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1、目录第一章概述11.1设计背景11.2设计简介21.2.1全数字电磁涡流刹车电源的工作原理21.2.2主要设计内容31.2.3设计思想31.2.4拟采用的技术方案41.2.5全数字电磁涡流刹车电源的技术指标6第二章可控整流模块设计72.1相控整流主电路设计与计算72.1.1主回路理论分析72.2晶闸管的选择和保护电路设计112.2.1晶闸管的选择112.2.2晶闸管的保护122.2.3整流变压器的选择172.2.4散热器的选择182.2.5轴流风机182.2.6直流稳压电源182.2.7电流互感器的选择192.3晶闸管的触发电路20第三章
2、控制电路213.1PIC单片机213.1.1PIC16F877的核心区223.1.2PIC16F87X的外围模块区域243.2控制电路的外围模块283.2.1同步电路293.2.2移相触发303.3单片机控制器的软件设计323.3.1A/D转换原理343.3.2定时器TMR1的工作原理37第四章安全报警系统521第五章实验结果及其分析55结论58参考文献60英文原文与翻译61致谢77附录A元器件明细表78附录B系统主电路图81附录C系统控制电路图821第一章概述1.1设计背景电磁刹车是一种无机械摩擦的钻机辅助刹车,它利用电磁感应原理,将直
3、流电通入电磁刹车的定子线圈,产生恒定磁场,在绞车下放重物时,电磁刹车的转子切割定子磁场的磁力线,从而产生感应电势、电涡流和制动转矩,这时司钻人员可用司钻开关调节电磁刹车励磁电流的大小,从而灵活地控制刹车的制动转矩、控制下钻的速度快慢,不用主刹车而完成整个下钻作业。电磁刹车无摩擦、使用简便、维护工作量小,低速仍有较大制动转矩,是石油钻机理想的辅助刹车。然而,电磁刹车的制动力矩与定子励磁电流有关,如果失去励磁电流,电刹车的制动转矩将为零,这在下钻作业中是不允许的。因电磁刹车励磁电源故障、使刹车失去作用,而司钻人员又未发觉导致的事故并非罕见,轻
4、则伤人伤物,重者可导致井毁人亡。因此,在使用电磁刹车时,一套安全可靠的励磁电源是至关重要的。在国外一些大石油公司的钻井安全操作条例中,明文规定,当电磁刹车的励磁电源缺少可靠的保证时,不得投入使用。无论国产或进口的电磁刹车,根据其结构特点,均可近似为一台电枢回路短路的直流电机,励磁电流在定子线圈中产生恒定磁场,转子在外力拖动时产生感应电势和涡流,从而产生制动转矩,其大小为式中,T为制动转矩;P为定子磁极对数;为电磁刹车的结构系数为电磁刹车的励磁电流;n为电磁刹车转子转速。从公式可看出,T∝,若=0,则T=0,电磁刹车就失去了制动转矩,司钻人
5、员下钻时控制游车的下放速度,就是控制电磁刹车的励磁电流。目前国产电磁刹车的配套电源多为SCR元件的半控整流桥方式,而进口电磁刹车(如美国)则采用直流PWM方式,但二者最终都是依靠控制励磁电流大小来调节刹车转矩的。目前各油田电磁刹车,在现场使用中普遍存在着一些问题,留有较多的不安全因素。a)产品设计功能不全,缺少必要的安全报警措施。如交流失电、电源缺相SCR触发器脉冲丢失或SCR元件损坏的故障报警,使得司钻人员无法及时发现电磁刹车的故障,给钻井作业带来不安全隐患,如在下钻时电磁刹车失电,司钻人员往往措手不及,易造成游车下砸事故。b)老产品的
6、可靠性设计较差,产品的工艺设计落后,老产品整个装置均是由分立元器件组成,电子元器件数量多、焊点多、功能单元多,由于野外钻井现场的工作环境恶劣,导致电气元件易损坏,系统故障率高。且因电子元器件数量多、线路复杂,造成现场维修技术难度高、时间长,且备品备件供应较难。近年来,国内一些油田和厂家针对电磁刹车电源的缺点,相继开发了一些新产品,如电磁刹车安全报警置,取得了一定的应用成果,但并未从根本上解决电磁刹车电源所存在的问题。81针对目前电磁刹车电源的缺点,根据国内各油田钻井工作的实际情况,参照国外石油公司先进的钻井安全操作规程的要求,本人对电磁刹
7、车做了系统的可靠性分析,在此基础上开发探索新一代的电磁刹车电源。根据电子产品的失效概率模型和实践经验,我们认为元器件数量多、电子元件的应力裕量小、是老产品故障率高的主要原因。鉴于野外作业的工作环境差,井队搬迁的运输条件恶劣,过大的振动和各种机械的应力常导致电子线路引线折断、焊点脱落、电子元件提前老化失效。因此,采取了一系列技术措施,以提高新型电磁刹车电源的系统可靠性。a)减少构成系统的功能单元数量,以减少故障率。老产品采用分立电子元件制作电子脉冲触发板,二极管—SCR模块、同步变压器、控制电源、RC保护元件等单元,元器件总数达上百个之多。
8、而新产品的设计,采用了国际上最先进的智能化集成功率模块,将元件总数减少了80%,系统的可靠性则大为提高。b)提高主回路元件的裕度,降低主要元件的工作应力。降额使用的功率模块故障率大大下降,平均
