王永軍,顏 艷,許 平

(1.中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東東營(yíng)257061;2.中國(guó)石油大學(xué)石大科技有限公司,山東東營(yíng)257061)

ZJ50D型電動(dòng)鉆機(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)分析

王永軍1,顏 艷1,許 平2

(1.中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東東營(yíng)257061;2.中國(guó)石油大學(xué)石大科技有限公司,山東東營(yíng)257061)

以ZJ50D鉆機(jī)為例,通過(guò)對(duì)分散元器件的工作狀態(tài)分析,結(jié)合仿真數(shù)據(jù)和波形,采用功能模塊分析的方法,詳細(xì)分析ZJ50D鉆機(jī)發(fā)電機(jī)的電壓控制過(guò)程,介紹同步發(fā)電機(jī)同軸無(wú)刷勵(lì)磁控制方式,構(gòu)建鉆機(jī)發(fā)電機(jī)控制的完整理論體系。實(shí)際運(yùn)行顯示,采用分散器件組成的發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁控制具有很高的可靠性、適應(yīng)性,適合油田鉆井的需求。

可控硅;勵(lì)磁板;觸發(fā)給定;雙閉環(huán)控制

同步發(fā)電機(jī)是電動(dòng)鉆機(jī)的核心設(shè)備,其運(yùn)行狀況對(duì)鉆機(jī)影響重大。同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制目的是保證其發(fā)出恒壓600 V、恒頻50 Hz的正弦交流電,滿足鉆機(jī)動(dòng)力設(shè)備的要求。筆者將詳細(xì)分析ZJ50D鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓控制電路的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理。

1 勵(lì)磁控制模式

勵(lì)磁系統(tǒng)控制模式為雙閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的穩(wěn)流、母線電壓穩(wěn)壓的控制。該雙閉環(huán)控制器位于發(fā)電機(jī)控制柜(GEN柜)的交流模塊(AC MODULE)內(nèi)。外環(huán)為電壓控制器,輸入信號(hào)通過(guò)GEN柜上的電位器(即電壓參考值調(diào)整旋鈕VOL TAGE ADJUST,DC 0～10 V)引入,以發(fā)電機(jī)有功電流(I REAL)、無(wú)功電流(I REACTIVE)、母線電壓反饋值(VOL TA GE FDB K)作為反饋信號(hào)。內(nèi)環(huán)為電流控制器,輸入信號(hào)為外環(huán)電壓控制器的輸出與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流反饋值(I EX)的綜合,輸出為勵(lì)磁給定電壓,送至勵(lì)磁環(huán)節(jié)的勵(lì)磁觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路,通過(guò)勵(lì)磁給定電壓的高低,改變觸發(fā)脈沖相位,控制勵(lì)磁板可控硅整流器(EXCITER PC SCR)的輸出電壓(或電流)值,改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流,最終控制發(fā)電機(jī)母線電壓[1]1-3。可見(jiàn),雙閉環(huán)電路并不直接產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,只是輸出勵(lì)磁給定電壓給后面的執(zhí)行環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)改變勵(lì)磁電流的目的。但是,雙閉環(huán)電路是整個(gè)勵(lì)磁控制的核心,體現(xiàn)著整個(gè)鉆機(jī)動(dòng)力源的全局控制要求。

2 勵(lì)磁板控制原理

勵(lì)磁環(huán)節(jié)是勵(lì)磁系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié),受交流模塊輸出的觸發(fā)脈沖控制。它包括勵(lì)磁觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、勵(lì)磁板、轉(zhuǎn)樞式交流勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器4大部件。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式為并勵(lì)運(yùn)行、自勵(lì)起電。勵(lì)磁觸發(fā)脈沖電路給勵(lì)磁板產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,同時(shí)受前述雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的影響。勵(lì)磁板在觸發(fā)脈沖的有序觸發(fā)下,將交流電變?yōu)榭勺冸妷旱闹绷麟?送至同軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)樞式交流勵(lì)磁機(jī)定子,形成可變的定子磁場(chǎng),其轉(zhuǎn)子輸出可變?nèi)嚯妷?送至同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)整流器,得到可變的直流電壓,通過(guò)主軸中心的軸孔再送入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁。在此,勵(lì)磁板的電流變換是執(zhí)行環(huán)節(jié)的第一步,而其他環(huán)節(jié)只是線性變換關(guān)系,起到了將勵(lì)磁電流放大的作用。圖1是勵(lì)磁板電路示意圖。

圖1 勵(lì)磁板電路

勵(lì)磁板電源取自發(fā)電機(jī)A、B母線(引自325、326端子),經(jīng)勵(lì)磁電源變壓器T08(600/115 V)變?yōu)?15 V交流,通過(guò)329,330端子引進(jìn)勵(lì)磁板。該電源途經(jīng)兩路整流方式:一路由DB1和DB2組成不控全橋整流,另一路由DB2和SCR1,SCR2組成半控橋整流,兩路直流輸出電流匯集,經(jīng)331,332端子流入勵(lì)磁機(jī)定子繞組進(jìn)行勵(lì)磁。鉆機(jī)發(fā)電機(jī)控制柜(GEN柜)內(nèi)交流模塊(AC MODULE)輸出的觸發(fā)脈沖,通過(guò)504,505端子接入,觸發(fā)SCR1,SCR2。交流模塊的555,556端子連接勵(lì)磁板的3個(gè)并聯(lián)電阻R5,R6,R7兩端,通過(guò)其電壓降檢測(cè)勵(lì)磁板輸出的勵(lì)磁電流大小,作為勵(lì)磁電流大小的反饋信號(hào)(I EX)[1]35-46,參與勵(lì)磁電流的穩(wěn)流控制。

需要注意的是,勵(lì)磁板兩路整流電路,一路為不控整流,一路為可控整流。此二者不可能同時(shí)工作,正常工作一定是可控的,否則勵(lì)磁電流不能控制。分析得知,此兩路整流可根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換:當(dāng)發(fā)電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí),由于發(fā)電機(jī)母線暫時(shí)沒(méi)有電壓,在機(jī)組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)下,由于鐵芯剩磁作用,立刻感應(yīng)出微弱的剩磁電壓,通過(guò)發(fā)電機(jī)母線輸出至勵(lì)磁板。由于該電壓低,鉆機(jī)交流模塊尚不能正常輸出觸發(fā)脈沖,可控硅SCR1,SCR2不能工作,為保證勵(lì)磁板有電流輸出,暫時(shí)通過(guò)二極管DB1,DB2組成的不控整流輸出勵(lì)磁電流給發(fā)電機(jī)。由于正反饋?zhàn)饔?發(fā)電機(jī)母線電壓很快建立。交流模塊輸出正常的觸發(fā)脈沖,可控硅SCR1,SCR2工作。此時(shí)繼電器K1吸合,常閉觸點(diǎn)1-7,2-8,3-9斷開(kāi),將DB1不控整流電路切斷,改DB2和SCR1,SCR2組成的半控橋產(chǎn)生勵(lì)磁電流[1]78-79,不控向可控順利轉(zhuǎn)換。

3 勵(lì)磁板觸發(fā)脈沖形成機(jī)理

勵(lì)磁板觸發(fā)脈沖是在交流模塊(AC MODULE)內(nèi)產(chǎn)生的。它的形成主要包括觸發(fā)脈沖形成、觸發(fā)脈沖相位調(diào)節(jié)、觸發(fā)電壓給定三個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 脈沖形成過(guò)程

圖2為勵(lì)磁觸發(fā)脈沖形成電路。該電路左下部5端接受勵(lì)磁電壓給定信號(hào)和同步電壓信號(hào),右部輸出觸發(fā)脈沖到504,505端子,對(duì)勵(lì)磁板的SCR2,SCR1進(jìn)行觸發(fā)。因SCR整流橋有兩只可控硅SCR1,SCR2,觸發(fā)電路必須提供兩路可移相的觸發(fā)脈沖。

圖2的上半部分為A+(A相正半周)相觸發(fā)電路。觸發(fā)電路同步電壓引自Tl0(發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)電源變壓器,600/115 V)的副邊電壓uBA;圖2下半部分為A-(A相負(fù)半周)相觸發(fā)電路,觸發(fā)電路的同步電壓引自Tl0的副邊電壓uAB。兩路同步電壓信號(hào)uBA與uAB反相,因此輸出的兩路觸發(fā)信號(hào)504,505也正好反相。

現(xiàn)以A+相為例,分析勵(lì)磁觸發(fā)脈沖形成過(guò)程。

3.1.1 形成鋸齒波信號(hào)

同步電壓uAB信號(hào)經(jīng)R241和C212濾波后,在①點(diǎn)經(jīng)R242與-16 V直流電壓相連,將①點(diǎn)電壓拉低,目的是增加觸發(fā)控制角的控制范圍。波形如圖3中①所示。

調(diào)整電阻R229(SELECT)的值,就可做到:當(dāng)交變的①點(diǎn)電位開(kāi)始變負(fù)時(shí),D209就開(kāi)始截止,-16 V電源經(jīng)R228//R229電阻向電容C211反向充電,極性上負(fù)下正,②點(diǎn)電壓為充電電壓,沿斜坡逐漸降低。當(dāng)①點(diǎn)電位變?yōu)檎龝r(shí),D208截止,D209恢復(fù)導(dǎo)通。C211通過(guò)+16 V,R227,D209放電,C211放電完成后又通過(guò)該支路正向充電,極性上正下負(fù),②點(diǎn)電壓沿斜坡逐漸升高,但是,當(dāng)升高至0.7 V時(shí)被D211箝位,因而一直保持在箝位電壓0.7 V。待到①點(diǎn)電位變負(fù)時(shí),C211又由-16 V電源反向充電,電壓又逐漸降低,重復(fù)以上過(guò)程。于是②點(diǎn)形成類似鋸齒波的充放電電壓,如圖3中的②所示。

圖2 勵(lì)磁板SCR觸發(fā)脈沖形成的電路

3.1.2 觸發(fā)脈沖的形成

②點(diǎn)的鋸齒波電壓接至運(yùn)放Z10的同相輸入端3端,觸發(fā)給定電壓信號(hào)(如圖2左下角5端所示)輸入到Z10的反相輸入端2端。當(dāng)3端的鋸齒波電壓低于(更負(fù))2端的觸發(fā)給定電壓時(shí),在圖3中的ωt1點(diǎn),Z10輸出負(fù)向飽和值;反之,當(dāng)鋸齒波電壓高于觸發(fā)給定電壓時(shí),在ωt4點(diǎn),Z10的輸出又由負(fù)飽和變?yōu)檎柡?于是在Z10輸出端得到矩形波,如圖3中的③所示。

Z10輸出為負(fù)值時(shí),三極管Q203導(dǎo)通,圖2中的④點(diǎn)輸出為高電壓,經(jīng)計(jì)算為+2 V。Z10輸出為正值時(shí),Q203截止,圖2中的④點(diǎn)輸出約為-1 V。于是在④點(diǎn)形成脈沖,如圖3中的波形圖④所示。這個(gè)脈沖就是SCR2的觸發(fā)脈沖。

3.2 觸發(fā)脈沖相位的調(diào)節(jié)

如圖3所示,若改變觸發(fā)給定電壓的高低,就可改變觸發(fā)脈沖的上升沿的前后位置,即調(diào)節(jié)觸發(fā)控制角α的大小。因此,改變觸發(fā)給定電壓的高低,就可最終改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小。

圖3 勵(lì)磁板SCR觸發(fā)脈沖的波形圖

如何改變觸發(fā)控制角α角大小?如圖3所示。觸發(fā)給定電壓是一個(gè)負(fù)值,它與鋸齒波電壓有一個(gè)x軸下方的交點(diǎn)。當(dāng)觸發(fā)給定電壓升高時(shí),對(duì)應(yīng)的觸發(fā)控制角α減小,觸發(fā)脈沖將倒前,勵(lì)磁板輸出的勵(lì)磁電流增大,發(fā)電機(jī)電壓升高。當(dāng)觸發(fā)給定電壓繼續(xù)升高接近于零時(shí),α角也接近于零,此時(shí)的發(fā)電機(jī)電壓最高。通過(guò)改變觸發(fā)給定電壓,就會(huì)使α角范圍控制在0°～180°之間[2]89-96。

至此,在同步電壓VBA和觸發(fā)給定電壓的條件下,AC模塊就可為勵(lì)磁板的SCR2產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖了。因此,發(fā)電機(jī)電壓的高低取決于觸發(fā)給定電壓的高低。觸發(fā)給定電壓不能隨意給出,它必須滿足鉆機(jī)運(yùn)行工況的需求。它首先必須受制于操作人員給定的發(fā)電機(jī)電壓參考值,還要綜合多種控制因素,才能使發(fā)電機(jī)的電壓保持理想值。

3.3 觸發(fā)給定電壓

對(duì)觸發(fā)給定電壓進(jìn)行控制,體現(xiàn)了電壓控制的核心。如圖4所示。該電路采用典型的雙閉環(huán)控制。運(yùn)放Z1,Z2代表雙閉環(huán)控制的外環(huán)控制器(也叫電壓控制器)和內(nèi)環(huán)控制器(也叫電流控制器)。外環(huán)Z1對(duì)電壓參考值(來(lái)自發(fā)電機(jī)控制柜電位器的551端子)、發(fā)電機(jī)有功電流、無(wú)功電流、發(fā)電機(jī)母線電壓反饋值進(jìn)行處理;內(nèi)環(huán)Z2對(duì)勵(lì)磁電流反饋值進(jìn)行處理。

圖4 觸發(fā)給定電壓形成電路

3.3.1 外環(huán)控制器Z1

Z1(外環(huán))組成外環(huán)控制電路,R20和C8組成PI環(huán)節(jié),D10和D11、R27組成正、反向限幅,C7作高頻濾波。Z1給勵(lì)磁內(nèi)環(huán)Z2提供給定信號(hào)。Z1的反相輸入端主要有4路輸入信號(hào),它們的作用分別敘述如下:

第一路是發(fā)電機(jī)母線電壓給定信號(hào)。這是發(fā)電機(jī)電壓的總給定信號(hào),由551端輸入,這是從發(fā)電機(jī)控制柜面板上的電壓參考值調(diào)節(jié)電位器送來(lái)的0～11 V電壓信號(hào)。經(jīng)電阻R16,R15到Z1放大器的反相輸入端,C6起到濾波作用。

第二路是發(fā)電機(jī)母線電壓反饋信號(hào)。它作為發(fā)電機(jī)電壓的反饋值,參與電壓控制,起到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出電壓的作用。發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過(guò)變壓器T10 (600/115 V)降壓后,副邊得到六相電壓,從端子512～517接入,經(jīng)六相零式整流得到電壓反饋信號(hào),它是一個(gè)負(fù)的電壓信號(hào)。整流后的電壓反饋信號(hào)經(jīng)C3濾波,消除交流分量。再通過(guò)R11,R12和 C4后,提高了速度響應(yīng),然后輸入到Z1反相端。

第三路是有功、無(wú)功電流反饋信號(hào)。它作為控制發(fā)電機(jī)電壓的輔助反饋值,參與電壓控制,起到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)載電流的作用。電流反饋信號(hào)來(lái)自單獨(dú)的電流/電壓變換電路(本文未述及)。發(fā)電機(jī)三相有功電流平均值Irel(負(fù)電壓信號(hào))經(jīng)R18輸入到Z1反相端,參與對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。三相無(wú)功電流反饋信號(hào)也來(lái)自電流/電壓變換電路。三相無(wú)功電流平均值Ireactive(負(fù)電壓信號(hào))經(jīng)R13輸入到Z1反相端,參與對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第四路是低頻低壓信號(hào)。這是一路保護(hù)信號(hào),來(lái)自交流模塊。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí),自動(dòng)減低Z1反相端電位,使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流降低,母線電壓降低,發(fā)電機(jī)出力減小,避免發(fā)電機(jī)崩潰。

3.3.2 內(nèi)環(huán)控制器Z2

Z2的控制端是反相輸入端2端。它一方面接受Z1輸出端6端傳來(lái)的信號(hào),另一方面接受勵(lì)磁電流反饋信號(hào),以穩(wěn)定勵(lì)磁電流。代表勵(lì)磁電流大小的信號(hào)556(+),555(-)端子電壓,經(jīng)R86,C28和R23組成的T型濾波后輸入到Z2的反相端,與Z1傳來(lái)的信號(hào)相疊加。當(dāng)勵(lì)磁電流意外增大時(shí),Z2的輸出電壓即觸發(fā)給定電壓降低,使勵(lì)磁電流減小,起到穩(wěn)定勵(lì)磁電流的作用。

D13實(shí)現(xiàn)負(fù)向限幅,限制觸發(fā)給定的電壓最低值。D15,Dl6將Z2輸出嵌位+0.7 V左右,防止控制角α最小時(shí)丟失觸發(fā)脈沖。如果沒(méi)有D15,當(dāng)希望將α角最小時(shí),觸發(fā)給定電壓的正值可能會(huì)大于+0.7 V,那么Z10的輸出會(huì)變?yōu)楣潭ú蛔兊呢?fù)向飽和值,Q203一直導(dǎo)通,④點(diǎn)就變成一固定不變的+2V電位,勵(lì)磁板可控硅一直被觸發(fā)導(dǎo)通,整流橋失控[2]97-98。

4 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制過(guò)程

當(dāng)人為控制發(fā)電機(jī)電壓給定參考值端子551 (VOL TAGE REF)電壓增高時(shí),Z1反相輸入增高,輸出降低,給Z2的反相輸入端降低,Z2輸出增高,觸發(fā)給定電壓增高,觸發(fā)脈沖前移,觸發(fā)角α減小, SCR導(dǎo)通角增大,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增大,發(fā)電機(jī)端電壓升高。

當(dāng)外界干擾造成:

(1)發(fā)電機(jī)電壓異常升高時(shí),外環(huán)電壓反饋電路起作用,引起Z1反相端電壓降低,最終使電機(jī)端電壓降低,維持電壓平穩(wěn)。

(2)發(fā)電機(jī)輸出電流異常增大時(shí),外環(huán)電壓反饋電路起作用,同樣使Z1反相端電壓降低,最終使電機(jī)端電壓降低,維持電壓平穩(wěn)。

(3)勵(lì)磁電流異常增大變化,內(nèi)環(huán)反饋電路起作用,Z2反相輸入端電位降低,其輸出的勵(lì)磁觸發(fā)給定電壓降低,觸發(fā)脈沖后移,勵(lì)磁電流減小,維持勵(lì)磁電流穩(wěn)定。

以上過(guò)程反之亦然。在內(nèi)環(huán)、外環(huán)的共同作用下,實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)母線電壓穩(wěn)壓控制和勵(lì)磁電流穩(wěn)流控制,最終完成發(fā)電機(jī)母線電壓的精確控制[2]102-114。

5 結(jié)束語(yǔ)

ZJ50D電動(dòng)鉆機(jī)勵(lì)磁電路各功能塊之間協(xié)調(diào)運(yùn)行,完美實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓控制,穩(wěn)壓精度在5%以內(nèi),很好地滿足機(jī)組運(yùn)行需求。綜合本電路的構(gòu)成原理課件,采用分散器件組成的傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制是一大特色。分散器件電路相比與集成電路有其固有長(zhǎng)處,如抗沖擊、散熱好、維護(hù)成本低、單個(gè)器件對(duì)整體運(yùn)行影響有限等,但前提是器件篩選必須嚴(yán)格。實(shí)際運(yùn)行顯示,該發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓電路可靠性很高,適應(yīng)能力強(qiáng),適合鉆井工況要求。目前國(guó)內(nèi)幾乎所有電動(dòng)鉆機(jī)都采用這套控制電路,并受到現(xiàn)場(chǎng)人員的高度肯定,并在其他領(lǐng)域被推廣采用[3]。

[1] 張奇志.電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2006.

[2] 王心剛,王永軍,賀利.電動(dòng)鉆機(jī)電氣控制[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,2008.

[3] 亓和平.電動(dòng)鉆機(jī)使用與維護(hù)[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2006:23-24.

[責(zé)任編輯] 辛艷萍

TM34

A

1673-5935(2010)04-0025-05

2010-06-18

王永軍(1971-),男,山東安丘人,中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院講師,主要從事電氣控制教學(xué)與研究。