直流鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)研究

何小英，朱奇先，田斌，方永春

（1.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020；2.西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 830092）

直流鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)研究

何小英1，朱奇先1，田斌2，方永春3

（1.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020；2.西部鉆探工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 830092）

直流鉆機(jī)的能耗制動(dòng)為脫開滾筒后通過SCR系統(tǒng)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低到安全操作允許的范圍以內(nèi)，與變頻鉆機(jī)的名稱雖同但區(qū)別很大。以ZJ70D鉆機(jī)為例，敘述了其控制流程、工作過程、常見回路連接、主要單元及其配置中電氣器件的參數(shù)計(jì)算方法。同時(shí)說明通過對現(xiàn)代司鉆的操作程序要求，可以達(dá)到同樣目的而不必配置該功能。

直流鉆機(jī)；能耗制動(dòng)；控制流程；配置要點(diǎn)

直流鉆機(jī)為石油鉆探裝備行業(yè)里直流電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的簡稱，是指鉆機(jī)的絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等機(jī)械由直流電機(jī)及其變速裝置組成的控制系統(tǒng)（SCR）來拖動(dòng)。對5 000 m以上的深井鉆機(jī)，為保護(hù)絞車傳動(dòng)設(shè)備和工藝操作的安全，一般要求電控系統(tǒng)配置能耗制動(dòng)功能。本文以ZJ70D鉆機(jī)為例，對其工作過程、控制、配置要點(diǎn)等方面進(jìn)行研究，以供同行參考。

1 能耗制動(dòng)

在油、氣鉆探工程的起下鉆過程中，當(dāng)以高于貓頭速度轉(zhuǎn)動(dòng)的絞車滾筒從傳動(dòng)軸脫開時(shí)，雖然拖動(dòng)電機(jī)的SCR（不可逆、禁止能量回饋）調(diào)速裝置同時(shí)停止了功率輸出，但由于電機(jī)、傳動(dòng)箱、鏈條、傳動(dòng)軸等機(jī)械因慣性將繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，隨后只在摩擦損耗的作用下逐漸降低直到不動(dòng)為止。這個(gè)過程的時(shí)間隨鉆機(jī)的等級(jí)及供應(yīng)商的不同而不同，最短的也在10 s以上。如果在脫開后不久速度較高時(shí)因工藝要求又須再次掛合滾筒的傳動(dòng)軸時(shí)，將產(chǎn)生很大的機(jī)械沖擊，嚴(yán)重時(shí)有可能損壞設(shè)備或引起安全事故。為了避免這種情況的發(fā)生，要求SCR系統(tǒng)在此工況下控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)在最短的時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低到安全操作允許的范圍以內(nèi)，這段降速的工作過程就是直流鉆機(jī)的能耗制動(dòng)。由此可見與變頻鉆機(jī)的能耗制動(dòng)［1］名稱雖同，但其目的和工作過程區(qū)別很大。

2 控制流程

由上所述，拖動(dòng)電機(jī)工作于電動(dòng)和制動(dòng)兩種狀態(tài)，因此需要相應(yīng)的控制系統(tǒng)在兩者之間快速、安全、可靠的自動(dòng)切換。由于鉆機(jī)的行業(yè)習(xí)慣和特點(diǎn)，拖動(dòng)直流電機(jī)絕大多數(shù)選用了串勵(lì)。由其工作原理可知，相對于他勵(lì)，串勵(lì)的控制和切換比較復(fù)雜，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)不但要同時(shí)切換勵(lì)磁和電樞的供電回路，還需要兩種狀態(tài)回路的動(dòng)作有序、協(xié)調(diào)。最基本的控制流程為：1）檢測速度給定值；2）檢測速度實(shí)際值；3）延時(shí)；4）延時(shí)結(jié)束時(shí)，如果實(shí)際大于給定的速度，封鎖電動(dòng)回路觸發(fā)脈沖，斷開電動(dòng)回路連接（電樞、勵(lì)磁）；5）接通制動(dòng)用勵(lì)磁回路，延時(shí)；6）檢測勵(lì)磁電流上升到設(shè)定值；7）接通電樞到制動(dòng)回路；8）電機(jī)制動(dòng)，速度下降；9）比較實(shí)際與設(shè)定的速度值，在相等的允許范圍內(nèi)，延時(shí)后發(fā)出制動(dòng)結(jié)束指令；10）斷開電樞制動(dòng)回路；11）斷開制動(dòng)用勵(lì)磁回路；12）接通電動(dòng)回路（勵(lì)磁、電樞）；13）按照設(shè)定速度控制觸發(fā)脈沖使回路輸出相應(yīng)直流電源；14）電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在設(shè)定速度上。

3 制動(dòng)回路

制動(dòng)回路的切換連接方式多種多樣，圖1所示為一種常用的連接方式，其特點(diǎn)是勵(lì)磁可靠、切換迅速、無需控制。

圖1 電樞及勵(lì)磁回路連接Fig.1 Connection of armature and excitation circuit

圖1中，K1～K6為電樞的正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)回路切換接觸器；R為制動(dòng)電阻；MA，MB為串勵(lì)機(jī)的電樞和勵(lì)磁線圈，V1為隔離二極管；U1為整流橋；T1為隔離變壓器。

4 主要單元

4.1 控制

由于控制單元是按照上述流程結(jié)合電動(dòng)狀態(tài)統(tǒng)一配置的，只要處理好制動(dòng)狀態(tài)時(shí)勵(lì)磁電流和電樞電壓的檢測即可，本文從略。

4.2 勵(lì)磁

如圖1所示，勵(lì)磁單元包括V1，U1，MB，T1及其供電電源等。電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，U1所供電源被V1隔離；制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，V1導(dǎo)通，U1所供電源自動(dòng)投入。

4.3 電樞

電樞單元包括K1～K6，MA，R等，如圖1所示。電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，K1～K4協(xié)調(diào)閉合，K5，K6斷開；制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，K1～K4斷開，K5，K6閉合。

5 配置要點(diǎn)

5.4 勵(lì)磁配置

當(dāng)制動(dòng)時(shí)以額定電流勵(lì)磁，則需要的T1副邊電流為I2=0.816Ie=938.4 A，勵(lì)磁繞組上的壓降為UZ=IeR2=6.2 V,則需要T1副邊的最低電壓為U2=1.4+6.2/1.35≈6 V,因此勵(lì)磁變壓器的容量為

下面以ZJ70D鉆機(jī)的絞車為例，結(jié)合圖1，說明勵(lì)磁和電樞單元配置的要點(diǎn)。

5.1 電機(jī)參數(shù)

串勵(lì)雙電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：Pe= 800 kW,Ue=750 V,Ie=1 150 A,ne=970 r/min,Te=7 879 N?m,ηd=0.927,電樞繞組R1=0.013 53 Ω，勵(lì)磁繞組R2=0.005 35 Ω，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2D= 39.3 kg·m2。由此可知轉(zhuǎn)速常數(shù)Ce=0.773 2，轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT=6.986 1。

5.2 拖動(dòng)參數(shù)

根據(jù)某型ZJ70D鉆機(jī)的用戶手冊，查出電機(jī)到滾筒軸傳動(dòng)總效率ηz=0.932，根據(jù)文獻(xiàn)［2］及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，可得折算到電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2Z=2 797 kg?m2；拖動(dòng)等效軸最高轉(zhuǎn)速nmax=970 r/min,最低（錨頭）轉(zhuǎn)速nmin=97 r/min。

5.3 自由停車

由于總的傳動(dòng)效率為ηd=0.932，則摩擦轉(zhuǎn)矩為Tf=(1-ηd)Te=535.8 N?m，根據(jù)文獻(xiàn)［3］可以計(jì)算出自由停車的時(shí)間為≈10 kV?A,為了保證與電動(dòng)狀態(tài)協(xié)調(diào)，勵(lì)磁電源一般取自主電路（600 V），則T1的變比為k=6/600=0.01。V1，U1及連接電纜等根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)按照常規(guī)方法即可配置。

5.5 電樞配置

當(dāng)額定勵(lì)磁從電機(jī)最高速制動(dòng)時(shí)，電樞感應(yīng)的反電勢為E=750 V,為了快速停車，允許電樞以1.2倍的額定電流制動(dòng)時(shí)，則需要的最小制動(dòng)電阻為R=E/1.2Ie=0.54 Ω，當(dāng)電機(jī)從額定降到錨頭速度時(shí)，回饋的能量為

需要電阻消耗的能量為

電機(jī)在錨頭速度時(shí)電樞電流最大為

則制動(dòng)到此速度的最短時(shí)間為

最長時(shí)間為

平均時(shí)間為

則制動(dòng)電阻的最大平均功率為

折算到1個(gè)工作周期內(nèi)時(shí)則為

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，按照常規(guī)方法即可配置K5，K6和R等。

6 結(jié)論

直流鉆機(jī)為了功能完備，需要配置能耗制動(dòng)系統(tǒng)，但其工作過程和實(shí)現(xiàn)功能與變頻鉆機(jī)的相比區(qū)別很大?？刂茊卧谂渲脮r(shí)需要與電動(dòng)狀態(tài)統(tǒng)一考慮，協(xié)調(diào)控制；勵(lì)磁和電樞單元的配置，可以根據(jù)機(jī)械要求、操作習(xí)慣以及成本等因素綜合考慮，沒有固定格式。

本文所述的配法為理論極值情況。通過對大量直流鉆機(jī)工作過程的觀察，能耗制動(dòng)主要發(fā)生在起鉆到2層臺(tái)后脫開滾筒期間，在實(shí)際操作中，有經(jīng)驗(yàn)的司鉆通過適當(dāng)?shù)牟僮骺梢宰龅皆诿撻_滾筒后使電機(jī)的速度基本上能夠降到錨頭速度，因此制動(dòng)過程也就不會(huì)發(fā)生?？紤]到降低裝置成本提高市場競爭力以及使用戶維保簡單的實(shí)際，通過適當(dāng)規(guī)定司鉆操作程序，實(shí)現(xiàn)同樣效果而不必配置能耗制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇。

［1］朱奇先，張貴華，張振中，等.變頻鉆機(jī)能耗制動(dòng)系統(tǒng)研究［J］.電氣傳動(dòng)，2015，45（5）:75-77.

［2］陳如恒，沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［3］顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)（上冊）［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1980.

Research on Dynamic Braking System of DC Drilling Rig

HE Xiaoying1，ZHU Qixian1，TIAN Bin2，F(xiàn)ANG Yongchun3
（1.State Key Laboratory of Large Electric Drive System and Equipment Technology，Tianshui741020，Gansu，China；2.Xibu Drilling Engineering Co.，Ltd.，Urumqi830011，Xinjiang，China；3.Karamay Drilling Company of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Co.，Ltd.，Karamay830092，Xinjiang，China）

Through SCR system controlling motor，dynamic braking system of DC drilling rig was to achieve rotation speed reducing to the allowable range for safe operation in the shortest time after disconnecting drum.It was very different from that of variable frequency rig though they had the same name.Taking ZJ70D rig as an example，introduced the system’s control processes，work procedures，common circuit connection，main unit and method of parameters calculation of electrical devices.Also illustrated that through changing the operation procedures of modern driller，it could achieve the same goal without configuring the function.

DC drilling rig；dynamic braking；control processes；key points of configuration

TE922

A

10.19457/j.1001-2095.20161204

2015-10-08

修改稿日期：2016-06-18

何小英（1983-），女，學(xué)士，工程師，Email:843599714@qq.com