决定IGBT的导通和关断。上海科祺调速电气有限公司早在2000年，就开始了进行使用大功率IGBT的研究。并与2002年，在内反馈调速装置中的斩波器上得以成功使用。作为中国最早使用IGBT器件的公司，运用经验丰富，对IGBT特性较为了解。1）IGBT使用的优点是：工作频率高，达到20KHZ。IGBT驱动信号是电压信号，是自关断器件，工作回路简洁，运行可靠，无电磁噪音。但缺点是单只管子的电流不能做的很大，一般只有1000A。大电流需多只管子并联使用。过电压能力弱，耐压不易做高，一般只有3300V。运行时，压降高，损耗大。2）可控硅（SCR）的优点是：单只管子的电流能做的很大，高达10000A。大电流不需多只管子并联使用。过电压能力强，耐压能做高，一般可达10000V。压降低，导通损耗小。缺点是工作频率低，工作频率只有20600HZ。驱动信号是电流信号，不是自关断器件，需要外电路，电路复杂，可靠性低。3）IGCT是IGBT与GTO(可关断的可控硅)，具有IGBT与GTO的综合优点，即驱动信号是电压信号，是自关断器件，工作回路简洁。同时具有大电流、高耐压的优点。但由于IGCT的主器件是可控硅，工作频率低，工作频率只有20600HZ。另外驱动回路十分复杂。故障率高，噪音大。,一、单相半波整流（可控、半控、全控）,电气控制系统的基础知识-整流桥按照方式分类,二、单相全波整流电路,三、三相桥式整流电路,整流桥检测,三相整流桥模块检测将数字万用表拨到二极管测试档，用红、黑两表笔先后测3、4、5相与2、1极之间的正反向二极管特性，来检查判断整流桥是否完好。所测的正反向特性相差越大越好；如正反向为零，说明所检测的一相已被击穿短路；如正反向均为无穷大，说明所检测的一相已经断路。整流桥模块只要有一相损坏，就应更换。,变频器原理：,什么是变频器？通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。,变频器的工作原理,其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制或直接转矩控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。,电气控制系统的基础知识-中间直流回路,中间电路，有以下三种作用：a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。b.通过开关电源为各个控制线路供电。c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。,电气控制系统的基础知识-变频器类型,变频器类型：可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。交直交变频器类型：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。,电压型变频器原理图电流型变频器原理图,电气控制系统的基础知识-中间直流回路制动装置,变频器减速时直流回路电压会升高，当负载惯性很大而减速时间又不够长，若不加制动单元及制动电阻，变频器就会反充电而产生过压保护；若加制动单元及制动电阻，就会将负载的动能转化为电阻发热的热能，使直流回路母线电压不会急聚升高保护变频器元件。每个变频器都有制动单元(小功率是制动电阻,大功率是大功率晶体管及其驱动电路),小功率的是内置的，大功率的是外置的。,制动单元的工作原理,当变频器带动电动机处于制动状态时（发电状态），比如绞车下放钻杆，或带惯性很大的负载比较快速地停车。动能（势能）会转变回电能，返回变频器直流母线，造成母线电压升高。变频器制动单元检测到母线电压高于某个阈值后，会将制动电阻与母线间的开关接通，能量通过制动电阻消耗，这时制动电阻发热，绞车按照给定速度下放钻杆。,能耗制动在石油钻机中的应用,交流变频电动钻机使用的电机一般为异步电动机。从电工学中有关知识可知：异步电机在运行时，电动状态的转子转速NM总是低于同步转速N0，当转子转速NM超过同步转速N0时，电动机便处于再生制动状态。其基本特性是：（1）N0与NM同方向；（2）N0N0时，转子绕组切割旋转磁场的磁力线的方向和电动机状态NMN0时正好相反。所以，转子绕组中的感应电动势和电流的方向也都相反，所产生的电磁转矩的方向也就和旋转方向相反。由于定子电流的相位要随转子电流而变。所以，这时的异步电动机实际上处于发电的状态，或者说，拖动系统的动能被“再生”成电能了。,异步电动机在两种情况下处于发电状态,在交流变频系统中，异步电动机在两种情况下处于发电状态。第一，给定频率下降时，将出现电动机的同步转速低于转速的情况。这时，就电动机而言，它处于发电的状态；第二，当异步电动机用于提升负载使用而处于下放重物工况时，由于重力加速度的原因，电动机转子的转速可能超过同步转速而处于发电运行状态。交流数控变频钻机绞车系统中的异步电动机，降速是通过降低频率来实现的。在给定频率降低后，由于变频系统反应时间很快，加于电动机定子的电源频率也很快跟随给定频率，而拖动系统的转速则由于惯性而尚未下降，出现转子转速大于同步转速的情况，这时电动机处于发电状态，发电功率与dn/dt成正比；当绞车处于下放工况时，由于重力加速度的原因，异步电动机转子的转速可能超过同步转速而处于发电运行状态，发电功率与悬重和下放速度成正比。处于送钻状态下的送钻电机（异步电动机），其工作的绝大部分时将也处于发电运行状态，发电功率与悬重和送钻速度成正比。在一般情况下电动机与电网之间通过开关设备直接连接（如部分不需要调速提升机），异步电动机在发电状态时产生的电能均能回馈到供电电网，供电网内其他用电设备使用，这就要求电网容量足够大，从而将电网内由异步电动机在发电状态产生的电能供给其他负载使用，这样非但节省了电能，还增大了制动转矩。而石油钻机工作现场一般都远离大电网，各种用电设备的电能一般由钻机的自备电站提供，且形成专供本钻机使用的独立电网。如果钻机电网在运行，某些负载又处于发电状态，且功率较大，并将负载在发电状态产生的电能回馈到电网，由于钻机电网负载时常变化，负载功率有限，这样就有可能出现回馈功率大于电网的有功功率，从而造成发电机逆功率，即使回馈功率小于电网有功功率，也会对电网和设备造成干扰、波形畸变，甚至发生事故。所以，对于像钻机这样的小电网，尽