晶閘管在石油鉆井行業(yè)的應(yīng)用及故障檢測

摘要：晶閘管能在高電壓、大電流條件下工作，在石油鉆井行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)各種類型的直流鉆機上，為了滿足鉆井工藝的需要，在泥漿泵、鉆機、轉(zhuǎn)盤上幾乎都是配備的800kW的直流電機。鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求鉆井設(shè)備以—定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，因此，以晶閘管為核心的直流控制系統(tǒng)成為了直流鉆機的首選。文章主要介紹了晶閘管的結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用和故障檢測。

關(guān)鍵詞：晶閘管；石油鉆井行業(yè)；故障檢測；萬用表；示波器

中圖分類號：TE951 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）29-0109-02

晶閘管全名是晶體閘流管，英文是thyristor，也叫可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）。1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，1958年開始在工業(yè)上開始廣泛地應(yīng)用。由于它能在高電壓、大電流條件下工作，具有耐壓高、容量大、體積小、重量輕、功耗低、效率高、壽命長及使用方便等特點，它在石油工業(yè)，特別是石油鉆井行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用，在現(xiàn)在的各種類型的鉆機上都能夠找到它們身影。晶閘管的電氣圖形符號如圖1所示：

圖1

1 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點

晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示：

圖2

晶閘管可以看作由PNP和NPN構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2組合而成，A、K、G分別為晶閘管的陽極、陰極、門極。在陽極和陰極之間有三個PN結(jié)，這種結(jié)構(gòu)使晶閘管具有可控的正向?qū)щ娞匦?，即給品閘管陽極對陰極加上正向電壓時，它還不能導(dǎo)電，元件呈正向阻斷狀態(tài)。要使晶閘管正向?qū)?，除了在陽極與陰極之間加上正向電壓外，還必須同時在門極與陰極之間加上一定的正向門極電壓，有足夠的門極電流IG流入才行，就是說，門極對元件導(dǎo)通與否起著控制作用。門極使晶閘管導(dǎo)通的過程稱為觸發(fā)。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門極就失去對它的控制作用。因此通常在門極上只要加上一個正向脈沖電壓即可觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，但無法使它關(guān)斷。要使已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷，可降低陽極電源EA或增大負(fù)載電阻R，使流過晶閘的陽極電流IA減少，當(dāng)IA減小至約幾十毫安時，它突然降到零。這時如果再增加EA或減少R，IA仍然為零，表明晶閘管已經(jīng)恢復(fù)阻斷。當(dāng)門極斷開時，維持晶閘管導(dǎo)通所需要的最小陽極電流叫維持電流IH。如果IA

因此，晶閘管正常工作時的特點是當(dāng)它承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；當(dāng)它承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

2 晶閘管的應(yīng)用

在國內(nèi)的各種類型直流鉆機上，為了滿足鉆井工藝的需要，在泥漿泵、鉆機、轉(zhuǎn)盤上幾乎都是配備的800kW的直流電機。鉆井行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求鉆井設(shè)備以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；在起下鉆等作業(yè)中，需要頻繁啟動和制動，要求盡快加減速以提高生產(chǎn)率，同時也要求盡量平穩(wěn)，因此，以晶閘管為核心的直流控制系統(tǒng)成為了直流鉆機的首選。

直流鉆機直流控制系統(tǒng)的整流橋為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。同時裝有強風(fēng)冷散熱裝置，并裝有過熱和短路檢測器件，完全能夠滿足鉆井工藝的要求。

在變頻鉆機和機械鉆機上，使用了軟啟動的電控設(shè)備一般也都使用了晶閘管。這里的軟啟動主要是用來控制30kW以上的交流電機，軟啟動里面使用的是塑封型雙向晶閘管。雙向晶閘管可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成，屬于單向晶閘管的派生器件，它允許電流從兩個方向流過，主要用于對交流電的控制。

3 晶閘管的故障檢測

在直流控制系統(tǒng)里面使用的單向晶閘管是平板型晶閘管，如圖3所示：

圖3

電控設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，可能會因為散熱系統(tǒng)不能良好工作、晶閘管的耐壓等級降低、大電流的沖擊等各種因素而導(dǎo)致晶閘管損壞。當(dāng)直流控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題之后，在鉆井現(xiàn)場能快速地查找出問題的癥結(jié)所在并處理問題是電氣從業(yè)人員應(yīng)當(dāng)具備的專業(yè)素養(yǎng)。下面介紹兩種現(xiàn)場診斷單向晶閘管的方法：

3.1 使用萬用表檢測

在使用萬用表檢測之前，務(wù)必斷開整流電路的所有電源?，F(xiàn)在使用的一般都是FLUKE等一些比較高級的數(shù)字型萬用表，這些萬用表大多使用的是9VDC的電池。對于大功率的平板型晶閘管的測量，9VDC作為門極觸發(fā)電壓是足夠的。

以FLUKE萬用表為例，在檢測時直接選擇電阻檔位測量即可，用紅黑兩表筆分別測任意兩引腳間正反向電阻直至找出讀數(shù)為數(shù)十歐姆的一對引腳，此時黑筆接的引腳為控制極門極G，紅筆接的引腳為陰極K，另一空腳為陽極A。此時將黑表筆接已判斷了的陽極A，紅表筆仍接陰極K。此時萬用表數(shù)值應(yīng)基本不變。用短接線瞬間短接陽極A和控制極G，此時萬用表讀數(shù)應(yīng)變大，阻值讀數(shù)為10歐姆左右。如陽極A接黑表筆，陰極K接紅表筆時，萬用表讀數(shù)發(fā)生較大變化，說明該單向晶閘管已

損壞。

在鉆井現(xiàn)場也可以使用比較法來判斷是哪一個或哪幾個晶閘管故障。在直流鉆機直流控制系統(tǒng)中的3相全控整流橋電路，采用的都是同樣規(guī)格型號的平板型晶閘管，并且一般在直流鉆機的電控系統(tǒng)中有四或五組同樣規(guī)格的直流控制系統(tǒng)。整流橋電路中的六個晶閘管出現(xiàn)問題之后，一般會使熔斷器燒毀導(dǎo)致直流控制柜的電源斷路器跳閘?？梢允褂萌f用表測量這六個晶閘管各自引腳之間的讀數(shù)，如果有數(shù)值差別很大的肯定就是問題

所在。

3.2 使用示波器檢測

如果鉆井現(xiàn)場有示波器，使用示波器檢測特別快速簡便。如果直流控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，那它對應(yīng)的直流柜的電源斷路器肯定跳閘而且合不上。在使用示波器之前，需要先檢查3相全控整流電路中的快速熔斷器是否完好，如果損壞，需要臨時將安裝在快速熔斷器上的微動開關(guān)閉合，這樣電源斷路器就能實現(xiàn)合閘。

合閘后，讓直流控制系統(tǒng)小負(fù)荷的帶動泥漿泵或其他設(shè)備運轉(zhuǎn)，然后通過示波器查看晶閘管觸發(fā)脈沖

波形。

晶閘管由于其良好的性能，它及其派生器件在石油鉆井行業(yè)的應(yīng)用將越來越廣泛。

參考文獻

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作者簡介：袁波（1979-），男，湖北松滋人，供職于西部鉆探國際鉆井公司，中級職稱，研究方向：電氣。