电磁涡流刹车及其控制系统在石油钻机上的应用

李艳琴，邵崇权，王佳琦

（1.西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710077；2.中国石油技术开发公司，北京朝阳100028；3.大庆油田天然气分公司，黑龙江大庆163400）

电磁涡流刹车及其控制系统在石油钻机上的应用

李艳琴1，邵崇权2，王佳琦3

（1.西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710077；2.中国石油技术开发公司，北京朝阳100028；3.大庆油田天然气分公司，黑龙江大庆163400）

电磁涡流刹车以其工作原理简单、控制方便、制动力矩大、使用寿命长、操作维护简单、与机械配合容易等优点，被广泛应用于石油钻机上的下钻制动。简述电磁涡流刹车的工作原理及其对控制系统的要求并就整套设备的保护检测、现场应用等方面给出了控制策略和电路参考图。

电磁涡流刹车；配合要求；控制系统；应用保护

1 概述

电磁涡流刹车以其制动力矩大、特性好、与控制系统配合容易，可实现无级调节、可任意控制钻具下放速度等优点，在石油钻机上得到了广泛应用。本文对电磁涡流刹车的工作原理、性能、及其与控制系统的配合等方面进行阐述，以供配套商和用户参考。

2 工作原理

根据法拉第电磁感应定律，当穿过闭合回路所限定面的磁通量发生变化时，会产生感应电动势，其大小正比于磁通的时间变化率，方向由楞次定律（企图产生一电流以抵制原来磁通的变化）决定，数学表达式如下：

其中，t为时间，B（矢量）为磁感应强度，S（矢量）为回路l所限定的面。

对于电磁涡流刹车的结构而言，磁场由定子上的线圈产生，位置固定，大小通过外电路控制；转子由整块钢或其他导电材料组成，与绞车滚筒轴直连，当定子上通入直流电流产生磁场时，将在与滚筒一起转动而自成回路的转子表层部分产生涡电流，其大小由欧姆定律确定：

其中，r为一个磁极（N或S）下转子电流回路l的平均直流电阻，其大小随转子转速和磁场的强度而变化。定子磁场与转子涡电流相互作用产生的制动力由安培力定律决定：

下钻作业时的制动力矩取决于其线圈的匝数和励磁电流，而线圈的匝数已经固定，因此改变励磁电流的大小就能控制一定速度下制动力矩的大小。

3 配合要求

电磁涡流刹车与控制系统的配合方面主要有以下几个要求。

3.1 定子磁场

根据上述原理，为了较好地满足下钻工艺对速度的要求，只要精确地控制制动力（力矩）即可达到，一定速度下制动力矩的大小仅与定子所产生的瞬时磁场有关。因此，要求控制系统提供稳定的直流电流，以整流方式供电时，即使平均电流很小，电流脉动最大值不能超过定子铁芯接近饱和时的电流值，否则将使铁芯饱和、磁滞损耗增大、定子发热严重，制动性能降低。

3.2 转子发热

根据能量守恒定律，下钻的势能将转化为制动时涡流刹车转子的热能，即：

其中，m为大钩上钻柱的重量，h为一柱钻具长度（28m－32m），k为热功当量，η为转换效率，I为等效的发热电流，t为制动时间，C为转子的比热，M为转子质量，ΔT为温升。当连续下钻时间较长时，刹车转子的发热非常大，因此控制系统需要根据工况对此进行实时检测和保护。

3.3 定子发热

定子绕组的电阻在运行过程中发热，发热功率为：

其中，IR为励磁电流，0A－90A；R 为励磁电阻，4Ω－6Ω。当励磁电流为80A时，发热功率为25.6kW（R＝4Ω），可见相当严重，如不及时散热，将导致铁芯间和绕组的绝缘很快损坏，因此，控制系统需要根据工况对此进行实时检测和保护。

图1 电磁涡流刹车控制系统原理图

4 一种实用控制系统

4.1 控制系统的工作原理

电磁涡流刹车控制系统原理图如图1所示。

4.1.1 交流电力供电

给系统提供380VAC三相交流电源，分两路给系统供电。一路提供给冷却风机的电源，另一路是通过T1变压器给可控硅整流装置MJZL－200供电，变压器的输出端分为3个电压等级260VAC／290VAC／320VAC，一般使用260VAC电压等级，直流侧可输出约为0V－350VDC，刹车本体的阻值约为4Ω，通过调整可控硅的导通角使直流输出为0V－310VDC，从而控制励磁电流约可达到80A，使控制力满足要求。当然，也有刹车本体的阻值大于4Ω，达到5Ω－6Ω，为了保证所需要的励磁电流，可通过手动调档T1变压器的输出端来保证提供给负载所用的直流电压。

选用多挡变压器可使前后端电压较好地匹配，减小输出电压波动，保证电压的相对稳定性；因而使刹车力矩相对恒定，保护电磁线圈；同时使刹车本体的刹车力度处于饱和状态，使刹车效果更好。

4.1.2 三相整流装置

三相整流装置采用先进的具有国家专利的智能晶闸管三相整流模块MJYS－QKZL－200，将交流电压整流成连续可调的直流电压，开环控制，装置实时性强，工作稳定。

同时还通过阻容吸收电路、压敏电阻等，对过电压进行吸收，保护模块。

4.1.3 保护检测装置

图2 故障检测板原理图

对于所有的检测和保护，都可通过故障检测板进行，故障检测板原理如图2所示。

（1）交流故障检测

对整流模块的输入端要进行电源的欠压、过压、缺相和乱相等4种检测，该检测是通过电子保护继电器完成，三相380V电源作为继电器的检测对象，当三相380V电源在使用过程中出现欠压、过压、缺相和乱相时，继电器内部触点由原来TA和TC通变为TC和TB通，12V由AUX12端子进入故障检测板，导致门板上的交流故障灯亮。

（2）风机（或水泵）故障检测

由于电磁涡流刹车工作时会产生大量的热量，如果这些热量不能被及时带走，将会损坏电磁涡流刹车装置，所以风冷式电磁涡流刹车通过风机带走设备工作时产生的热量，水冷式电磁涡流刹车通过循环水带走设备工作时产生的热量。但是风机出口的风压大小（或冷却循环水的多少）也是一个关键的因素。当风压（或水量）低于所设的下限时，检测此标准的触点就会闭合，12V由 AUX11端子进入故障检测板，导致门板上的风机（或水泵）故障灯灯亮。

（3）直流故障检测

直流故障检测是检测系统中最关键的部分，如果出现直流故障，电磁涡流刹车的电磁阀就会断电，气路打开，导致转盘不工作。出现此类故障的原因是给定的电压大、输出的电流小，导致门板上的直流故障灯亮，电磁阀动作。

4.2 控制系统特点

控制系统具有以下特点。

（1）没有直接用380V整流，增加变压器以保证输出电流波动尽量小；

（2）电源输入回路配置了阻容、压敏保护电路以保证系统不受外界干扰；

（3）对控制系统强制散热以保证系统安全可靠运行；

（4）对输入电源进行欠压、过压、缺相、错相检测和互锁以保证系统使用正确、方便。

（5）对转子冷却介质（空气或水）情况进行检测以保证温升不超过设定值；

（6）设置了工作供电／停止断电功能以保证刹车不工作时控制系统不供电；

（7）其他指示、保护、报警功能。

5 结束语

本文根据电磁涡流刹车工作的原理及其与钻机协调工作时的实际情况，应用一种实用控制系统说明如何很好地满足控制系统的要求，并给出了一系列可供参考的控制策略和电路图，对控制系统的配套设计人员和用户正确地操作使用具有一定的借鉴作用。

［1］许开君.模拟电子技术机械［M］.北京：机械工业出版社.1994.

［2］黄 俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社.2005.

［3］张奇志.电动钻机自动化技术［J］.石油工业自动化，2006，（7）.

Application of electromagnetic eddy current brake and its control system in oil drilling rig

LI Yan－qin1，SHAO Chong－quan2，WANG Jia－qi3
（1.Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi’an 710077，China；2.China Petroleum Technology ＆ Development Co.，Beijing 100028，China；3.Natural Gas Branch Co.，Daqing Oil Field，Daqing 163400，China）

Since the advantages of the simple working principle，the convenient control，the large braking torque，the long service life，the simple operation and maintenance，and the easy mechanical coordination etc.，the electromagnetic eddy current brakes are widely used in the oil drilling rigs for braking.The working principle of the electromagnetic eddy current brake and its control requirements，protections，examinations，field applications as well as the relevant control strategies and circuit diagrams are also given.

electromagnetic eddy current brake；coordination requirements；control system；application protections

TE951

A

1005—7277（2016）05—0019—04

李艳琴（1976－），女，陕西合阳人，工程师，主要从事电气设计工作。

2016－07－11