【文章內容簡介】 電路的時間常數 (τ =RC)而與放大器本身的參數無關。 圖 1— 18（ a）為滯 后積 分器 電路，當輸入端加一躍變信號 Vi時，輸出電壓的躍 變 值 為Vj=Vi(t)R1[R2/(R1+R2)Ri] (1— 9) 輸出電壓的最終值為 vf=ViR1/Ri (1— 10) 時間常數 τ =（ R1+R2） C 輸入信號電壓和輸出信號電壓的波形圖如圖 1一 18(b)所示。 圖 l一 19(a)為導前積分器電路，當輸入端加一躍變信號 vi時， 輸出電壓的躍變值為 Vj=vi R3 (R1 + R2)/R1 R2 (1— 11) 輸出電壓的最終值為 Vf=Vi R3／ R2 (1— 12) 時間常數 τ =(R1+R2)C 輸入信號電壓和輸出信號電壓的波形圖如圖 1— 19(b)所示 o 豆豆圖書集 13 ． 8 微分器 基本微分器如圖 l一 20所示。輸入的待微分電路加到反相輸入端；將信號源與放大 器反相輸入端之間的電阻換成電容 C，就得到基本微分器。 由克希荷夫電流定律可得 C [dVi(t)／dt]=V0／ R 所以圖 1— 20 本微分器 V0(t)=RC [dVi(t)／ dt] (1— 13)． 即輸出電壓為輸入電壓對時間的導數。其比例常數取決于反饋電路的時間常數 τ =RC，而與放大器本身的參數無關。 微分和積分在數學上互為反函數運算。在運算放大器的電路構成上，組成反饋電路的一個元件是電阻。另一個是電容。由于電容上的電壓和流過電容的電流互為微分和積分，所以將兩個元件位置互換，便得到互為反函數關系的兩種運算電路。 1． 3 閉環(huán)控制的調速系統(tǒng) 在 ZJ50D和 ZJ70D電驅動鉆機電控系統(tǒng)中，不論柴油發(fā) 電機組的轉速調節(jié)和電壓調節(jié)，還是直流電動機的轉速調節(jié)，都是通過閉環(huán)控制實施自動調節(jié)的。為簡明起見，現以直流電動機調速系統(tǒng)為例進行分析，其它自動調節(jié)系統(tǒng)與此相似。 串勵電動機的轉速與電動機的供電電壓直接相關，因此，調節(jié)電動機供電電壓即可改變電動機轉速。在 ZJ50D鉆機和 ZJ70D中采用晶閘管一電動機調速系統(tǒng)。它是通過調節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變 SCR橋輸出電壓，從而實現對轉速的控制。 1． 3． 1 對轉速控制的要求 1． 3． 1． 1 調速 即在 — 定的最高轉速和最低轉速的范圍內平滑地 (無級 )調節(jié) 轉速。 1． 3． 1． 2 穩(wěn)速 以 — 定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉速波動，以滿足鉆井工藝要求。 1． 3． 1． 3 加、減速 在起下鉆作業(yè)中，頻繁啟動和制動，要求盡快加減速以提高生產率，同時也要求盡量平穩(wěn)。 以上三條有時都須具備，有時只要求一項或兩項，特別是調速和穩(wěn)速兩項經常碰到。為了滿足鉆機對電動機和發(fā)電機功能上的要求，在 zJ50D(zJ70D)驅動系統(tǒng)中采用閉環(huán)控制方案。 1． 3． 2．閉環(huán)調速系統(tǒng) 豆豆圖書集 14 在閉環(huán)調速系統(tǒng)中，速度的調節(jié)是通過反饋環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)系統(tǒng)來實現的。以直流調速系統(tǒng)為 例，將反映直流電動機轉速的 SCR 橋輸出電壓的一部分 Vfb 與轉速定電壓 Vref 相比較后，得到偏差電壓 △ V，經過放大器產生觸發(fā)電路的控制 Vo，再經過觸發(fā)電路變換，產生不同相位的觸發(fā)脈沖，使晶閘管輸出可調電壓，用以控制電動機轉速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理框圖示于圖 l一 2l中?？梢?，反饋閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)。只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。其物理過程是轉速稍有降落，反映轉速的反饋電壓必有減小，通過比較放大器，提高整流橋輸出電壓 Vd，使系統(tǒng)的轉速又有所回升。可見閉環(huán) 系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它隨著負載的變化而相應地改變整流電壓。當然這種自動調節(jié)作用是依靠反饋量和給定量之差進行控制的，屬于有靜差的控制系統(tǒng)。對于負載擾動等具有良好的抗干擾性能，對于被負反饋環(huán)包圍的在前向通道上的一切擾動作用都具有抵抗能力，都能減小被調量受干擾后產生的偏壓。但對于給定作用的變化則盡快跟隨，絲毫不受反饋作用的抑制。 1． 3． 3 PI 調節(jié)器 前面所述系統(tǒng)是采用比例放大器的閉環(huán)調速系統(tǒng)，它只能滿足穩(wěn)態(tài)精度的指標，在動態(tài)中可能不穩(wěn)定。若采用比例積分 (P1)調節(jié)器代替比例 放大器，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，還有足夠的穩(wěn)定裕度。這是由于在 PI 調節(jié)器中，若在階躍輸入作用下，比例調節(jié)器輸出可以立即響應，而積分調節(jié)器的輸出卻只能逐漸變化，但最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。那么，既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要瞬態(tài)響應快，只要把兩種控制規(guī)律結合起來就行了。 圖 l一 22給出了 PI調節(jié)器輸出和輸入的動態(tài)過程。在輸入電壓 △ V的作用下，輸出電壓中的比例部分 (1)和 △ V 成正比，積分部分 (2)是 △ V 的積分，輸出電壓 Vo 是兩部分之和(1)+(2)?？梢姡?Vo 既具有快速響應性能又足以消除系統(tǒng)的靜差。故 PI 調節(jié)器在調速系統(tǒng)中得到廣泛應用。 豆豆圖書集 15 1． 3， 4 轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng) 如果對系統(tǒng)的動態(tài)特性要求較高，比如要求快速啟動、制動，突加負載動態(tài)速降小等等，只有轉速反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。 如果突加負載時，在過渡過程中始終保持電流 (轉矩 )為允許的最大值，使系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達額定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這個理想過程示于圖 l一 23 中。這時啟動電流呈方形波，而轉速是線性增長的。 為了實現在允許條件下最快啟動，關鍵是要 獲得一段使電流保持最大值 Idm 的恒流過程。采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。 生產工藝一般要求在啟動過程中只有電流負反饋而得到一個近似的恒流過程，不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端。到達穩(wěn)定轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主要作用。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)就能得到既存在轉速和電流兩種負反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用。實施的方法是：在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者間實行串級聯接，如圖 l一 24 所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出 去控制觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)器在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)器在外邊，叫做外環(huán)。這就形成了轉速和電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 為了獲得良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)采用兩個 PI調節(jié)器，其原理圖如圖 l一 25所示。在圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，還表示出兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅的。轉速調節(jié)器的輸出限幅電壓即飽和電壓，決定了電流調節(jié)器給定電壓的最大值；電流調節(jié)器的輸出限幅電壓是 Vctm，它限制了晶閘管整流輸出電壓的最大值。 電路設計得在正常運行時，只有轉速調節(jié)器有飽和和不飽和兩種狀態(tài)，而 電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和。就是說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出之間的關系，相當于使該調節(jié)器開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時， PI作用使輸入偏差電壓 △ V在穩(wěn)態(tài)時總是 豆豆圖書集 16 零。 當轉速調節(jié)器不飽和時，負載電流 Id 小于最大電流 Idm，表現為轉速無靜差，這時轉速負反饋起主要作用。當負載電流達到 Idm后，轉速調節(jié)器飽和，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個 PI 調節(jié)器分別形成內外兩 個閉環(huán)的效果。 1． 4 電氣控制系統(tǒng)簡介 DDF系列電驅動鉆機電控系統(tǒng)的作用是從柴油發(fā)電機組得到 — 個三相 600V和 50Hz的穩(wěn)定交流電源，并通過斷路器將發(fā)電機輸出集中到公共交流母線 — 。 SCR整流橋將交流電源整流成 0～ 750V連續(xù)可調的直流電流，并通過指配接觸器驅動各直流電動機。 DDF系列電控系統(tǒng)分布圖如圖 1— 32 所示，其系統(tǒng)單線圖見圖 002— 00。 DDF 系列的動力和控制流向如圖 l一 33所示。 豆豆圖書集 17 1． 4． 1 交流電動機控制中心 該控制中心的主要功能是對井場的鉆臺、泥漿泵房、泥漿循環(huán)罐區(qū)、油罐區(qū)、壓氣機房和水 罐等區(qū)域的交流電動機進行控制，并給井場提供照明電源。若井場需要設置輔助發(fā)電機組，可在 MCC 柜配置輔助發(fā)電機投入 380V 母線的接口。 MCC 的控制柜中裝有斷路器、接觸器、繼電器、按鈕、儀表、指示燈以及各種保護裝置。 1． 4． 2 交流控制裝置 電驅動鉆機交流動力系統(tǒng)一般由 3 或 4 臺柴油發(fā)電機組構成。 3 或 4 臺機組并于 3 相600VAC 50HZ母線上，因此采用 3或 4套交流控制柜對應控制 3或 4臺柴油發(fā)電機組。 交流控制裝置的功能是控制多臺機組，使其在負荷允許變化的范圍內保證輸出穩(wěn)定的電壓 (600VAC)和頻率 (50Hz)， 并對機組進行多項保護。 在交流控制柜中主要安裝有下列設備： 豆豆圖書集 18 1． 4． 2． 1 斷開器（ CB） 斷路器（ CB）是使發(fā)電機母線與主母線通斷的執(zhí)行電氣器件，并具有短路、過流和欠壓保護功能。 1． 4． 2． 2 交流控制組件（ ACMD） 交流控制組件是控制柴油發(fā)電機組轉速和電壓的核心部件，同時具有負荷均衡分配和各種保護功能（過壓、過頻、欠頻、逆功和反饋脈沖丟失）。 1． 4． 2． 3 勵磁電路板（ EXCITER PC） 該板向發(fā)電機勵磁機提供可控的勵磁電流。 1． 4． 2． 4 功率限制盒（ POWER LIMIT） 功率限制盒的 作用是限制司鉆從機組取用的功率或總電流。以免柴油機停車和發(fā)電機斷路器跳閘。機組發(fā)生逆功和欠頻時，也限制功率和電流。同時對負荷變化速率進行限制。 1． 4． 2． 5 同步裝置（ SYNC） 待上線機組和母線的電壓和頻率由同步裝置進行控制和顯示，保證并車安全。 1． 4． 2． 6 接地故障檢測裝置（ GROUND FAULT DETECTOR） 如果 600V交流或 SCR輸出直流出現接地故障，均由接地故障檢測裝置進行檢測和顯示。 1． 4． 3 直流控制裝置 (SCR) 電驅動鉆機直流動力系統(tǒng)由 3或 4套 SCR(晶閘管 )整流柜和直流電動機 組成。運用直流接觸器進行切換，亦稱“ 1 拖 2”驅動方案。有 4 臺電動機驅動 2套泥漿泵 (MP)， 2臺電動機驅動絞車 (DW)，其中絞車電動機 A(DWA)可以通過機械離合器拖動轉盤 RT。有的鉆機還設 豆豆圖書集 19 有頂驅電動機 TD。 直流控制柜中主要安裝有下列設備： 1． 4． 3． 1 斷路器 (CB) 該斷路器主要通斷 SCR柜與主母線，并具有過流、短路、過熱及應急關斷等保護功能。 1． 4． 3． 2 晶閘管整流橋 (SCR) 該整流橋為 3 相全控整流電路，由 6 個大功率晶閘管 (1200V 1000A)組成，將 600VAC整流 成 0— 750VDC。 裝有強 風冷散熱裝置，并裝有過熱和短路檢測器件。 1． 4． 3． 3 直流控制組件 (DC MD) 直流控制組件是控制 SCR橋的核心部件，具有轉速、電流 (轉矩 )和絞車能耗制動控制功能，還具有功率限制、零位聯鎖保護和過電流保護等功能。 豆豆圖書集 20 1． 4． 3． 4 直流接觸器 (CONT) 在司鉆控制臺和 PLC的控制下，指配 SCR柜對各功能電動機 (MP、 DW、 RT或 TD)的供電和轉向控制。 1． 4． 3． 5 皮帶輪防滑板 (SPROCKET． SLIP) 當泥漿泵皮帶輪因打滑