第一节   电气及控制系统的基础知识


一、可控整流的基本知识
1、 可控硅原理
可控硅学名叫晶闸管，英文名称是Silicon  Controlled  Rectifier，即硅可控整流，英文简写为SCR。它是一种功率半导体器件，具有控制特性好、效率高、寿命长和体积小等一系列优点，应用非常广泛。晶闸管具有可控的正向导电特性，即给晶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，有足够的门极电流流入才能使晶闸管导通。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一个正向脉冲电压即可触发晶闸管导通，但使它无法关断。要使已经导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减少，到约几十毫安时，会突然降到零，表明晶闸管已经关断。在顶部驱动钻井系统的电气控制部分，包括主电路在内的直流电源都是通过可控硅整流而得到的。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。
2、 三相可控整流电路
    三相可控整流电路分为三相半波不可控整流、三相半波可控整流和三相桥式全控整流。顶部驱动钻井系统的SCR房使用的一般都是三相桥式全控整流电路，这种整流电路共有六只晶闸管。三相桥式全控整流电路在任何时候必须保证有两个SCR元件同时导通，以构成电流回路，此电路必须用双脉冲或宽脉冲触发。
二、电力电子器件介绍
绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）简称IGBT，也称绝缘门极晶体管。由于IGBT内具有寄生晶闸管，所以也可称作绝缘门极晶闸管。它即具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点，因此发展很快，倍受欢迎，在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有取代功率MOSFET和GTR的趋势。
 
三、闭环控制的调速系统
1、 闭环控制调速系统介绍
在电驱动钻机和顶部驱动钻井装置的电控系统中，不论柴油发电机组的转速调节和电压调节，还是各种交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。用串励电动机举例，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。在一般的现场即采用晶闸管—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。
2、 顶部驱动钻井系统转速控制的要求
⑴  调速
即在一定的最高转速和最低转速范围内平滑地（无级）调节转速。
⑵  稳速
以一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。
⑶  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。
3、 顶驱闭环控制调速系统原理
顶驱钻井电机闭环调速系统中的速度和扭矩调节都是通过反馈环节组成的闭环系统来实现的。以直流钻井电机调速系统为例，将反映直流电动机转速的SCR桥输出电压的一部分与转速给定电压相比较后，得到偏差电压，经过放大器产生触发电路的控制电压V，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，原理图如下：

图4-1采用转速（电压）负反馈的闭环调速系统
 
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，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，都能减少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。
上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（PI）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，即要稳态精度高，又要瞬态响应快，只要把两种控制规律结合起来就行了，故PI调节器在调速系统中得到广泛应用。