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摘要：通过对AS9/500钻机电控系统改造，使直流调速系统从根本上得以改善，大大降低电控系统故障时间，取得较好效益。
关键词：钻机电控系统改造应用
1 改造前系统概况与特点
AS9/500钻机是钻井法施工主要钻机之一，制造于上个世纪八十年代初，设计钻井深度500米，钻井直径9米。额定提升能力为300吨，钻机提升下放依靠滚筒式绞车来完成，钻机的旋转依靠安装于钻台车上的转盘来驱动，绞车和转盘驱动电机均采用直流电动机，有关参数见表1-1，原电控系统原理如图1-1所示。
绞车提升和转盘旋转电控系统均采用有速度、电流、环流组成的三闭环可逆直流无级调速系统，采用回馈制动。根据工艺关系，二套调速系统形成独立回路但不同时工作，由主令控制开关通过切换控制其中一套系统处于工作状态。电控系统采用二组全控桥反并联联接，α=β工作制配合控制（实际由于电路存在移相不一致性等原因，调试整定时让α角稍大于β角，确保系统不存在直流环流），每组整流桥采用四只额定电流为500A晶闸管并联使用。控制部分由信号给定单元、多级运算放大单元、反馈信号单元、状态检测单元、触发单元等组成，全部采用模拟电子电路。原系统由于采用模拟电子技术，存在如下不足：
1．1 模拟电子电路在工作中稳定性较差，元器件易老化、损坏，放大器存在漂移，系统运行故障率相对较高。
1．2 原功率单元由于由四只晶闸管并联运行，一方面要求四只晶闸管一致性要高，另一方面一旦有一只晶闸管损坏，其他三只可能很快损坏。
1.3 钻机转场后，需要对系统重新进行调试、整定，工作量大，安装周期长。
1.4 需要配备专用同步变压器，用于触发脉冲与电源的同步匹配。
1.5 设备体积庞大，占用空间，各柜之间连线繁杂。需要较高水平专业人员维护。
1.6 调整修改参数必须停电进行，影响钻井工期。
1.7 系统故障没有记录，查找故障困难。
2 调速系统改造重点工作
2.1 随着电子技术迅速发展，用数字电子技术取代模拟电子技术是历史必然。经过认真调研，决定采用西门子数字直流调速装置6RA70改造原电控系统。6RA70直流调速装置是专为直流调速开发的集成装置，具有方便的输入、输出接口和各项保护功能，装置内集成有输入、输出模块（模拟输入、输出接口，数字输入、输出接口），各种运算放大器，加、减、乘、除法器，比较器，时间继电器等等，可方便根据需要在内部进行联接组合成不同的直流调速系统，装置还可以根据不同工作状态最多可分四组运行其中一组。
2.2 为节约资金，系统改造采用了6RA7018-6DV62-
0-Z装置，其额定电流为30A，额定励磁电流为5A，远远不能满足实际使用需要。因此，要对装置作部分改动，如图2-1所示。
具体为断开装置自带的功率单元与励磁单元。从功率单元交流输入侧用电流互感器取得电流信号，引入至装置X3.1、X3.2、X3.3、X3.4。作为电流反馈信号。从装置引出触发脉冲X11~X16、X21~X26至功率柜（功率单元）。励磁控制信号也由装置引出至外部励磁功率单元，从分流器二端取得信号作为磁场反馈信号。电机额定工作电流、额定励磁电流按相应比例值设定。
2.3 由于采用一套装置实现绞车提升与转盘旋转功能，而提升系统（位能负载）与转盘系统虽然电机参数一样，但二个系统机械特性是不一致的，因此系统运行参数是不一样的（如积分时间、比例倍数、反馈值等），装置要根据不同需求分组运行，使二套系统独立工作。通过安装在操作台上主令开关控制装置运行于一组（对应绞车提升）或二组（对应转盘旋转）。
2.4 调速系统采用的是他励直流电动机，绞车提升系统可根据负载不同，运行在不同工作状态。当绞车空钩时（由提升力大小自动判断），给调速装置一个信号，装置自动切换到三组，绞车自动投入弱磁（40%额定励磁）高速状态。
2.5 设置了机电配合延迟时间，并可根据需要调整，如绞车提升时可以让液压抱闸延时打开。绞车停止时可以延时锁零等。
3 传动原理
传动系统原理如图3-1所示。
2端为+10V端，3端为-10V端，5端接地，4端为输入端（电压0~10V或电流0~20mA，此次改造采用电压输入，信号来自操作台上给定信号发生器），正负给定信号均从4端与5端间加入（对应正转、反转）。开关SA1用于信号正负切换，SA2控制系统处于本控或远控状态，本控主要是系统调试和维修时使用。103端和104端为速度反馈（模拟量）输入端（电压型），电压范围为8~270V。36端为故障复位端，37端为装置启动停止端，38端为装置使能端。41端（对应B0020，内部联接P676）和42端（对应B0022，内部联接P677）为状态控制端，控制装置运行于不同工作状态，具体状态如表3-1所示。
211端为电机碳刷长度监控端，当碳刷过短，安装于碳刷架微动开关1XJ~4XJ其中之一动作，时间大于10S时，发出故障信号（对应显示F025）。212端为电机轴承运行状态监测端，当轴承运行状态差，时间大于2S时，发出故障信号（对应显示F026）。213端为电机冷却风机气流监视端，当气流停止，时间大于40S时，发出故障信号（对应显示F027）。214端为电机过热监控端，当电机过热，时间大于10S时，发出故障信号（对应显示F028）。46端、47端为故障输出端，用于控制外部设备，如液压站等。109端、110端为自保接点。有故障时，装置自动锁零并停车。
4 改造后调速系统特点
改造后系统采用二组三相全控桥反并联联接，每组整流桥由六只1200A晶闸管组成。取消了同步专用变电器、硒堆吸收装置，加装了压敏电阻和阻容吸收，绝缘监测装置。二组整流桥严格工作在α=β制下，从根本上确保不产生直流环流，确保系统更安全，更可靠。供电电压如果采用普通变压器380v供电，根据Ud=2.34U2×cosα计算，直流电压为440v时，最小整流角为31度，满足系统安全要求，不会产生逆变颠覆，但变压器最好采用△/Y接法，因为，全控桥工作时会产生多次谐波，特别是三次谐波，对电源产生不利影响，采用△/Y接法可使谐波在绕组内部流通，减少对电源影响。改造后系统具有如下特点：
4.1 提升系统和转盘旋转电控系统由一套装置（6RA7018-6DV62-0-Z）来完成控制，根据不同工况分组运行，每组运行参数可根据机械不同特性分别设置，调整至最佳。
4.2 直流控制调速系统设计有针对性，功能完善，各种保护齐全，参数修正方便、快捷，很大一部分参数可在线修改。
4.3 有通讯接口，可实现远程控制与通讯功能，也可实现计算机仿真等各种现代化管理。
4.4 设备转场后，无需重新调试整定，通电即可投入运行。
4.5 控制设备体积小，安装在改制的集装箱内，有利于拆除搬家、安装，具有保温、隔热和密封性能，使装置运行在良好工作环境中，更有利于野外作业施工。
4.6 当速度反馈发生故障时，可临时将系统反馈切换至电势反馈，待工序转入下一环节，电控系统暂时停用时再作修复，减少电控系统故障时间。
5 结语
经上述改造后，系统运行平稳可靠。安装时间从原来20天缩短至现在4天，电控平均故障时间从原来占故障时间50%降至不到10%。经山东新汶矿业龙固矿主井、风井，郓城矿风井等多个井筒施工实践，证明改造设计方案先进、选型正确，操作简便，取得了较好经济效益。
参考文献：
[1].张永成.钻井施工手册[M].煤炭工业出版社，2010年1月.
[2].张永成.钻井技术[M].煤炭工业出版社，2008年1月.
[3].煤矿建井工程综合技术手册[M]. 煤矿科技出版社，2008年11月.
关键词：钻机电控系统改造应用
1 改造前系统概况与特点
AS9/500钻机是钻井法施工主要钻机之一，制造于上个世纪八十年代初，设计钻井深度500米，钻井直径9米。额定提升能力为300吨，钻机提升下放依靠滚筒式绞车来完成，钻机的旋转依靠安装于钻台车上的转盘来驱动，绞车和转盘驱动电机均采用直流电动机，有关参数见表1-1，原电控系统原理如图1-1所示。
绞车提升和转盘旋转电控系统均采用有速度、电流、环流组成的三闭环可逆直流无级调速系统，采用回馈制动。根据工艺关系，二套调速系统形成独立回路但不同时工作，由主令控制开关通过切换控制其中一套系统处于工作状态。电控系统采用二组全控桥反并联联接，α=β工作制配合控制（实际由于电路存在移相不一致性等原因，调试整定时让α角稍大于β角，确保系统不存在直流环流），每组整流桥采用四只额定电流为500A晶闸管并联使用。控制部分由信号给定单元、多级运算放大单元、反馈信号单元、状态检测单元、触发单元等组成，全部采用模拟电子电路。原系统由于采用模拟电子技术，存在如下不足：
1．1 模拟电子电路在工作中稳定性较差，元器件易老化、损坏，放大器存在漂移，系统运行故障率相对较高。
1．2 原功率单元由于由四只晶闸管并联运行，一方面要求四只晶闸管一致性要高，另一方面一旦有一只晶闸管损坏，其他三只可能很快损坏。
1.3 钻机转场后，需要对系统重新进行调试、整定，工作量大，安装周期长。
1.4 需要配备专用同步变压器，用于触发脉冲与电源的同步匹配。
1.5 设备体积庞大，占用空间，各柜之间连线繁杂。需要较高水平专业人员维护。
1.6 调整修改参数必须停电进行，影响钻井工期。
1.7 系统故障没有记录，查找故障困难。
2 调速系统改造重点工作
2.1 随着电子技术迅速发展，用数字电子技术取代模拟电子技术是历史必然。经过认真调研，决定采用西门子数字直流调速装置6RA70改造原电控系统。6RA70直流调速装置是专为直流调速开发的集成装置，具有方便的输入、输出接口和各项保护功能，装置内集成有输入、输出模块（模拟输入、输出接口，数字输入、输出接口），各种运算放大器，加、减、乘、除法器，比较器，时间继电器等等，可方便根据需要在内部进行联接组合成不同的直流调速系统，装置还可以根据不同工作状态最多可分四组运行其中一组。
2.2 为节约资金，系统改造采用了6RA7018-6DV62-
0-Z装置，其额定电流为30A，额定励磁电流为5A，远远不能满足实际使用需要。因此，要对装置作部分改动，如图2-1所示。
具体为断开装置自带的功率单元与励磁单元。从功率单元交流输入侧用电流互感器取得电流信号，引入至装置X3.1、X3.2、X3.3、X3.4。作为电流反馈信号。从装置引出触发脉冲X11~X16、X21~X26至功率柜（功率单元）。励磁控制信号也由装置引出至外部励磁功率单元，从分流器二端取得信号作为磁场反馈信号。电机额定工作电流、额定励磁电流按相应比例值设定。
2.3 由于采用一套装置实现绞车提升与转盘旋转功能，而提升系统（位能负载）与转盘系统虽然电机参数一样，但二个系统机械特性是不一致的，因此系统运行参数是不一样的（如积分时间、比例倍数、反馈值等），装置要根据不同需求分组运行，使二套系统独立工作。通过安装在操作台上主令开关控制装置运行于一组（对应绞车提升）或二组（对应转盘旋转）。
2.4 调速系统采用的是他励直流电动机，绞车提升系统可根据负载不同，运行在不同工作状态。当绞车空钩时（由提升力大小自动判断），给调速装置一个信号，装置自动切换到三组，绞车自动投入弱磁（40%额定励磁）高速状态。
2.5 设置了机电配合延迟时间，并可根据需要调整，如绞车提升时可以让液压抱闸延时打开。绞车停止时可以延时锁零等。
3 传动原理
传动系统原理如图3-1所示。
2端为+10V端，3端为-10V端，5端接地，4端为输入端（电压0~10V或电流0~20mA，此次改造采用电压输入，信号来自操作台上给定信号发生器），正负给定信号均从4端与5端间加入（对应正转、反转）。开关SA1用于信号正负切换，SA2控制系统处于本控或远控状态，本控主要是系统调试和维修时使用。103端和104端为速度反馈（模拟量）输入端（电压型），电压范围为8~270V。36端为故障复位端，37端为装置启动停止端，38端为装置使能端。41端（对应B0020，内部联接P676）和42端（对应B0022，内部联接P677）为状态控制端，控制装置运行于不同工作状态，具体状态如表3-1所示。
211端为电机碳刷长度监控端，当碳刷过短，安装于碳刷架微动开关1XJ~4XJ其中之一动作，时间大于10S时，发出故障信号（对应显示F025）。212端为电机轴承运行状态监测端，当轴承运行状态差，时间大于2S时，发出故障信号（对应显示F026）。213端为电机冷却风机气流监视端，当气流停止，时间大于40S时，发出故障信号（对应显示F027）。214端为电机过热监控端，当电机过热，时间大于10S时，发出故障信号（对应显示F028）。46端、47端为故障输出端，用于控制外部设备，如液压站等。109端、110端为自保接点。有故障时，装置自动锁零并停车。
4 改造后调速系统特点
改造后系统采用二组三相全控桥反并联联接，每组整流桥由六只1200A晶闸管组成。取消了同步专用变电器、硒堆吸收装置，加装了压敏电阻和阻容吸收，绝缘监测装置。二组整流桥严格工作在α=β制下，从根本上确保不产生直流环流，确保系统更安全，更可靠。供电电压如果采用普通变压器380v供电，根据Ud=2.34U2×cosα计算，直流电压为440v时，最小整流角为31度，满足系统安全要求，不会产生逆变颠覆，但变压器最好采用△/Y接法，因为，全控桥工作时会产生多次谐波，特别是三次谐波，对电源产生不利影响，采用△/Y接法可使谐波在绕组内部流通，减少对电源影响。改造后系统具有如下特点：
4.1 提升系统和转盘旋转电控系统由一套装置（6RA7018-6DV62-0-Z）来完成控制，根据不同工况分组运行，每组运行参数可根据机械不同特性分别设置，调整至最佳。
4.2 直流控制调速系统设计有针对性，功能完善，各种保护齐全，参数修正方便、快捷，很大一部分参数可在线修改。
4.3 有通讯接口，可实现远程控制与通讯功能，也可实现计算机仿真等各种现代化管理。
4.4 设备转场后，无需重新调试整定，通电即可投入运行。
4.5 控制设备体积小，安装在改制的集装箱内，有利于拆除搬家、安装，具有保温、隔热和密封性能，使装置运行在良好工作环境中，更有利于野外作业施工。
4.6 当速度反馈发生故障时，可临时将系统反馈切换至电势反馈，待工序转入下一环节，电控系统暂时停用时再作修复，减少电控系统故障时间。
5 结语
经上述改造后，系统运行平稳可靠。安装时间从原来20天缩短至现在4天，电控平均故障时间从原来占故障时间50%降至不到10%。经山东新汶矿业龙固矿主井、风井，郓城矿风井等多个井筒施工实践，证明改造设计方案先进、选型正确，操作简便，取得了较好经济效益。
参考文献：
[1].张永成.钻井施工手册[M].煤炭工业出版社，2010年1月.
[2].张永成.钻井技术[M].煤炭工业出版社，2008年1月.
[3].煤矿建井工程综合技术手册[M]. 煤矿科技出版社，2008年11月.