直流钻机能耗制动系统研究

何小英，朱奇先，田斌，方永春

（1.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃 天水 741020；2.西部钻探工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；3.西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆 克拉玛依 830092）

直流钻机能耗制动系统研究

何小英1，朱奇先1，田斌2，方永春3

（1.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃 天水 741020；2.西部钻探工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；3.西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆 克拉玛依 830092）

直流钻机的能耗制动为脱开滚筒后通过SCR系统控制电机，实现在最短的时间内将转动速度降低到安全操作允许的范围以内，与变频钻机的名称虽同但区别很大。以ZJ70D钻机为例，叙述了其控制流程、工作过程、常见回路连接、主要单元及其配置中电气器件的参数计算方法。同时说明通过对现代司钻的操作程序要求，可以达到同样目的而不必配置该功能。

直流钻机；能耗制动；控制流程；配置要点

直流钻机为石油钻探装备行业里直流电驱动钻机的简称，是指钻机的绞车、转盘、泥浆泵等机械由直流电机及其变速装置组成的控制系统（SCR）来拖动。对5 000 m以上的深井钻机，为保护绞车传动设备和工艺操作的安全，一般要求电控系统配置能耗制动功能。本文以ZJ70D钻机为例，对其工作过程、控制、配置要点等方面进行研究，以供同行参考。

1 能耗制动

在油、气钻探工程的起下钻过程中，当以高于猫头速度转动的绞车滚筒从传动轴脱开时，虽然拖动电机的SCR（不可逆、禁止能量回馈）调速装置同时停止了功率输出，但由于电机、传动箱、链条、传动轴等机械因惯性将继续高速旋转，随后只在摩擦损耗的作用下逐渐降低直到不动为止。这个过程的时间随钻机的等级及供应商的不同而不同，最短的也在10 s以上。如果在脱开后不久速度较高时因工艺要求又须再次挂合滚筒的传动轴时，将产生很大的机械冲击，严重时有可能损坏设备或引起安全事故。为了避免这种情况的发生，要求SCR系统在此工况下控制电机，实现在最短的时间内将转动速度降低到安全操作允许的范围以内，这段降速的工作过程就是直流钻机的能耗制动。由此可见与变频钻机的能耗制动［1］名称虽同，但其目的和工作过程区别很大。

2 控制流程

由上所述，拖动电机工作于电动和制动两种状态，因此需要相应的控制系统在两者之间快速、安全、可靠的自动切换。由于钻机的行业习惯和特点，拖动直流电机绝大多数选用了串励。由其工作原理可知，相对于他励，串励的控制和切换比较复杂，状态转换时不但要同时切换励磁和电枢的供电回路，还需要两种状态回路的动作有序、协调。最基本的控制流程为：1）检测速度给定值；2）检测速度实际值；3）延时；4）延时结束时，如果实际大于给定的速度，封锁电动回路触发脉冲，断开电动回路连接（电枢、励磁）；5）接通制动用励磁回路，延时；6）检测励磁电流上升到设定值；7）接通电枢到制动回路；8）电机制动，速度下降；9）比较实际与设定的速度值，在相等的允许范围内，延时后发出制动结束指令；10）断开电枢制动回路；11）断开制动用励磁回路；12）接通电动回路（励磁、电枢）；13）按照设定速度控制触发脉冲使回路输出相应直流电源；14）电机运转在设定速度上。

3 制动回路

制动回路的切换连接方式多种多样，图1所示为一种常用的连接方式，其特点是励磁可靠、切换迅速、无需控制。

图1 电枢及励磁回路连接Fig.1 Connection of armature and excitation circuit

图1中，K1～K6为电枢的正反转及制动回路切换接触器；R为制动电阻；MA，MB为串励机的电枢和励磁线圈，V1为隔离二极管；U1为整流桥；T1为隔离变压器。

4 主要单元

4.1 控制

由于控制单元是按照上述流程结合电动状态统一配置的，只要处理好制动状态时励磁电流和电枢电压的检测即可，本文从略。

4.2 励磁

如图1所示，励磁单元包括V1，U1，MB，T1及其供电电源等。电动状态时，U1所供电源被V1隔离；制动状态时，V1导通，U1所供电源自动投入。

4.3 电枢

电枢单元包括K1～K6，MA，R等，如图1所示。电动状态时，K1～K4协调闭合，K5，K6断开；制动状态时，K1～K4断开，K5，K6闭合。

5 配置要点

5.4 励磁配置

当制动时以额定电流励磁，则需要的T1副边电流为I2=0.816Ie=938.4 A，励磁绕组上的压降为UZ=IeR2=6.2 V,则需要T1副边的最低电压为U2=1.4+6.2/1.35≈6 V,因此励磁变压器的容量为

下面以ZJ70D钻机的绞车为例，结合图1，说明励磁和电枢单元配置的要点。

5.1 电机参数

串励双电机拖动，电机的额定数据为：Pe= 800 kW,Ue=750 V,Ie=1 150 A,ne=970 r/min,Te=7 879 N⋅m,ηd=0.927,电枢绕组R1=0.013 53 Ω，励磁绕组R2=0.005 35 Ω，转子转动惯量GD2D= 39.3 kg·m2。由此可知转速常数Ce=0.773 2，转矩常数CT=6.986 1。

5.2 拖动参数

根据某型ZJ70D钻机的用户手册，查出电机到滚筒轴传动总效率ηz=0.932，根据文献［2］及相关数据的计算，可得折算到电机轴的等效转动惯量GD2Z=2 797 kg⋅m2；拖动等效轴最高转速nmax=970 r/min,最低（锚头）转速nmin=97 r/min。

5.3 自由停车

由于总的传动效率为ηd=0.932，则摩擦转矩为Tf=(1-ηd)Te=535.8 N⋅m，根据文献［3］可以计算出自由停车的时间为≈10 kV⋅A,为了保证与电动状态协调，励磁电源一般取自主电路（600 V），则T1的变比为k=6/600=0.01。V1，U1及连接电缆等根据相关数据按照常规方法即可配置。

5.5 电枢配置

当额定励磁从电机最高速制动时，电枢感应的反电势为E=750 V,为了快速停车，允许电枢以1.2倍的额定电流制动时，则需要的最小制动电阻为R=E/1.2Ie=0.54 Ω，当电机从额定降到锚头速度时，回馈的能量为

需要电阻消耗的能量为

电机在锚头速度时电枢电流最大为

则制动到此速度的最短时间为

最长时间为

平均时间为

则制动电阻的最大平均功率为

折算到1个工作周期内时则为

根据以上数据，按照常规方法即可配置K5，K6和R等。

6 结论

直流钻机为了功能完备，需要配置能耗制动系统，但其工作过程和实现功能与变频钻机的相比区别很大。控制单元在配置时需要与电动状态统一考虑，协调控制；励磁和电枢单元的配置，可以根据机械要求、操作习惯以及成本等因素综合考虑，没有固定格式。

本文所述的配法为理论极值情况。通过对大量直流钻机工作过程的观察，能耗制动主要发生在起钻到2层台后脱开滚筒期间，在实际操作中，有经验的司钻通过适当的操作可以做到在脱开滚筒后使电机的速度基本上能够降到锚头速度，因此制动过程也就不会发生。考虑到降低装置成本提高市场竞争力以及使用户维保简单的实际，通过适当规定司钻操作程序，实现同样效果而不必配置能耗制动系统是一个很好的选择。

［1］朱奇先，张贵华，张振中，等.变频钻机能耗制动系统研究［J］.电气传动，2015，45（5）:75-77.

［2］陈如恒，沈家骏.钻井机械的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1995.

［3］顾绳谷.电机及拖动基础（上册）［M］.北京：中国农业出版社，1980.

Research on Dynamic Braking System of DC Drilling Rig

HE Xiaoying1，ZHU Qixian1，TIAN Bin2，FANG 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，学士，工程师，Email:843599714@qq.com