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1、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、.2.7 电流互感器的选择 .192.3 晶闸管的触发电路 .20第 三章 控制电路 .213.1 PIC 单片机 .213.1.1 PIC16F877 的核心区 .223.1.2 PIC16F87X 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 .52兰州理工大学毕业设计说明书第五章 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
3、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
4、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 nIKTm2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mK2I励磁电流
5、;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2I去了制动转矩,司钻人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
6、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。兰州理工大学毕业设计说明书2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
7、安全操作规程的要求,本人对电磁刹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。而新产品的设计,采用了
8、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,平均无故障工作时间增长。c)为满足现场工作的需要,增加了各种故障的报警功能。如交流电源失电报警;三相电源缺相报警;功率模块故障报警;电磁刹车线圈超温报警。报警采用同时向司钻台操作工和配电房值班电工发出声光报警信号的方式。电磁涡流刹车电源是石油钻机中电力刹车的配套装置，它与涡流刹车主体配套使用，在石油钻井作业中，实现刹车功能。在石油钻井作业中，一口井一旦开钻，就要继续工作，直到完成中途不能停车，因此刹车电源的可靠性十分关键。它的任
9、何故障都会带来灾难性的后果，小到损坏部件，大则损坏整口井，因此设计一套可靠性高，系统响应快速性好的全数字电磁涡流刹车电源系统是很必要的。由电力电子器件构成的中小规模集成电路触发精度差、故障频率高，故采用计算机软件控制很有必要。晶闸管三相全控整流桥是全数字控制励磁电源的重要组成部分,采用 PIC 单片机发出触发脉冲克服了传统晶闸管模拟触发单元的响应时间长,触发角不可大幅变化和可靠性差等缺陷,且计算简便,响应速度快,抗干扰能力强,占用系统资源少。本系统的核心控制器是 PIC16F877,它具有集成程度高,运算速度快等优点,整个刹车系统结构简单、可靠性高、调节精度高和响应速度快。1.2 设计简介1.2.1 全数字电磁涡流刹车电源的工作原理全数字电磁涡流刹车电源系统可划为这样的过程:交流变直流过程即电源的整流滤波电路，整流滤波采用整流桥全波整流、电容滤波，使得输入的交流 380V/50Hz 电网交流电压经整流和滤波后，变成 50Hz 的直流脉动电压。在输出功率一定的情况下，增大滤波电容的容量可以减小脉动幅度，最后形成3直流输出。由司钻开关来改变给定电压来改变整流电路的移相触发角，从而改变直流输出。这一部分由单片机来实现。控制电路的工作原理是：三相全控桥的整流采用正弦波同步移相整流方式；主芯片选用PIC单片机，将司钻开关的输出值0
