電磁渦流剎車及其控制系統(tǒng)在石油鉆機上的應用

李艷琴，邵崇權，王佳琦

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710077；2.中國石油技術開發(fā)公司，北京朝陽100028；3.大慶油田天然氣分公司，黑龍江大慶163400）

電磁渦流剎車及其控制系統(tǒng)在石油鉆機上的應用

李艷琴1，邵崇權2，王佳琦3

（1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710077；2.中國石油技術開發(fā)公司，北京朝陽100028；3.大慶油田天然氣分公司，黑龍江大慶163400）

電磁渦流剎車以其工作原理簡單、控制方便、制動力矩大、使用壽命長、操作維護簡單、與機械配合容易等優(yōu)點，被廣泛應用于石油鉆機上的下鉆制動。簡述電磁渦流剎車的工作原理及其對控制系統(tǒng)的要求并就整套設備的保護檢測、現(xiàn)場應用等方面給出了控制策略和電路參考圖。

電磁渦流剎車；配合要求；控制系統(tǒng)；應用保護

1 概述

電磁渦流剎車以其制動力矩大、特性好、與控制系統(tǒng)配合容易，可實現(xiàn)無級調節(jié)、可任意控制鉆具下放速度等優(yōu)點，在石油鉆機上得到了廣泛應用。本文對電磁渦流剎車的工作原理、性能、及其與控制系統(tǒng)的配合等方面進行闡述，以供配套商和用戶參考。

2 工作原理

根據法拉第電磁感應定律，當穿過閉合回路所限定面的磁通量發(fā)生變化時，會產生感應電動勢，其大小正比于磁通的時間變化率，方向由楞次定律（企圖產生一電流以抵制原來磁通的變化）決定，數(shù)學表達式如下：

其中，t為時間，B（矢量）為磁感應強度，S（矢量）為回路l所限定的面。

對于電磁渦流剎車的結構而言，磁場由定子上的線圈產生，位置固定，大小通過外電路控制；轉子由整塊鋼或其他導電材料組成，與絞車滾筒軸直連，當定子上通入直流電流產生磁場時，將在與滾筒一起轉動而自成回路的轉子表層部分產生渦電流，其大小由歐姆定律確定：

其中，r為一個磁極（N或S）下轉子電流回路l的平均直流電阻，其大小隨轉子轉速和磁場的強度而變化。定子磁場與轉子渦電流相互作用產生的制動力由安培力定律決定：

下鉆作業(yè)時的制動力矩取決于其線圈的匝數(shù)和勵磁電流，而線圈的匝數(shù)已經固定，因此改變勵磁電流的大小就能控制一定速度下制動力矩的大小。

3 配合要求

電磁渦流剎車與控制系統(tǒng)的配合方面主要有以下幾個要求。

3.1 定子磁場

根據上述原理，為了較好地滿足下鉆工藝對速度的要求，只要精確地控制制動力（力矩）即可達到，一定速度下制動力矩的大小僅與定子所產生的瞬時磁場有關。因此，要求控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電流，以整流方式供電時，即使平均電流很小，電流脈動最大值不能超過定子鐵芯接近飽和時的電流值，否則將使鐵芯飽和、磁滯損耗增大、定子發(fā)熱嚴重，制動性能降低。

3.2 轉子發(fā)熱

根據能量守恒定律，下鉆的勢能將轉化為制動時渦流剎車轉子的熱能，即：

其中，m為大鉤上鉆柱的重量，h為一柱鉆具長度（28m－32m），k為熱功當量，η為轉換效率，I為等效的發(fā)熱電流，t為制動時間，C為轉子的比熱，M為轉子質量，ΔT為溫升。當連續(xù)下鉆時間較長時，剎車轉子的發(fā)熱非常大，因此控制系統(tǒng)需要根據工況對此進行實時檢測和保護。

3.3 定子發(fā)熱

定子繞組的電阻在運行過程中發(fā)熱，發(fā)熱功率為：

其中，IR為勵磁電流，0A－90A；R 為勵磁電阻，4Ω－6Ω。當勵磁電流為80A時，發(fā)熱功率為25.6kW（R＝4Ω），可見相當嚴重，如不及時散熱，將導致鐵芯間和繞組的絕緣很快損壞，因此，控制系統(tǒng)需要根據工況對此進行實時檢測和保護。

圖1 電磁渦流剎車控制系統(tǒng)原理圖

4 一種實用控制系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)的工作原理

電磁渦流剎車控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

4.1.1 交流電力供電

給系統(tǒng)提供380VAC三相交流電源，分兩路給系統(tǒng)供電。一路提供給冷卻風機的電源，另一路是通過T1變壓器給可控硅整流裝置MJZL－200供電，變壓器的輸出端分為3個電壓等級260VAC／290VAC／320VAC，一般使用260VAC電壓等級，直流側可輸出約為0V－350VDC，剎車本體的阻值約為4Ω，通過調整可控硅的導通角使直流輸出為0V－310VDC，從而控制勵磁電流約可達到80A，使控制力滿足要求。當然，也有剎車本體的阻值大于4Ω，達到5Ω－6Ω，為了保證所需要的勵磁電流，可通過手動調檔T1變壓器的輸出端來保證提供給負載所用的直流電壓。

選用多擋變壓器可使前后端電壓較好地匹配，減小輸出電壓波動，保證電壓的相對穩(wěn)定性；因而使剎車力矩相對恒定，保護電磁線圈；同時使剎車本體的剎車力度處于飽和狀態(tài)，使剎車效果更好。

4.1.2 三相整流裝置

三相整流裝置采用先進的具有國家專利的智能晶閘管三相整流模塊MJYS－QKZL－200，將交流電壓整流成連續(xù)可調的直流電壓，開環(huán)控制，裝置實時性強，工作穩(wěn)定。

同時還通過阻容吸收電路、壓敏電阻等，對過電壓進行吸收，保護模塊。

4.1.3 保護檢測裝置

圖2 故障檢測板原理圖

對于所有的檢測和保護，都可通過故障檢測板進行，故障檢測板原理如圖2所示。

（1）交流故障檢測

對整流模塊的輸入端要進行電源的欠壓、過壓、缺相和亂相等4種檢測，該檢測是通過電子保護繼電器完成，三相380V電源作為繼電器的檢測對象，當三相380V電源在使用過程中出現(xiàn)欠壓、過壓、缺相和亂相時，繼電器內部觸點由原來TA和TC通變?yōu)門C和TB通，12V由AUX12端子進入故障檢測板，導致門板上的交流故障燈亮。

（2）風機（或水泵）故障檢測

由于電磁渦流剎車工作時會產生大量的熱量，如果這些熱量不能被及時帶走，將會損壞電磁渦流剎車裝置，所以風冷式電磁渦流剎車通過風機帶走設備工作時產生的熱量，水冷式電磁渦流剎車通過循環(huán)水帶走設備工作時產生的熱量。但是風機出口的風壓大小（或冷卻循環(huán)水的多少）也是一個關鍵的因素。當風壓（或水量）低于所設的下限時，檢測此標準的觸點就會閉合，12V由 AUX11端子進入故障檢測板，導致門板上的風機（或水泵）故障燈燈亮。

（3）直流故障檢測

直流故障檢測是檢測系統(tǒng)中最關鍵的部分，如果出現(xiàn)直流故障，電磁渦流剎車的電磁閥就會斷電，氣路打開，導致轉盤不工作。出現(xiàn)此類故障的原因是給定的電壓大、輸出的電流小，導致門板上的直流故障燈亮，電磁閥動作。

4.2 控制系統(tǒng)特點

控制系統(tǒng)具有以下特點。

（1）沒有直接用380V整流，增加變壓器以保證輸出電流波動盡量?。?/p>

（2）電源輸入回路配置了阻容、壓敏保護電路以保證系統(tǒng)不受外界干擾；

（3）對控制系統(tǒng)強制散熱以保證系統(tǒng)安全可靠運行；

（4）對輸入電源進行欠壓、過壓、缺相、錯相檢測和互鎖以保證系統(tǒng)使用正確、方便。

（5）對轉子冷卻介質（空氣或水）情況進行檢測以保證溫升不超過設定值；

（6）設置了工作供電／停止斷電功能以保證剎車不工作時控制系統(tǒng)不供電；

（7）其他指示、保護、報警功能。

5 結束語

本文根據電磁渦流剎車工作的原理及其與鉆機協(xié)調工作時的實際情況，應用一種實用控制系統(tǒng)說明如何很好地滿足控制系統(tǒng)的要求，并給出了一系列可供參考的控制策略和電路圖，對控制系統(tǒng)的配套設計人員和用戶正確地操作使用具有一定的借鑒作用。

［1］許開君.模擬電子技術機械［M］.北京：機械工業(yè)出版社.1994.

［2］黃 俊.電力電子技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社.2005.

［3］張奇志.電動鉆機自動化技術［J］.石油工業(yè)自動化，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

李艷琴（1976－），女，陜西合陽人，工程師，主要從事電氣設計工作。

2016－07－11