AS9/500鉆機(jī)電控系統(tǒng)改造與應(yīng)用

摘要：通過對AS9/500鉆機(jī)電控系統(tǒng)改造，使直流調(diào)速系統(tǒng)從根本上得以改善，大大降低電控系統(tǒng)故障時(shí)間，取得較好效益。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)電控系統(tǒng)改造應(yīng)用

1 改造前系統(tǒng)概況與特點(diǎn)

AS9/500鉆機(jī)是鉆井法施工主要鉆機(jī)之一，制造于上個(gè)世紀(jì)八十年代初，設(shè)計(jì)鉆井深度500米，鉆井直徑9米。額定提升能力為300噸，鉆機(jī)提升下放依靠滾筒式絞車來完成，鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)依靠安裝于鉆臺(tái)車上的轉(zhuǎn)盤來驅(qū)動(dòng)，絞車和轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用直流電動(dòng)機(jī)，有關(guān)參數(shù)見表1-1，原電控系統(tǒng)原理如圖1-1所示。

絞車提升和轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)電控系統(tǒng)均采用有速度、電流、環(huán)流組成的三閉環(huán)可逆直流無級調(diào)速系統(tǒng)，采用回饋制動(dòng)。根據(jù)工藝關(guān)系，二套調(diào)速系統(tǒng)形成獨(dú)立回路但不同時(shí)工作，由主令控制開關(guān)通過切換控制其中一套系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。電控系統(tǒng)采用二組全控橋反并聯(lián)聯(lián)接，α=β工作制配合控制（實(shí)際由于電路存在移相不一致性等原因，調(diào)試整定時(shí)讓α角稍大于β角，確保系統(tǒng)不存在直流環(huán)流），每組整流橋采用四只額定電流為500A晶閘管并聯(lián)使用。控制部分由信號(hào)給定單元、多級運(yùn)算放大單元、反饋信號(hào)單元、狀態(tài)檢測單元、觸發(fā)單元等組成，全部采用模擬電子電路。原系統(tǒng)由于采用模擬電子技術(shù)，存在如下不足：

1．1 模擬電子電路在工作中穩(wěn)定性較差，元器件易老化、損壞，放大器存在漂移，系統(tǒng)運(yùn)行故障率相對較高。

1．2 原功率單元由于由四只晶閘管并聯(lián)運(yùn)行，一方面要求四只晶閘管一致性要高，另一方面一旦有一只晶閘管損壞，其他三只可能很快損壞。

1.3 鉆機(jī)轉(zhuǎn)場后，需要對系統(tǒng)重新進(jìn)行調(diào)試、整定，工作量大，安裝周期長。

1.4 需要配備專用同步變壓器，用于觸發(fā)脈沖與電源的同步匹配。

1.5 設(shè)備體積龐大，占用空間，各柜之間連線繁雜。需要較高水平專業(yè)人員維護(hù)。

1.6 調(diào)整修改參數(shù)必須停電進(jìn)行，影響鉆井工期。

1.7 系統(tǒng)故障沒有記錄，查找故障困難。

2 調(diào)速系統(tǒng)改造重點(diǎn)工作

2.1 隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展，用數(shù)字電子技術(shù)取代模擬電子技術(shù)是歷史必然。經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研，決定采用西門子數(shù)字直流調(diào)速裝置6RA70改造原電控系統(tǒng)。6RA70直流調(diào)速裝置是專為直流調(diào)速開發(fā)的集成裝置，具有方便的輸入、輸出接口和各項(xiàng)保護(hù)功能，裝置內(nèi)集成有輸入、輸出模塊（模擬輸入、輸出接口，數(shù)字輸入、輸出接口），各種運(yùn)算放大器，加、減、乘、除法器，比較器，時(shí)間繼電器等等，可方便根據(jù)需要在內(nèi)部進(jìn)行聯(lián)接組合成不同的直流調(diào)速系統(tǒng)，裝置還可以根據(jù)不同工作狀態(tài)最多可分四組運(yùn)行其中一組。

2.2 為節(jié)約資金，系統(tǒng)改造采用了6RA7018-6DV62-

0-Z裝置，其額定電流為30A，額定勵(lì)磁電流為5A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際使用需要。因此，要對裝置作部分改動(dòng)，如圖2-1所示。

具體為斷開裝置自帶的功率單元與勵(lì)磁單元。從功率單元交流輸入側(cè)用電流互感器取得電流信號(hào)，引入至裝置X3.1、X3.2、X3.3、X3.4。作為電流反饋信號(hào)。從裝置引出觸發(fā)脈沖X11~X16、X21~X26至功率柜（功率單元）。勵(lì)磁控制信號(hào)也由裝置引出至外部勵(lì)磁功率單元，從分流器二端取得信號(hào)作為磁場反饋信號(hào)。電機(jī)額定工作電流、額定勵(lì)磁電流按相應(yīng)比例值設(shè)定。

2.3 由于采用一套裝置實(shí)現(xiàn)絞車提升與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)功能，而提升系統(tǒng)（位能負(fù)載）與轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)雖然電機(jī)參數(shù)一樣，但二個(gè)系統(tǒng)機(jī)械特性是不一致的，因此系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)是不一樣的（如積分時(shí)間、比例倍數(shù)、反饋值等），裝置要根據(jù)不同需求分組運(yùn)行，使二套系統(tǒng)獨(dú)立工作。通過安裝在操作臺(tái)上主令開關(guān)控制裝置運(yùn)行于一組（對應(yīng)絞車提升）或二組（對應(yīng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)）。

2.4 調(diào)速系統(tǒng)采用的是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，絞車提升系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載不同，運(yùn)行在不同工作狀態(tài)。當(dāng)絞車空鉤時(shí)（由提升力大小自動(dòng)判斷），給調(diào)速裝置一個(gè)信號(hào)，裝置自動(dòng)切換到三組，絞車自動(dòng)投入弱磁（40%額定勵(lì)磁）高速狀態(tài)。

2.5 設(shè)置了機(jī)電配合延遲時(shí)間，并可根據(jù)需要調(diào)整，如絞車提升時(shí)可以讓液壓抱閘延時(shí)打開。絞車停止時(shí)可以延時(shí)鎖零等。

3 傳動(dòng)原理

傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖3-1所示。

2端為+10V端，3端為-10V端，5端接地，4端為輸入端（電壓0~10V或電流0~20mA，此次改造采用電壓輸入，信號(hào)來自操作臺(tái)上給定信號(hào)發(fā)生器），正負(fù)給定信號(hào)均從4端與5端間加入（對應(yīng)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）。開關(guān)SA1用于信號(hào)正負(fù)切換，SA2控制系統(tǒng)處于本控或遠(yuǎn)控狀態(tài)，本控主要是系統(tǒng)調(diào)試和維修時(shí)使用。103端和104端為速度反饋（模擬量）輸入端（電壓型），電壓范圍為8~270V。36端為故障復(fù)位端，37端為裝置啟動(dòng)停止端，38端為裝置使能端。41端（對應(yīng)B0020，內(nèi)部聯(lián)接P676）和42端（對應(yīng)B0022，內(nèi)部聯(lián)接P677）為狀態(tài)控制端，控制裝置運(yùn)行于不同工作狀態(tài)，具體狀態(tài)如表3-1所示。

211端為電機(jī)碳刷長度監(jiān)控端，當(dāng)碳刷過短，安裝于碳刷架微動(dòng)開關(guān)1XJ~4XJ其中之一動(dòng)作，時(shí)間大于10S時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)（對應(yīng)顯示F025）。212端為電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測端，當(dāng)軸承運(yùn)行狀態(tài)差，時(shí)間大于2S時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)（對應(yīng)顯示F026）。213端為電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)氣流監(jiān)視端，當(dāng)氣流停止，時(shí)間大于40S時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)（對應(yīng)顯示F027）。214端為電機(jī)過熱監(jiān)控端，當(dāng)電機(jī)過熱，時(shí)間大于10S時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)（對應(yīng)顯示F028）。46端、47端為故障輸出端，用于控制外部設(shè)備，如液壓站等。109端、110端為自保接點(diǎn)。有故障時(shí)，裝置自動(dòng)鎖零并停車。

4 改造后調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)

改造后系統(tǒng)采用二組三相全控橋反并聯(lián)聯(lián)接，每組整流橋由六只1200A晶閘管組成。取消了同步專用變電器、硒堆吸收裝置，加裝了壓敏電阻和阻容吸收，絕緣監(jiān)測裝置。二組整流橋嚴(yán)格工作在α=β制下，從根本上確保不產(chǎn)生直流環(huán)流，確保系統(tǒng)更安全，更可靠。供電電壓如果采用普通變壓器380v供電，根據(jù)Ud=2.34U2×cosα計(jì)算，直流電壓為440v時(shí)，最小整流角為31度，滿足系統(tǒng)安全要求，不會(huì)產(chǎn)生逆變顛覆，但變壓器最好采用△/Y接法，因?yàn)?，全控橋工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生多次諧波，特別是三次諧波，對電源產(chǎn)生不利影響，采用△/Y接法可使諧波在繞組內(nèi)部流通，減少對電源影響。改造后系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

4.1 提升系統(tǒng)和轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)電控系統(tǒng)由一套裝置（6RA7018-6DV62-0-Z）來完成控制，根據(jù)不同工況分組運(yùn)行，每組運(yùn)行參數(shù)可根據(jù)機(jī)械不同特性分別設(shè)置，調(diào)整至最佳。

4.2 直流控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)有針對性，功能完善，各種保護(hù)齊全，參數(shù)修正方便、快捷，很大一部分參數(shù)可在線修改。

4.3 有通訊接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與通訊功能，也可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真等各種現(xiàn)代化管理。

4.4 設(shè)備轉(zhuǎn)場后，無需重新調(diào)試整定，通電即可投入運(yùn)行。

4.5 控制設(shè)備體積小，安裝在改制的集裝箱內(nèi)，有利于拆除搬家、安裝，具有保溫、隔熱和密封性能，使裝置運(yùn)行在良好工作環(huán)境中，更有利于野外作業(yè)施工。

4.6 當(dāng)速度反饋發(fā)生故障時(shí)，可臨時(shí)將系統(tǒng)反饋切換至電勢反饋，待工序轉(zhuǎn)入下一環(huán)節(jié)，電控系統(tǒng)暫時(shí)停用時(shí)再作修復(fù)，減少電控系統(tǒng)故障時(shí)間。

5 結(jié)語

經(jīng)上述改造后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。安裝時(shí)間從原來20天縮短至現(xiàn)在4天，電控平均故障時(shí)間從原來占故障時(shí)間50%降至不到10%。經(jīng)山東新汶礦業(yè)龍固礦主井、風(fēng)井，鄆城礦風(fēng)井等多個(gè)井筒施工實(shí)踐，證明改造設(shè)計(jì)方案先進(jìn)、選型正確，操作簡便，取得了較好經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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