【正文】 電壓： 0 一 310V 直流可調(diào)； 電流： 0— 85A 直流可調(diào)； 可控整流具有軟啟動(dòng)功能，直流輸出母線寄生電感盡量小等。給定是通過(guò)司鉆開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，（將 AC220v 變?yōu)?AC24v）觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生利用放大電路進(jìn)行放大采用脈沖變壓器隔離，以提高系統(tǒng)可靠性。）一一對(duì)應(yīng)；司鉆開關(guān)通過(guò)控制單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換值來(lái)控制整流輸出的。 PIC單片機(jī) 輸出脈沖經(jīng)過(guò)脈沖隔離變壓器將其隔離，將司鉆開關(guān)的輸出值 0— 5V， PIC單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換輸入（ 00— FF）與可控硅的導(dǎo)通角區(qū)域（三相整流時(shí)為 0176。圖 中將移相電壓和觸發(fā)角的關(guān)系近似為線性關(guān)系 , 但實(shí)際上管腳 10 的鋸齒波波形并不是理想的鋸齒波 , 如果按照線性關(guān)系處理的話會(huì)造成一定程度的偏差。 移相電壓和鋸齒波之間的交點(diǎn)決定了觸發(fā)脈沖的位置。此觸發(fā)板與單片機(jī)和微機(jī)的接口形式可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的控制裝置的不同而自由選取。 圖 TCA785 幾個(gè)主要管腳的電壓波形 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 采用了可編程的 DAC0832 和運(yùn)放 F007 來(lái)控制 TCA785的管腳 11上的移相電壓。 ,用戶可根據(jù)需要選擇。 U11 為移相電壓 ,它和管腳 10 的鋸齒波通過(guò)比較來(lái)確定是否輸出脈沖 ,從而控制脈沖的延遲角。該芯片的內(nèi)部 電路簡(jiǎn)圖如圖 所示。通過(guò)單片機(jī)或微機(jī)編程來(lái)調(diào)節(jié)移相電壓的大小 ,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)延遲角的精確動(dòng)態(tài)控制。雙窄脈沖觸發(fā)電路可以減小觸發(fā)裝置的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵芯體積；用寬脈沖觸發(fā)，雖然脈沖數(shù)減少了一半，但為了不使脈沖變壓器飽和，其鐵芯體積要做的大些，又使裝置變復(fù)雜；故在本次設(shè)計(jì)中選用雙窄脈沖觸發(fā)。用于吸收持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能量較大的尖峰過(guò)電壓；過(guò)流 保護(hù)采用三相進(jìn)線串入快速熔斷器；六個(gè)晶閘管兩端出現(xiàn)的尖峰過(guò)電壓采用阻容吸收元件，以防止元件過(guò)壓擊穿。故設(shè)計(jì)中主電路選擇三相全控橋整流電路。三相半控橋、三相全控橋的整流采用正弦波同步，移相整流方式；對(duì)于三相不控橋作整流， IGBT 斬波電路實(shí)現(xiàn)調(diào)壓均可實(shí)現(xiàn)可控整流，但 IGBT的價(jià)格比較昂貴。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 由于剎車系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小從而靈活地控制剎車的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電源設(shè)計(jì)為電壓 0— 310V 連續(xù)可調(diào)，電流 0— 85A 連續(xù)可調(diào)。 — 120176。這一部分由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在輸出功率一定的情況下，增大濾波電容的容量可以減小脈動(dòng)幅度，最后形成直流輸出。本系統(tǒng)的核心控制器是 PIC16F877,它具有集成程度高 ,運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn) ,整個(gè)剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、調(diào)節(jié)精度高和響應(yīng)速度快。由電力電子器 件構(gòu)成的中小規(guī)模集成電路觸發(fā)精度差、故障頻率高，故采用計(jì)算機(jī)軟件控制很有必要。在石油鉆井作業(yè)中，一口井一旦開鉆，就要繼續(xù)工作，直到完成中途不能停車，因此剎車電源的可靠性十分關(guān)鍵。報(bào)警采用同時(shí)向司鉆臺(tái)操作工和配電房值班電工發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)的方式。功率模塊故障報(bào)警 。如交流電源失電報(bào)警 。降額使用的功率模塊故障率大大下降 ,平均無(wú)故障工作時(shí)間增長(zhǎng)。而新產(chǎn)品的設(shè)計(jì) ,采用了國(guó)際上最先進(jìn)的智能化集成功率模塊 ,將元件總數(shù)減少了 80%,系統(tǒng)的可靠性則大為提高。 a)減少構(gòu)成系統(tǒng)的功能單元數(shù)量 ,以減少故障率。鑒于野外作業(yè)的工作環(huán)境差 ,井隊(duì)搬遷的運(yùn)輸條件惡劣 ,過(guò)大的振動(dòng)和各種機(jī)械的應(yīng)力常導(dǎo)致電子線路引線折斷、焊點(diǎn)脫落、電子元件提前 老化失效。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2 針對(duì)目前電磁剎車電源的缺點(diǎn) ,根據(jù)國(guó)內(nèi)各油田鉆井工作的實(shí)際情況 ,參照國(guó)外石油公司先進(jìn)的鉆井安全操作規(guī)程的要求 ,本人對(duì)電磁剎車做了系統(tǒng)的可靠性分析 ,在此基礎(chǔ)上開發(fā)探索新一代的電磁剎車電源。且因電子元器件數(shù)量多、線路復(fù)雜 ,造成現(xiàn)場(chǎng)維修技術(shù)難度高、時(shí)間長(zhǎng) ,且備品備件供應(yīng)較難。如交流失電、電源缺相 SCR 觸 發(fā)器脈沖丟失或 SCR 元件損壞的故障報(bào)警 ,使得司鉆人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁剎車的故障 ,給鉆井作業(yè)帶來(lái)不安全隱患 ,如在下鉆時(shí)電磁剎車失電 ,司鉆人員往往措手不及 ,易造成游車下砸事故。目前各油田電磁剎車 ,在現(xiàn)場(chǎng)使用中普遍存在著一些問題 ,留有較多的不安全因素。從公式可看出 ,T∝ 2I ,若 2I =0,則 T=0,電磁剎車就失去了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ,司鉆人員下鉆時(shí)控制游車的下放速度 ,就是控制電磁剎車的勵(lì)磁電流。 mK 為電磁剎車的結(jié)構(gòu)系數(shù) 2I 為電磁剎車的勵(lì)磁電流 。 無(wú)論國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口的電磁剎車 ,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ,均可近似為一臺(tái)電樞回路短路的直流電機(jī) ,勵(lì)磁電流在定子線圈中產(chǎn)生恒定磁場(chǎng) ,轉(zhuǎn)子在外力拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和渦流 ,從而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ,其大小為 nIKT m 22? 式中 ,T 為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 。因此 ,在使用電磁剎車時(shí) ,一套安全可靠的勵(lì)磁電源是至關(guān)重要的。然而 ,電磁剎車的制動(dòng)力矩與定子勵(lì)磁電流有關(guān) ,如果失去勵(lì)磁電流 ,電剎車的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將為零 ,這在下鉆作業(yè)中是不允許的。 1 目 錄 第一章 概 述 ............................................................ 1 設(shè)計(jì)背景 ........................................................... 1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 ........................................................... 2 全數(shù)字電磁渦流剎車電源的工作原理 ................................. 2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 ..................................................... 3 設(shè)計(jì)思想 ......................................................... 3 擬采用的技術(shù)方案 ................................................. 4 全數(shù)字電磁渦流剎車電源的技術(shù)指標(biāo) ................................. 6 第二章 可控整流模塊設(shè)計(jì) ................................................ 7 相控整流主電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 ........................................... 7 主回路理論分析 ................................................... 7 晶閘管的選擇和保護(hù)電路設(shè)計(jì) ........................................ 11 晶閘管的選擇 .................................................... 11 晶閘管的保護(hù) .................................................... 12 整流變壓器的選擇 ................................................ 17 散熱器的選擇 .................................................... 18 軸流風(fēng)機(jī) ........................................................ 18 直流穩(wěn)壓電源 .................................................... 18 電流互感器的選擇 ................................................ 19 晶閘管的觸發(fā)電路 .................................................. 19 第三章 控制電路 ....................................................... 21 PIC 單片機(jī) ......................................................... 21 PIC16F877 的核心區(qū) .............................................. 22 PIC16F87X 的外圍模塊區(qū)域 ....................................... 24 控制電路的外圍模塊 ................................................ 28 同步電路 ........................................................ 29 移相觸發(fā) ........................................................ 30 單片機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì) ............................................ 32 定時(shí)器 TMR1 的工作原理 ........................................... 37 第四章 安全報(bào)警系統(tǒng) ................................................... 52 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析 ............................................... 55 結(jié) 論 .................................................................. 58 參考文獻(xiàn) ................................................................. 60 英文原文與翻譯 ........................................................... 61 致 謝 .................................................................. 77 附錄 A元器件明細(xì)表 ...................................................... 78 附錄 B 系統(tǒng)主電路圖 ....................................................... 81 附錄 C 系統(tǒng)控制電路圖 ..................................................... 82 1 第一章 概 述 設(shè)計(jì)背景 電磁剎車是一種無(wú)機(jī)械摩擦的鉆機(jī)輔助剎車 ,它利用電磁感應(yīng)原理 ,將直流電通入電磁剎車的定子線圈 ,產(chǎn)生恒定磁場(chǎng) ,在絞車下放重物時(shí) ,電磁剎車的轉(zhuǎn)子切割定子磁場(chǎng)的磁力線 ,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)、電渦流和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ,這時(shí)司鉆人員可用司鉆開關(guān)調(diào)節(jié)電磁剎車勵(lì)磁電流的大小 ,從而靈活地控制剎車的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、控制下鉆的速度快慢 ,不用主剎車而完成整個(gè)下鉆作業(yè)。電磁剎 車無(wú)摩擦、使用簡(jiǎn)便、維護(hù)工作量小 ,低速仍有較大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ,是石油鉆機(jī)理想的輔助剎車。因電磁剎車勵(lì)磁電源故障、使剎車失去作用 ,而司鉆人員又未發(fā)覺導(dǎo)致的事故并非罕見 ,輕則傷人傷物 ,重者可導(dǎo)致井毀人亡。在國(guó)外一些大石油公司的鉆井安全操作條例中 ,明文規(guī)定 ,當(dāng)電磁剎車的勵(lì)磁電源缺少可靠的保證時(shí) ,不得投入使用。P 為定子磁極對(duì)數(shù) 。n 為電磁剎車轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。目前國(guó)產(chǎn)電磁剎車的配套電源多為 SCR 元件的半控整流橋方式 ,而進(jìn)口電磁剎車 (如美國(guó) )則采用直流 PWM 方式 ,但二者最終都是依靠控制勵(lì)磁電流大小來(lái)調(diào)節(jié)剎車轉(zhuǎn)矩的。 a)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能不全 ,缺少必要的安全報(bào)警措施。 b)老產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)較差 ,產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)落后 ,老產(chǎn)品整個(gè)裝置均是由分立元器件組成 ,電子元器件數(shù)量多、焊點(diǎn)多、功能單元多 ,由于野外鉆井現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境惡劣 ,導(dǎo)致電氣元件易損壞 ,系統(tǒng)故障率高。近年來(lái) ,國(guó)內(nèi)一些油田和廠家針對(duì)電磁剎車電源的缺點(diǎn) ,相繼開發(fā)了一些新 產(chǎn)品 ,如電磁剎車安全報(bào)警置 ,取得了一定的應(yīng)用成果 ,但并未從根本上解決電磁剎車電源所存在的問題。根據(jù)電子產(chǎn)品的失效概率模型和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ,我們認(rèn)為元器件數(shù)量多、電子元件的應(yīng)力裕量小、是老產(chǎn)品故障率高的主要原因。因此 ,采取了一系列技術(shù)措施 ,以提高新型電磁剎車電源的系統(tǒng)可靠性。老產(chǎn)品采用分立電子元件制作電子脈沖觸發(fā)板 ,二極管 — SCR 模塊、同步變壓器、控制電源、 RC保護(hù)元件等單元 ,元器件總數(shù)達(dá)上百個(gè)之多。 b)提高主回路元件的裕度 ,降低主要元件的工作應(yīng)力。 c)為滿足現(xiàn)場(chǎng)工作的需要 ,增加了各種故障的報(bào)警 功能。三相電源缺相報(bào)警 。電磁剎車線圈超溫報(bào)警。 電磁渦流剎車電源是石油鉆機(jī)中電力剎車的配套裝置，它與渦流剎車主體配套使用，在石油鉆井作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)剎車功能。它的任何故障都會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果，小到損壞部件，大則損壞整口井，因此設(shè)計(jì)一套可靠性高，系統(tǒng)響應(yīng)快速性好的全數(shù)字電磁渦流剎車電源系統(tǒng)是很必要的。 晶閘管三相全控整流橋是全數(shù)字控制勵(lì)磁電源的重要組成部分 ,采用 PIC 單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)脈沖克服了傳統(tǒng)晶閘管模擬觸發(fā)單元的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng) ,觸發(fā)角不可