ZJ50D型电动钻机发电机励磁系统分析

王永军,颜 艳,许 平

(1.中国石油大学信息与控制工程学院,山东东营257061;2.中国石油大学石大科技有限公司,山东东营257061)

ZJ50D型电动钻机发电机励磁系统分析

王永军1,颜 艳1,许 平2

(1.中国石油大学信息与控制工程学院,山东东营257061;2.中国石油大学石大科技有限公司,山东东营257061)

以ZJ50D钻机为例,通过对分散元器件的工作状态分析,结合仿真数据和波形,采用功能模块分析的方法,详细分析ZJ50D钻机发电机的电压控制过程,介绍同步发电机同轴无刷励磁控制方式,构建钻机发电机控制的完整理论体系。实际运行显示,采用分散器件组成的发电机同轴旋转励磁控制具有很高的可靠性、适应性,适合油田钻井的需求。

可控硅;励磁板;触发给定;双闭环控制

同步发电机是电动钻机的核心设备,其运行状况对钻机影响重大。同步发电机控制系统的控制目的是保证其发出恒压600 V、恒频50 Hz的正弦交流电,满足钻机动力设备的要求。笔者将详细分析ZJ50D钻机柴油发电机稳压控制电路的结构和工作机理。

1 励磁控制模式

励磁系统控制模式为双闭环控制,实现发电机励磁电流的稳流、母线电压稳压的控制。该双闭环控制器位于发电机控制柜(GEN柜)的交流模块(AC MODULE)内。外环为电压控制器,输入信号通过GEN柜上的电位器(即电压参考值调整旋钮VOL TAGE ADJUST,DC 0～10 V)引入,以发电机有功电流(I REAL)、无功电流(I REACTIVE)、母线电压反馈值(VOL TA GE FDB K)作为反馈信号。内环为电流控制器,输入信号为外环电压控制器的输出与发电机励磁电流反馈值(I EX)的综合,输出为励磁给定电压,送至励磁环节的励磁触发脉冲产生电路,通过励磁给定电压的高低,改变触发脉冲相位,控制励磁板可控硅整流器(EXCITER PC SCR)的输出电压(或电流)值,改变发电机转子的励磁电流,最终控制发电机母线电压[1]1-3。可见,双闭环电路并不直接产生触发脉冲,只是输出励磁给定电压给后面的执行环节,实现改变励磁电流的目的。但是,双闭环电路是整个励磁控制的核心,体现着整个钻机动力源的全局控制要求。

2 励磁板控制原理

励磁环节是励磁系统的执行环节,受交流模块输出的触发脉冲控制。它包括励磁触发脉冲产生电路、励磁板、转枢式交流励磁机、旋转整流器4大部件。发电机励磁方式为并励运行、自励起电。励磁触发脉冲电路给励磁板产生触发脉冲,同时受前述双闭环控制系统的影响。励磁板在触发脉冲的有序触发下,将交流电变为可变电压的直流电,送至同轴旋转的转枢式交流励磁机定子,形成可变的定子磁场,其转子输出可变三相电压,送至同轴旋转的旋转整流器,得到可变的直流电压,通过主轴中心的轴孔再送入发电机转子进行励磁。在此,励磁板的电流变换是执行环节的第一步,而其他环节只是线性变换关系,起到了将励磁电流放大的作用。图1是励磁板电路示意图。

图1 励磁板电路

励磁板电源取自发电机A、B母线(引自325、326端子),经励磁电源变压器T08(600/115 V)变为115 V交流,通过329,330端子引进励磁板。该电源途经两路整流方式:一路由DB1和DB2组成不控全桥整流,另一路由DB2和SCR1,SCR2组成半控桥整流,两路直流输出电流汇集,经331,332端子流入励磁机定子绕组进行励磁。钻机发电机控制柜(GEN柜)内交流模块(AC MODULE)输出的触发脉冲,通过504,505端子接入,触发SCR1,SCR2。交流模块的555,556端子连接励磁板的3个并联电阻R5,R6,R7两端,通过其电压降检测励磁板输出的励磁电流大小,作为励磁电流大小的反馈信号(I EX)[1]35-46,参与励磁电流的稳流控制。

需要注意的是,励磁板两路整流电路,一路为不控整流,一路为可控整流。此二者不可能同时工作,正常工作一定是可控的,否则励磁电流不能控制。分析得知,此两路整流可根据发电机运行状态进行自动转换:当发电机开始启动时,由于发电机母线暂时没有电压,在机组转子的转动下,由于铁芯剩磁作用,立刻感应出微弱的剩磁电压,通过发电机母线输出至励磁板。由于该电压低,钻机交流模块尚不能正常输出触发脉冲,可控硅SCR1,SCR2不能工作,为保证励磁板有电流输出,暂时通过二极管DB1,DB2组成的不控整流输出励磁电流给发电机。由于正反馈作用,发电机母线电压很快建立。交流模块输出正常的触发脉冲,可控硅SCR1,SCR2工作。此时继电器K1吸合,常闭触点1-7,2-8,3-9断开,将DB1不控整流电路切断,改DB2和SCR1,SCR2组成的半控桥产生励磁电流[1]78-79,不控向可控顺利转换。

3 励磁板触发脉冲形成机理

励磁板触发脉冲是在交流模块(AC MODULE)内产生的。它的形成主要包括触发脉冲形成、触发脉冲相位调节、触发电压给定三个环节。

3.1 脉冲形成过程

图2为励磁触发脉冲形成电路。该电路左下部5端接受励磁电压给定信号和同步电压信号,右部输出触发脉冲到504,505端子,对励磁板的SCR2,SCR1进行触发。因SCR整流桥有两只可控硅SCR1,SCR2,触发电路必须提供两路可移相的触发脉冲。

图2的上半部分为A+(A相正半周)相触发电路。触发电路同步电压引自Tl0(发电机基准电源变压器,600/115 V)的副边电压uBA;图2下半部分为A-(A相负半周)相触发电路,触发电路的同步电压引自Tl0的副边电压uAB。两路同步电压信号uBA与uAB反相,因此输出的两路触发信号504,505也正好反相。

现以A+相为例,分析励磁触发脉冲形成过程。

3.1.1 形成锯齿波信号

同步电压uAB信号经R241和C212滤波后,在①点经R242与-16 V直流电压相连,将①点电压拉低,目的是增加触发控制角的控制范围。波形如图3中①所示。

调整电阻R229(SELECT)的值,就可做到:当交变的①点电位开始变负时,D209就开始截止,-16 V电源经R228//R229电阻向电容C211反向充电,极性上负下正,②点电压为充电电压,沿斜坡逐渐降低。当①点电位变为正时,D208截止,D209恢复导通。C211通过+16 V,R227,D209放电,C211放电完成后又通过该支路正向充电,极性上正下负,②点电压沿斜坡逐渐升高,但是,当升高至0.7 V时被D211箝位,因而一直保持在箝位电压0.7 V。待到①点电位变负时,C211又由-16 V电源反向充电,电压又逐渐降低,重复以上过程。于是②点形成类似锯齿波的充放电电压,如图3中的②所示。

图2 励磁板SCR触发脉冲形成的电路

3.1.2 触发脉冲的形成

②点的锯齿波电压接至运放Z10的同相输入端3端,触发给定电压信号(如图2左下角5端所示)输入到Z10的反相输入端2端。当3端的锯齿波电压低于(更负)2端的触发给定电压时,在图3中的ωt1点,Z10输出负向饱和值;反之,当锯齿波电压高于触发给定电压时,在ωt4点,Z10的输出又由负饱和变为正饱和,于是在Z10输出端得到矩形波,如图3中的③所示。

Z10输出为负值时,三极管Q203导通,图2中的④点输出为高电压,经计算为+2 V。Z10输出为正值时,Q203截止,图2中的④点输出约为-1 V。于是在④点形成脉冲,如图3中的波形图④所示。这个脉冲就是SCR2的触发脉冲。

3.2 触发脉冲相位的调节

如图3所示,若改变触发给定电压的高低,就可改变触发脉冲的上升沿的前后位置,即调节触发控制角α的大小。因此,改变触发给定电压的高低,就可最终改变发电机励磁电流大小。

图3 励磁板SCR触发脉冲的波形图

如何改变触发控制角α角大小?如图3所示。触发给定电压是一个负值,它与锯齿波电压有一个x轴下方的交点。当触发给定电压升高时,对应的触发控制角α减小,触发脉冲将倒前,励磁板输出的励磁电流增大,发电机电压升高。当触发给定电压继续升高接近于零时,α角也接近于零,此时的发电机电压最高。通过改变触发给定电压,就会使α角范围控制在0°～180°之间[2]89-96。

至此,在同步电压VBA和触发给定电压的条件下,AC模块就可为励磁板的SCR2产生移相触发脉冲了。因此,发电机电压的高低取决于触发给定电压的高低。触发给定电压不能随意给出,它必须满足钻机运行工况的需求。它首先必须受制于操作人员给定的发电机电压参考值,还要综合多种控制因素,才能使发电机的电压保持理想值。

3.3 触发给定电压

对触发给定电压进行控制,体现了电压控制的核心。如图4所示。该电路采用典型的双闭环控制。运放Z1,Z2代表双闭环控制的外环控制器(也叫电压控制器)和内环控制器(也叫电流控制器)。外环Z1对电压参考值(来自发电机控制柜电位器的551端子)、发电机有功电流、无功电流、发电机母线电压反馈值进行处理;内环Z2对励磁电流反馈值进行处理。

图4 触发给定电压形成电路

3.3.1 外环控制器Z1

Z1(外环)组成外环控制电路,R20和C8组成PI环节,D10和D11、R27组成正、反向限幅,C7作高频滤波。Z1给励磁内环Z2提供给定信号。Z1的反相输入端主要有4路输入信号,它们的作用分别叙述如下:

第一路是发电机母线电压给定信号。这是发电机电压的总给定信号,由551端输入,这是从发电机控制柜面板上的电压参考值调节电位器送来的0～11 V电压信号。经电阻R16,R15到Z1放大器的反相输入端,C6起到滤波作用。

第二路是发电机母线电压反馈信号。它作为发电机电压的反馈值,参与电压控制,起到稳定发电机输出电压的作用。发电机输出电压经过变压器T10 (600/115 V)降压后,副边得到六相电压,从端子512～517接入,经六相零式整流得到电压反馈信号,它是一个负的电压信号。整流后的电压反馈信号经C3滤波,消除交流分量。再通过R11,R12和 C4后,提高了速度响应,然后输入到Z1反相端。

第三路是有功、无功电流反馈信号。它作为控制发电机电压的辅助反馈值,参与电压控制,起到稳定发电机输出的负载电流的作用。电流反馈信号来自单独的电流/电压变换电路(本文未述及)。发电机三相有功电流平均值Irel(负电压信号)经R18输入到Z1反相端,参与对励磁电流的调节。三相无功电流反馈信号也来自电流/电压变换电路。三相无功电流平均值Ireactive(负电压信号)经R13输入到Z1反相端,参与对发电机励磁电流进行调节。

第四路是低频低压信号。这是一路保护信号,来自交流模块。当检测到发电机低频运行时,自动减低Z1反相端电位,使发电机励磁电流降低,母线电压降低,发电机出力减小,避免发电机崩溃。

3.3.2 内环控制器Z2

Z2的控制端是反相输入端2端。它一方面接受Z1输出端6端传来的信号,另一方面接受励磁电流反馈信号,以稳定励磁电流。代表励磁电流大小的信号556(+),555(-)端子电压,经R86,C28和R23组成的T型滤波后输入到Z2的反相端,与Z1传来的信号相叠加。当励磁电流意外增大时,Z2的输出电压即触发给定电压降低,使励磁电流减小,起到稳定励磁电流的作用。

D13实现负向限幅,限制触发给定的电压最低值。D15,Dl6将Z2输出嵌位+0.7 V左右,防止控制角α最小时丢失触发脉冲。如果没有D15,当希望将α角最小时,触发给定电压的正值可能会大于+0.7 V,那么Z10的输出会变为固定不变的负向饱和值,Q203一直导通,④点就变成一固定不变的+2V电位,励磁板可控硅一直被触发导通,整流桥失控[2]97-98。

4 发电机的励磁控制过程

当人为控制发电机电压给定参考值端子551 (VOL TAGE REF)电压增高时,Z1反相输入增高,输出降低,给Z2的反相输入端降低,Z2输出增高,触发给定电压增高,触发脉冲前移,触发角α减小, SCR导通角增大,发电机励磁电流增大,发电机端电压升高。

当外界干扰造成:

(1)发电机电压异常升高时,外环电压反馈电路起作用,引起Z1反相端电压降低,最终使电机端电压降低,维持电压平稳。

(2)发电机输出电流异常增大时,外环电压反馈电路起作用,同样使Z1反相端电压降低,最终使电机端电压降低,维持电压平稳。

(3)励磁电流异常增大变化,内环反馈电路起作用,Z2反相输入端电位降低,其输出的励磁触发给定电压降低,触发脉冲后移,励磁电流减小,维持励磁电流稳定。

以上过程反之亦然。在内环、外环的共同作用下,实现了发电机母线电压稳压控制和励磁电流稳流控制,最终完成发电机母线电压的精确控制[2]102-114。

5 结束语

ZJ50D电动钻机励磁电路各功能块之间协调运行,完美实现发电机稳压控制,稳压精度在5%以内,很好地满足机组运行需求。综合本电路的构成原理课件,采用分散器件组成的传统双闭环控制是一大特色。分散器件电路相比与集成电路有其固有长处,如抗冲击、散热好、维护成本低、单个器件对整体运行影响有限等,但前提是器件筛选必须严格。实际运行显示,该发电机稳压电路可靠性很高,适应能力强,适合钻井工况要求。目前国内几乎所有电动钻机都采用这套控制电路,并受到现场人员的高度肯定,并在其他领域被推广采用[3]。

[1] 张奇志.电动钻机自动化技术[M].北京:石油工业出版社, 2006.

[2] 王心刚,王永军,贺利.电动钻机电气控制[M].东营:石油大学出版社,2008.

[3] 亓和平.电动钻机使用与维护[M].北京:石油工业出版社, 2006:23-24.

[责任编辑] 辛艳萍

TM34

A

1673-5935(2010)04-0025-05

2010-06-18

王永军(1971-),男,山东安丘人,中国石油大学信息与控制工程学院讲师,主要从事电气控制教学与研究。