ZJ50D电动钻机绞车驱动控制系统设计

西安石油大学本科毕业设计（论文）

毕业设计（论文）任务书

题 目 学生姓名 ZJ50D电动钻机绞车驱动控制系统设计 学号 专业班级 自0903 绞车在电动钻机中属于起升系统，它在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送进等。ZJ50D电动钻机是直流驱动型式，其绞车驱动系统的功能就是驱动控制柜对绞车直流电动机的运行状态进行设计（论文）内容及基本要求 控制，主要包括控制直流电动机的正、反转运行；控制电动机的启动、停止和转速等。本次毕业设计的任务就是设计ZJ50D电动钻机绞车驱动系统，设计要求如下： 1、了解ZJ50D电动钻机电气控制系统的结构和组成。 2、学习掌握ZJ50D电动钻机绞车驱动系统的功能和结构。 3、设计ZJ50D电动钻机绞车驱动系统。 4、用AutoCAD绘制设计图。 5、完成论文的写作。 6、完成15000字符以上的英文资料翻译。 设计（论文）起止时间 设计（论文）地点 指导教师签名 系（教研室）主任签名 学生签名 2013 年 3 月 日 至 2013 年 6 月 日 西安石油大学电子工程学院自动化教研室 年 月 日 年 月 日 年 月 日 西安石油大学本科毕业设计（论文）

ZJ50D

电动钻机绞车驱动控制系统设计

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摘 要：电动钻机是当今油气田开发必不可少的钻机设备。所以，了解电动钻机有重要的意义。而绞车却是电动钻机一个重要的组成部分。绞车在电动钻机中，主要有以下作用：绞车电动机的正转、反转和两台绞车电动机的串联，绞车也能控制转速。

本文主要设计ZJ50D电动钻机绞车驱动控制系统。通过查阅相关资料，了解电动钻机的的发展历史及发展现状。理解绞车驱动系统的主电路图，并分析如何通过各触点的变化来控制电动机的运动状态；简单了解能耗制动；各种指配关系式通过什么实现的，并了解有几种工况，各种工况下又实现什么功能，各SCR柜的供电关系，能看懂工况指配关系图。初步分析绞车各种运行状态的控制线路图，如正转、反转和串联。最后，了解和分析绞车转速控制线路图。

关键词： 电动钻机；绞车；正反转；转速

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ZJ50D Electric Rig Winch Drive Control System Design

Abstract: Electric drill is essential of drilling equipment in today's oil and gas field development . Thus, Learning electric drill has important significance. However, the winch is an important part of the electric drill. In the electric drill, winch has the following actions: winch motor forward, reverse and two winch motors in series , winch also can control the speed.

This article mainly design ZJ50D electric drill winch drive control system. To understand the history of development of electric drills and development status through access to relevant information. Understand the main circuit diagram of winch drive system, and analyze how to control the variation of the contact state of motion of the motor; understand simply braking; to achieve relationships with a variety of means through what, and understand several conditions, various conditions achieve what function, various SCR cabinet’s power relations, and be able to read the assignment diagram working conditions. Preliminary analysis of various operating states winch control circuit diagram , such as forward, reverse and series. Finally, to understand and analyze the winch speed control circuit diagram.

Keywords:Electric drill；Winch；Reversible；Speed

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目 录

1 绪 论 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

1.1 课题背景及目的 .................................................................. 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究状况 .................................................................. 错误！未定义书签。 1. 3 课题研究方法 ..................................................................... 错误！未定义书签。 2 ZJ50D电动钻机简介 .................................................................. 错误！未定义书签。

2.1 钻机概述 .............................................................................. 错误！未定义书签。

2.1.1 钻机的组成及分类 .................................................. 错误！未定义书签。 2.1.2 钻机分类 .................................................................. 错误！未定义书签。 2.2 电动钻机驱动型式 .............................................................. 错误！未定义书签。 2.3 用于电动钻机中的直流电动机的特殊性 .......................... 错误！未定义书签。 2.4 直流驱动控制系统SCR柜 ................................................ 错误！未定义书签。

2.4.1 SCR柜中的电器元件 ................................................ 错误！未定义书签。 2.4.2 整流桥的总体设计 .................................................... 错误！未定义书签。 2.4.3浪涌抑制电路 ............................................................. 错误！未定义书签。 2.5 自动控制系统的类型 .......................................................... 错误！未定义书签。

2.5.1 闭环控制系统 ............................................................ 错误！未定义书签。 2.5.2 双闭环调节系统 ........................................................ 错误！未定义书签。

3 ZJ50D电动钻机绞车驱动控制系统设计 ..................................... 错误！未定义书签。

3.1 绞车驱动系统 ...................................................................... 错误！未定义书签。 3.2 绞车能耗制动 ...................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 工况指配关系 ...................................................................... 错误！未定义书签。

3.3.1工况指配开关 ............................................................. 错误！未定义书签。 3.3.2 选择开关 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.4 绞车运行状态控制 .............................................................. 错误！未定义书签。

3.4.1 绞车电动机正转 ........................................................ 错误！未定义书签。 3.4.2 绞车电动机反转 ........................................................ 错误！未定义书签。 3.4.3 DWS正转 ................................................................... 错误！未定义书签。 3.5 转速控制 .............................................................................. 错误！未定义书签。 4 结 论 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 5.参考文献 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 6 致 谢 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 7 附 录 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

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1 绪 论 1.1 课题背景及目的

随着石油上钻井及采油的发展，绞车的应用越来越广泛。而电驱动绞车的应用也越来越明显。石油钻机绞车是石油钻机上一个极重要的工作部件，设计绞车的主要依据，就是要求要适合钻井工艺。

近几年来，由于石油钻井业的发展，技术和装备水平的不断提高，因而钻井数量减少，钻机使用量大幅度降低。我国石油钻机一方面是数量上过剩；另一方面是质量不高、品种不全。在国内钻机生产厂家生产疲软的情况下，却又不得不花巨资从国外引进大量石油钻机。面对如此局面，凡从事石油机械事业的国人不得不考虑如何振兴民族工业，使我国的石油钻机赶上世界先进水平。

石油钻机绞车是石油钻机上一个极重要的工作部件，设计绞车的主要依据，就是要求要适合钻井工艺。

钻机的类型有多种多样，但仅从钻深能力上来说，按照我国1999年发布的《石油钻机型式与基本参数》规定，在选定钻杆为114mm的情况下，钻机分为1000m，1500m，2000m，3000m，4000m，5000m，7000m，9000m和12000m等九个级别。

一套钻机一般来说应具有旋转钻井、钻井液循环、钻具起升、动力机组、传动、控制、底座和辅助设备等八大系统和设备。绞车是钻机运动转化和速度变化及维持外头恒定钻压的重要机构，是钻机的核心部件。

目前，我国最大钻机钻深能力仅为7000m，而世界发达国家的钻机钻深已达到15000m。为缩小差距，适应国际竞争及国内进一步打井工作需要，我们只有成熟现有的技术，以便向更先进的技术迈进。在目前形势下，如果我们没有自己制造的电驱动钻机，就很难打入世界市场，也无法再提高我们的钻井水平。因此，电驱动钻机绞车的设计及应用势在必行，这就要求我们当代大学生务必求实认真，更要活学活用，努力提高自己的创新思维，从而为我国的石油事业做出贡献。为此，本文设计研究5000米钻机绞车工作很有实际价值意义，此次研究工作将为我国ZJ90DB钻机的研制打下基础。

1.2 国内外研究状况

我国电动钻机电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期。20世纪80年代末，在借鉴国外先进技术的前提下，生产出我国第一台直流驱动的ZJ45D陆地电动钻机。20 世纪90年代，通过引进国外核心电气控制模拟单元，生产出深井直流电动钻机，如ZJ50D和ZJ70D。20世纪90年代后期，在引进国外全数字控制技术的基础上，开始全数字钻机电气控制系统的研究，如采用国外数字直流调速器，将模拟控制直流电动钻机升级为数字控制直流电动钻机。全数字电控系统是目前电控系统的主流，它是用微处理器实现软件控制，具有完善的故障自诊断、运行、显示和保护功能、，全数字控制系统各环节的控制参数可实时调整．以满足钻井工艺新要求

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和钻井工况的实时变化。

国内目前电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式，驱动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置品种齐全．可满足用户的不同需求。在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能（即防止上碰下砸功能）；外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度：同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同的岩层结构．提高钻井质量。

国外在1994年已生产出了全自动化钻机样机。现已研制出自动化、智能化电动钻机，在钻井实践中取得了较好的使用效果。

（1）美国W-N Apache联合公司自动化钻机：其研制的自动化石油钻机，采用动力水龙头钻井方法，配备了自动移运和排放立根系统；采用微机控制系统，以监控钻机操作各工序正常作业；钻井深度为6096m。其特点是钻机的总重量较轻，安装拆卸时间减少50%；采用自动化控制系统，可在1min之内完成接单根作业，节约钻井时间l 2%一1 5%；全钻机只需要2人进行操作。

（2）挪威自动化钻机：挪威Temco公司生产的全自动化钻机，采用液压驱动的顶部驱动钻井系统，选用了一种轻型钻机结构，可降低钻井成本；采用机器人进行操作，在钻机中采用了许多新材料和智能技术，使钻井作业全自动化。

（3）小井眼自动化石油钻机：采用动力水龙头钻井方式，液压大钳、自动卡瓦、水平堆放钻杆，由机械手进行移运与排放。该钻机自动化程度较高，接单根时间只需要6s。实际应用中，电驱动钻机比机械驱动钻机具有更好的经济效益。 电动钻机钻机的发展趋势，21世纪科学技术日新月异，在提高钻机效率，降低钻井成本的技术要求不断推动下，电动钻机正在朝自动化、智能化、高适应性、高可靠性、大型化方面发展。 （1）高适应性

随着钻井条件越来越恶劣，出现各种特殊钻井工艺。简单的提高钻井时效已不能满足其要求，而是要通过钻井作业提高采收率，提高勘探开发成功率。未来的钻机必须适应这些特殊钻井工艺的需要，这就要求钻机既要适应各种恶劣的环境，同事配套设备应具有以下足够的能力，例如钻机的安全系数，提升能力，钻井泵功率，泵压、转盘开口致敬等参数都需要提高。 （2）数字化、信息化、自动化和智能化

实现数字化、信息化、自动化、智能化的钻机、需具备完善的司钻控制系统，钻井参数系统、综合录井系统、远程监控系统，在线监测系统、远程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系统、电、气、液集成控制系统。钻台自动化机具系统、井眼轨迹自动化控制系统、随钻测量系统等。未来的交流变频钻机，必将具备远程操作、钻井信息共享、钻井全过程智能化控制功能，从而整整实现远程支持、

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只能优化钻井。

（3）高经济性和安全性

在起下钻作业中，绞车全过程数字闭环控制，可以最大限度地提高钻机时效，同时减少发生井下事故和出现井下复杂情况发生的可能性，数控恒钻压自动送钻技术对于提高钻井时效的作用更是有目共睹。利用交流变频技术、计算机技术、通信技术等优势提高其运行的经济性和安全性，应成为钻机技术创新的主要发展方向。 （4）高效移动性

通过国产电动钻机参与国际市场竞争的过程可以看到，在其他方面与国外钻机相差不大的情况下，高移运性已成为其重要的考虑因素。提高钻机整体移运性，除注意模块化设计外，还要依靠先进的移运技术即考虑。如何优化钻机结构、提高模块化水平化水平、减少运输车次、降低安装难度等问题。

（5）为了进一步开发更深地层的油气资源，国外已研制出特深井钻机，钻井深度已达到15240m。国内也正在研究万米钻机。

由钻机发展的趋势看，电气控制系统将朝着智能化、网络化、开放化、大功率方向发展。 （1）智能化

由于相关技术的发展和现代控制理论在钻机电气控制系统的应用，使只能化钻机按照现场实时工况自动完成设计的任务，并通过自诊断功能减少人为的因素和失误，减少设备及工具的故障率，如根据油藏地质变化及时提钻、换钻杆、下钻。

随着对钻井过程透明化的进一步提高，随钻诊断相关技术的发展，从而可以快速的准确地为电气控制系统提供实时数据，结合控制中心安装的控制、预算法法库和原始数据库，为电动钻机智能化的实现提供技术保障，如实现钻头磨损诊断。

智能钻具系统技术使链接所有井下分离部件成为现实，该连接由能传输数据到其他部件且相互没有电气连接的变送器构成。智能钻具的双向传输数据速率达2Mb/s，它支持高精度随钻测井仪器，并能协调控制井下机械装置，因此智能钻具系统的开发必将使电气控制系统的智能化日趋完美。 （2）网络化

网络化就是通过网络将个控制检测等部件相连或将钻井过程所需的资源共享，可分为现场总线网络和外部网络，现场总线网络指电气控制系统的发电控制单元、驱动柜、PLC、HMI等以现场总线相连接，建立企业内网，可将多台钻机联网，实现最优化调度。井下网络拓宽了现场总线范畴。井下的每个仪器设备定义为具有唯一地址的节点，每个节点能够检测或中继数据。该网络通过网络协议软件和硬件来完成各分散仪器设备间的信息传输，其采用双向通信方式，不仅能高速传出井下数据，而且可实现地面发命令给井下仪器设备。该网络的建成将极大地提高钻井的可靠性和效率。

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（3）开放化

开放化就是电气控制系统软硬件具有互联标准，能有效运行在不同的平台上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即互操作性、可移植性、可扩展性和可互换性。随着计算机软硬件技术的发展，提出了可配置自动钻机系统。由于开放化系统软硬件的柔性，可以容易改变其基本配置，并可让第三方在圆系统配置上参与开发，以实现软硬件真正的即插即用；而且第三方软硬件作为系统的扩展，可实现数据共享。开放化电气控制系统便于生产管理，可提高钻井效率。

电动钻机电气控制系统智能化、网络化、开放化的发展相互协调，对现代钻机的发展必将产生深远的影响。但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所与麻省理工学院等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。

1.3 课题研究方法

本课题了解ZJ50D电动钻机电气控制系统的结构和组成，学习并掌握ZJ50D电动钻机绞车驱动系统的功能和结构；最后设计ZJ50D电动钻机绞车驱动系统。通过学习直流驱动控制系统是如何将三相交流电源整流成连续可调的直流电源，并供给直流电动机。主要学习并设计驱动控制柜是如何对绞车和钻井泵驱动电动机的运行状态进行控制。在直流驱动控制系统中，驱动电动机为直流电动机，其控制由直流驱动柜完成，主要包括控制电动机的正反转运行；控制电动机的启动、停止和转速；绞车和钻井泵都是由指配开关控制接触器来确定驱动柜的。

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2 ZJ50D电动钻机简介

2.1 钻机概述

石油钻机是油、气田开发的钻井设备，随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到了不断地发展。当今，国内外广泛采用的钻井方法是旋转钻井法，相应的钻井设备为转盘旋转钻机。陆用转盘钻机是钻井设备的基本型式，通常所说的钻机值得就是这种钻机，也可称为常规钻机。随着海洋石油勘探、开发事业的兴起，陆用钻井设备和造船技术相结合，产生了一大批各种类型的海洋钻井设备。

为适应各种地理环境和地质条件，为加快钻井速度、降低钻井成本、提高钻井经济效益，近些年来研制了多种具有特殊用途的新型钻机，如沙漠钻机、丛式井钻机、斜井钻机、直升飞机吊运的钻机等，可称为特种钻机。

本章简要介绍常规钻机的组成、分类、驱动类型及电动钻机的发展。 2.1.1 钻机的组成及分类 钻机的组成

石油钻机是由多种机器设备组成，具有多种功能的成套性联合工作机组。它主要包括旋钻进系统、钻井液循环系统、钻具起升系统、动力机组、传动和控制系统、底座和其他辅助设备等。

钻井工艺对石油钻机的基本要求是：

（1）起下钻具能力：为了起下钻具及处理井下事故等，石油钻机要有一定的起重能力和起升速度。这由钻机的起升系统承担。

（2）旋转钻进能力：为了带动钻具、钻头旋转钻进等，石油钻机要有一定的转矩和转速。这由钻机的旋转系统承担。

（3）循环洗井能力：为了保证正常钻进、冲洗井底及携带岩屑等，循环钻井液要有一定的压力和排量。这由钻机的循环系统承担。

为了满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列各系统和设备。 （1）起升系统

起升系统在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送进等。这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统（钢丝绳、天车、游动滑车及大钩）和井架组成。这实质上就是一台重型起重机。另外，还有用于起下钻具操作的井口工具及机械化设备（吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移运机构等）。

井架的作用是安放天车、悬挂游车、大钩及专用工具（如吊钳等），在钻井过程中进行起下钻具和下套管的操作。另外，起下钻具过程中，可用以存放立根，其能容纳立根的总长度称谓立根容量。

游动系统（钢丝绳、天车、游动滑车及大钩）可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻钻机绞车在钻井各个作业（起下钻、下套管、钻进、悬持钻具）中的负荷和降低起升机组发动机应配备的功率。

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钻井绞车的作用是：用于起下钻具、下套管；钻井过程中控制钻压，送进钻具；借助猫头上、卸钻具丝扣；起吊重物及进行其他辅助工作；整体起放井架。

旋转系统

旋转系统在钻井中的主要作用是带动井中钻具旋转，并带动钻头破碎岩石。旋转系统包括的主要设备有转盘和水龙头。为实现钻头给进，现代钻机配备有钻具自动送进装置。

钻井过程中，转盘主要完成的工作是：转动井中钻具，传递足够打的扭矩和必要的转速：下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量；完成卸钻头、卸扣与处理事故时倒扣、进扣等辅助工作。

水龙头提升、旋转、循环3大工作机组相交汇的“关节”部件，它的主要作用是：悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量;向转动着的钻杆柱内输入高压钻井液。 循环系统

循环系统在钻井中的主要作用是循环钻井液，使其及时清洗井底，携带走被钻头破碎的岩屑，保护井壁并冷却钻头。其主要设备包括钻井泵（在钻井现场习惯称为泥浆泵）、地面高压管汇、钻井液净化及调配设备等。

钻井泵是一种往复杂泵，它主要用于向井下提供钻井液。在钻井过程中，从井底返回地面的钻井液中含有大量的岩屑和砂粒，经过泥浆池和沉淀池的自然沉降，其中的固相颗粒只有少部分沉淀下来，若继续使用这种钻井液，必然会有相当一部分岩屑和砂粒随钻井液进入钻井泵，并被再次送入井底，造成钻井泵易损件和钻头寿命大大缩短，钻速显著下降，甚至会造成钻进过程中钻杆遇卡事故。因此，必须采用固控设备（净化设备）除去钻井液中的固相颗粒。钻井液固控设备主要包括振动筛、旋流除砂器、旋流除泥器及离心分离机等。

上述3大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的3大工作机组。 2.1.2 钻机分类

钻机按钻井深度为：浅井钻机（钻井深度小于或等于1500m）、中深井钻机（钻井深度为1500-3200m）、深井钻机（钻井深度为3200-5000m）、超深井钻机（钻井深度大于5000m。

钻机按采用的主传动副类型分为：胶带并车传动-皮带钻机、链条并车传动-链条钻机、锥齿轮-万向轴并车传动-齿轮钻机。

钻机按驱动设备类型分为：机械驱动钻机（MD）和电驱动钻机（ED）。 钻机按使用地区和用途分为：陆地常规钻机、海洋钻机、丛式井钻机、沙漠钻机、斜井钻机等。

2.2 电动钻机驱动型式

AS-SCR-DC驱动是指数台柴油发电机组发出交流电并网输到同一母线电缆上

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(或由工业电网供电)，经晶闸管整流装置整流后驱动直流电动机，带动绞车、转盘、钻井泵。其电气控制系统框图如图2-1所示。

图2-1 AC-SCR-DC驱动电气控制框图

AC-SCR-DC驱动钻机具有下述特点:

(1) AC-SCR-DC驱动钻机具有DC-DC驱动钻机的全部优点，这里不再重复阐述。 (2)不需要专门配备供照明和输助设备用电的小型柴油发电机组;可以直接由公共母线中引出，通过变压器后直接供应交流电，所以设备投资比DC-DC驱动钻机少。 (3)采用并联运行方式，动力使用与分配合理，机动性、灵活性好，提高功率利用率。在钻井作业过程中，可按实际需要来确定开动几台动力机组，延长了其使用寿命。比DC-DC驱动钻机节约柴油70%~90%。

(4)一次性投资费用比机械驱动钻机高80%左右。但是由于AC-SCR-DC驱动钻机使经济，当钻机运行一段时间，其节约费用就可弥补多投资费用。

(5)在钻井和起下钻时，钻机噪音小、油污少，有利于提高操作可靠性。良好的设备配置及技术，提高了钻机运行可靠性。

(6)采用先进的柴油机电子调速器、晶闸管整流装置和各种监测系统，提高了钻井性能，扩大了使用功能，增强了经济性与可靠性。

(7)由于直流电动机转速的变化是通过控制晶闸管整流装置来达到的，交流公共母线上的功率因数较低。为提高功率因数，美国研制了一种调节功率因数的装置，可进一步提高钻机运行的经济效益。

2.3 用于电动钻机中的直流电动机的特殊性

电动钻机一般配备6-9台专供拖动钻井机械用的大型直流电动机，它的基本工作原理和普通直流电动机相同，基本结构也相似。由于用于拖动钻井机械的直流电动机的工作条件和负载性质的特殊性，因此设计了用于电动钻机中的直流电动机，国外也称钻井电动机。国内用于拖动钻井机械的直流电动机大多为美国GE752直流

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电动机。

直流钻井电动机的特点 2.3.1工作条件

（1)直流钻井电动机通过链条和钻井泵连接，通过刚性联轴节和纹车、转盘连接。因此，电动机在结构上同时考虑两种传动连接。

（2)直流钻井电动机安装空伺的尺寸受到很大限制，其轴向尺寸受到钻井泵箱体的宽度、钻台面积限制;径向尺寸受到绞车轴中心高度限制，所以，要求电动机结构紧凑，体积小。

(3)钻机运行过程，由于钻机负载经常突变和动力装置的振动，使电动机承受很大的冲击和振动，这就要求直流钻井电动机的零部件连接牢固，机械强度高。 (4)直流钻井电动机使用环境恶劣，很容易受潮湿、污泥、温度变化等因素的影响，所以它的绝缘材料和绝缘结构应具有与上述因素相适应的能力。

(5)直流钻井电动机安装在距井口接近的危险区，容易受天然气及其他油气的侵袭，因此，要求直流钻井电动机正压通风防爆，并为直流钻井电动机创造良好的通风散热条件。

(6)直流钻井电动机需要经常启动、过载、制动以及在磁场削弱条件下高速运行，换向条件比普通直流电动机困难得多，因此，电动机在结构设计方面，必须对换向间题特别注意，采取抑制措施，防止换向器上产生火花甚至形成环火。

(7)晶闸管输出的脉冲电流电压存在奇高次谐波，使直流钻井电动机铁攒和铜损增加。因此，在直流钻井电动机结构设计上还应考虑这一特殊问题。 2.3.2特殊的技术要求:

对直流钻井电动机调速范围的要求比普通的直流拖动的要大，该电动机在低转速下钻矩大，要求具有堵转的机械特性。但是电动钻机一旦开始作业，就要日夜不停地连续地承受负载工作数十天，在此期间必须能承受各种恶劣的工作条件，徐了要求结构坚固、可靠性高以外，同时还要求电动机转子的飞轮力矩小，以满足快速启动和制动。

为了设计高质量的电气拖动系统，充分满足钻井工艺的要求，直流钻井电动机应在结构设计和电气性能方面满足下列特殊要求。 （1)额定参数。

电动机的持续功率宜为588-735kW,重复短时功率为735 -956kW,重复短时功率与持续功率之比值为1. 3左右，额定转速为1000r/min或1100r/min,弱滋调速最高转速为2500r/min。电动机的额定电压与晶闸管峰值电压配合情况见表2-1。目前选用额定电压为720pV或750V的电动机的较多。

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表2-1 直流电动机额定电压和电网电压、晶闸管峰值电压的配合 电网电压UN,V 380 500 600 晶闸管最大直流电压 513 675 810 Ua0，V 晶闸管峰值直流电压 537 707 849 UTN,V 电动机额定电压UM,V 430~470 570~600 670~730 (2)特性曲线。

钻井设备的电力拖动的机械特性应能满足: ①转速与电枢电压成正比; ②转矩与电枢电流成正比;

660 819 933 740~780 ③转速在1100r/ min以下时，要求恒转矩调速，即功率与转速成正比;满足钻井绞车特性要求，在1100-1300r/min范围时要求恒功率调速，即功率不变;满足钻井泵和转盘特性要求，且有最佳效率，转速超过1300/min时功率下降。

(3)绝缘等级。

直流钻井电动机额定电压为720V或750V、相应晶例管最高峰值电压可达940V,这就要求电枢耐压3000 V，所以国外设计生产的钻井电动机至少采用F级绝缘(155 ℃)。这种绝缘对用户十分有利，如果电动机仍然按照B级绝缘(95 ℃)温升运行，那么电动机F级绝缘的寿命是B级绝缘的4倍，对负载的突然变化、环境温度高、电压波动大和海拔位置高等各种条件都具备一定的适应能力。 (4)换向能力。

钻机要求拖动装置对转矩变化率进行限制，即对电流变化率di/dt进行限制，一般取di/dt值为12 %-20%IN，以便在晶闸管快速动态过程中的安全换向及提高脉动电流允许值。电动机换向极的磁扼应做成叠片式，改善换向条件，减少祸流又能限制di / dt，并采取相应的措施减少换向元件的变压器电动势。 (5)过载倍数。

由于绞车启动加速度和处理井下故障能力的需要，电动机应有1. 2倍持续2min及1. 4 -1. 6倍持续1 min的过载能力。 (6)电枢电感。

电枢电路总电感的选择，应以电流在额定值的5%-10%以上连续为依据，国外设计的直流电动机电感一般在4-5mH。电感值设计得大些，有利于促进电流的平滑作用，压缩电流断续区，使系统获得良好的静态特性和动态特性区，而无需外接或外接较小电感量的滤波电感。 (7)弱磁调速。

在采用他励直流电动机时，需要有1:1. 2的弱磁调节范围，作为扩大调速范围

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使用。

(8)温升与噪音。

晶闸管输出的电流仍具有脉动量，它将引起铜损和铁损的增加，还将引起电磁振动与噪音，甚至诱发机械共振。在电动机设计中应考虑合适的温升，并在结构上采取措施，以抑制振动。 (9)励磁方式。

直流电动机有他励和串励两种形式。他励直流电动机用于可逆系统中，只要换接小功率励磁绕组的极性，便可实现反转和反接制动，超速保护主要信号取自失磁断电器，线路简单。它的固有特性更适用于钻井泵，在配备一定的机械变速挡后，也能很好地适用于纹车、转盘，所以，他励直流电动机一般用得很普遍。 (10)补偿绕组。

直流龟动机应该尽量减少因电刷调整的不对称、非线性换向及磁路饱和效应引起的电枢反应，过强的电枢反应不仅影响电动机运行的静态稳定性，而且使动态特性变坏，并导致电动机的工作点不稳定。为此，在大功率直流电动机中都应装有补偿绕组，电枢线圈的导体用多根异槽分节距布线。 (11)通风方式。

通常要求电动机在整个调速范围内都能给出额定转矩，为此，需采用外界强迫通风方式，以避免电动机在低速下因自然散热能力变差而缩短使用寿命。值得用户注意的是，各制造厂并没有将温升用足，而是留有余地，在满载时仍留有20℃左右余量，主磁极温升裕度大致是800hp,100℃和900hp,400C。 (12)测速发电机。

根据控制回路的要求，测速发电机可装在钻井电动机第二伸出轴端，也可把电动机与侧速发电机装在同一轴上并构成一个整体。测速发电机在系统中是作为速度测量和取得速度反馈信号用的，也可以采用其他方式取得速度反馈信号。 (13)保护措施。

直流钻井.电动机安装在距井口较近的防爆危险区和恶劣的大气环境中，故为户外防水、内压防爆型，还应装有内压检测器、防潮加热器、天然气报警装置、线圈温度检测、应急开关、空气过滤器、电动鼓风机等。电动机运行电流在200 -1400A时，换向器处于暗区，使用时没有火花，保证安全运行。

上述这些要求不同于普通的直流电动机。在电力拖动的钻机设计选型时应给予特别注意。

2.4 直流驱动控制系统SCR柜

每套直流驱动控制系统包括晶闸管整流桥、接触器控制逻辑、直流控制组件、浪涌抑制保护电路和皮带轮滑动防护电路等，整个直流控制单元安装在一个柜中，称为SCR柜，其结构如图2-2，包括主要部件:用于控制母线上交流输人的交流断路

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器;三相晶闸管整流桥;晶闸管控制模块及相关元件;交流和直流母线;电压表和电流表面板;晶闸管整流桥风机启动器;直流输出接触器。

图2-2 SCR柜实物图 2.4.1 SCR柜中的电器元件 2.4.1.1 断路器

SCR柜断路器的主要作用是隔离晶闸管整流桥与交流母线。另外，在断路器上还装有两个辅助触点，一个动合触点接通面板上的“SCR ON\晶闸管导通)“SSP QN\浪涌抑制电路正常)，另一个动合触点将一14V电源信号输至PLC。

断路器有一个欠压跳闸线图(UV Trip)，线圈正端接+14V直流电源，负端经几个动断接点连接-14V直流电源。这几个动断接点在下列任意一种危急状态下都能断开: (1)保护晶闸管的熔断器如果熔断，通过熔断器上的柱塞挤压连杆，致使同欠压线圈相串联的微动开关断开。

(2)有两个热敏元件TEMPI和TEMP2，各装在A+晶闸管和A_晶闸管的散热器上，当晶闸管结温超过125℃时，热敏元件动断触点断开。

(3)紧急停机时，司钻控制台上的紧急停机动断按钮断开，切断欠压线圈电源。 2.4.1.2 电流互感器

在晶闸管交流侧有3个电流互感器CT 1, CT2和CT3，用来检测流人晶闸管的

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电流。流出电流互感器的检测电流被整流以后作为电流反馈信号加在直流组件上，并驱动直流控制面板上的直流电流表，显示整流桥输出电流的大小。

脉冲变压器用来传输和变换晶闸管触发脉冲，使±15V变化的触发电路脉冲变换为从-6V到+37V变化的门极脉冲。脉冲变压器还用来隔离主电路和触发电路，确保触发电路的安全，并进行阻抗匹配。 2.4.1.3 霍尔效应元件HED

HED是一个半导体器件，用来测量直流电流。HED安装在软磁铁心的气隙中一根被测电流粗导体(即电动机主电路)通过铁心，在铁心中产生磁通两个线圈。HED还有两个线圈，一个线圈中通人160mA的控制电流(IH+和IH-），另一个线圈的两端输出电压为VH ,VH的大小与磁感应强度B成正比，即与被侧电流成正比。

2.4.2 整流桥的总体设计

晶闸管整流桥是直流控制系统中的核心，理在前面已讲过了，它独立将交流输人转换为直流输出。其工作原但还需要考虑一些其他因素。将完整地介绍晶闸管整流桥的各个方面。每个桥都有保护和辅助功能部分，下面几节将完整地介绍晶闸管整流桥的各个方面。

熔断丝Fuses—每个晶闸管都有一个用于保护的熔断丝。

缓冲电路Snubber Circuits—每个晶闸管都并联电阻R和电容C，构成RLC滤波电路。该滤波电路用来抑制晶闸管上的断态电压上升率dv/dt和通态电流上升率dt/dt，对晶闸管上电压变化具有抑制作用，避免晶闸管被误触发或局部过热而损坏。

强触发电路Hard-Fire Circuits触发。这个部分应尽量靠近晶闸管，晶闸管(或并联晶闸管)都要有强触发电路，保证正确使连线不致太长。 (1)晶闸管SCR

大功率晶问管大都是平板型的，晶闸管(或并联晶闸管)都要有强触发电路保证正确使连线不致太长。其厚度约为1in，直径与额定电流有关。晶闸管的两个圆面都很光滑，主要用于电接触。

散热片是用一块铝冲压而成的.上面有许多叶片，叶片间有一个用于装螺栓的间晾。晶闸管就安装在两组散热器之间。用螺栓固定，其压力约为2000-5000lb,或者更高，确保散热器和晶闸管间接触良好。散热器与晶闸管间既有电的连接，又有热接触，可将晶闸管发出的热量散发掉。在大电流时，晶闸管内产生一定热量，为避免损坏，应及时将这些热量散发出去，因为晶闸管温度比水沸点温度高一点就会损坏。为接触良好和及时散热，晶闸管与散热片表面都要干净，不能有毛刺和灰尘。 (2)保护晶闸管的熔断丝及熔断开关

每个(或每对)晶闸管都有熔断保护防止过流。一些大型整流桥中，要用两个并联的熔断丝满足电流变化的需要，这些熔断丝安装在桥上方的母线上。为了给晶闸管

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提供最可靠的保护，这些熔断丝都是经专门设计的.与晶闸管的电流时间特性相配合。

每个熔断丝都配有一个小开关，当熔断丝熔断后，熔断丝内的针头弹出来使开关动作。这个开关有两个触点:常开(NQ)和常闭(NC )。当开关动作时，常开触点闭合，常闭断开。这两个触点都与晶闸管控制电路相连，用于提供报警信号，中断触发脉冲，当熔断丝熔断后，晶闸管桥不再工作。因熔断开关装在熔断丝弹赞片上，因此，更换保险丝时可以不断开控制线。 (3)电压变化抑制电路

晶闸管桥的直流输出在每个周期内都会有6次较大的波动或脉动。这些波动电压作用于未导通的晶闸管。如果晶闸管阳阴极间的电压瞬间发生很大变化，由于晶闸管层间有电容，就会产生一个小电流，流人门极导致误触发。电压变化得越快，门极产生的电流就越大，误触发的可能性就越大。误触发所产生的危害是很大的，因此要尽量避免。

晶闸管对电压变化率有一定的限制。在限制范围内，门极不会产生误触发。晶闸管能经受住200V/ms的电压变化，桥电路中的电压变化率一定要低于这个值，才能保护晶闸管。对于电压变化率的抑制是由抑制电路来完成的。 (4)整流桥散热

晶闸管器件的散热片从晶闸管上吸收热量.然后由散热片将热量散发出去。对于大功率的整流桥，产生热量多，还应强制通风加快散热。因此，大功率整流桥都配有电扇，进行风冷。

风量取决于空气的温度和湿度。另外，任何对气流的处理，比如气流过滤等都会使气体的温度升高。在环境温度低于最大限定值，气流量正常时，也可能会因散热片上有灰尘残油，阻碍了热量的散发，而使整流桥过热。因此，要经常检查清理散热片表面。 (5)强触发电路

晶闸管的触发是通过给门极加短时脉冲来实现的，而这个脉冲一定要快才能使硅晶体在一瞬间完全导通。在晶片还没有完全导通时，已导通区域要承受全部电压，这部分会产生过多热量，可能会损坏晶闸管。

为了快速地将门极能量传给整个门极层，在制造晶闸管时要用到一些特殊设计方法。此外，还要有足够快的门极信号，确保在晶闸管导通时，门极可快速释放能量。强触发电路就具有这种功能，它在一定时间内对门极释放能量。

图列出了强触发电路的基本元件。输人变压器起隔离电压的作用，保护控制脉冲形成电路并不受晶闸管中高电压的影响。

需要触发时，给变压器一个24 V的脉冲，同时使电容充电。当电容电压达到18V时，一个小晶闸管被触发，使电容随之放电，而且在l ms内放完电，这样才满足触

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发上升时间要求。

两个这样的电路封装在一个单元内就是强触发模块。每个相单元都有一个这样的模块。 (6)超温检测

散热器有一个温度限制，也就是晶闸管安全工作的最高温度限。如果散热器达到这个温度，晶闸管内部温度相应升高，安全裕量就会减小。

每个晶闸管散热器顶端都有一个温度检测开关，当温度达到设定值时，这个开关断开，将信号传给可编程控制器，启动报警装置。 2.4.3浪涌抑制电路

由于电路的接通、断开以及其他原因，可能产生尖峰电压或瞬变电压(称浪涌电压)，导致晶闸管输人端出现过电压。浪涌电压有可能损坏晶闸管元件，为了消除它们，除了如前所述的在整流桥电路中接人RLC滤波电路外，通常还要接入浪涌抑制电路。在图中，接成三角形电路的3个压敏电阻MOVI,MOV2和MOV3以及带有微动开关的熔断器F41,F42和F43组成浪涌抑制电路。

面板上的浪涌抑制指示灯正常运行时是亮的(SSP ON )，如果任一线路熔断器熔断，熔断器上的一些机械结构使信号灯开关断开，浪涌抑制指示灯熄灭。

2.5 自动控制系统的类型

在电动钻机电气控制系统中，不论柴油发电机组的转速调节和电压调节，还是

电动机的转速调节都有着一定的控制要求。现以直流电动机调速系统为例，分析转速调节的自动控制系统的概念和原理。

直流电动机的转速与电动机的供电电压直接相关，因此，调节电动机的供电电压即可改变电动机的转速。电动机转速控制系统采用晶闸管整流装置，通过调节触发电路的控制电压来控制触发脉冲的相位，从而改变晶闸管整流装置的输出电压，实现对电动机转速的闭环控制。图2—3为电动机转速控制系统原理框图。

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图2—3 电动机转速控制系统原理框图 2.5.1 闭环控制系统

闭环控制系统又称反馈控制系统，它是按偏差进行控制的。其工作原理是：在转速控制系统中，转速调节器接受检测元件及变送器送来的测量信号，并与给定值相比较，根据偏差情况，按一定的控制规律，调节晶闸管整流桥的输出电压，以改变电动机的转速。

任何一个自动控制系统，总是由对象和自动控制装置组成的。不论其结构如何，闭环控制系统的自动控制装置总要实现检测、判断、决策和操纵的功能，可用图2-7所示的方框来表示。每个方框表示组成系统的一个环节，环节间的关系用带箭头的线条表示。

图2—4 闭环控制系统方框图

检测元件和变送器的作用使把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。例如，用转速传感器测量电动机转速，经变送器转换成标准信号。

比较器的作用是比较设定值与测量值y(t)的差值：e(t)=r(t)?y(t)。

调节器的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给

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出控制作用u(t)，相应的去改变操纵变量q(t)。

在转速控制系统中，电动机就是一个调节对象，其转速就是运行过程中要保持恒定的被调参数c(t)，影响被调参数c(t)的因素来自负载的变化，这种引起被调阐述波动的外来因素，在自动控制系统中被称为干扰作用。

图中，系统的被调参数经变送器又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种把系统的输出信号送回到输入端。在反馈控制系统中，系统输出端送回的信号与设定值相减，为负反馈；反馈信号取正值并与输入信号相加，则称正反馈。自动控制系统中采用的是负反馈。因为只有负反馈，才能当c(t)收到干扰影响而升高时，反馈信号y(t)将升高，经比较，到调节器去的偏差信号e(t)将降低，此时调节器将发出减少信号使执行器动作，从而使被调参数下降回到原先的给定值，这样就达到了系统自动调节的目的。因此，自动控制系统是具有被调参数负反馈的闭环控制系统。 2.5.2 双闭环调节系统

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足需要。这主要原因是因为在单闭环系统中，不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图所示。当电流从最大值降低下来以后，电动机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既要存在转速和电流两种负反馈作用，又使他们只能分别在不同的阶段起作用呢？双闭环调节系统正是用来解决这个问题的。

双闭环调速系统就能得到既存在转速和电流两种负反馈，又使他们只能分别在不同的阶段起作用。实施的方法是：在系统中设置两个调速器，分别调节转速和电流，二者间实行串级连接。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制触发装置，叫做外环。这就形成了转速和电流双闭环调节系统。

为了获得良好的静态特性和动态特性，双闭环调节系统采用了两个PI调节器，图中标出了两个调机器输入输出电压的实际极性，还表示出两个调节器的输出都是带限幅的。转速调节器的输出限幅电压即饱和电压，决定论电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是Uct，它限制了晶闸管整流输出电压的最大值。

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电路设计得在正常运行时，只有转速调节器有饱和不饱和两种状态，而电流调节器是不会达到饱和状态的。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，也就是说，饱和的调节器暂时割断了输入和输出之间的关系，相当于使该调节器开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压?U在稳态时总是零。当转速调节器不饱和时，负载电流Id小于最大电流Idm，表现为转速无静差，这时转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm之后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。

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3 ZJ50D电动钻机绞车驱动控制系统设计

图3.1 直流驱动系统主电路

直流驱动系统主电路如图3-1所示。整个驱动系统共有七台直流电动机，这七台直流电动机由4个SCR柜驱动，每个电动机负载可在两个SCR柜中任选一个来驱动，每个电动机负载可在两个SCR柜中任选一个来驱动，即一个负载在同一时间只能选择一个SCR柜供电，进行调速控制。在直流电动机驱动系统中，SCR1柜可驱动绞车DWB和钻井泵MP1，SCR2柜可驱动绞车DWA、软盘RT和钻井泵MP1，SCR3柜可驱动绞车DWB、软盘RT和钻井泵MP2，SCR4柜可驱动绞车DWA和钻井泵MP2。他们的指配关系由司钻控制台上的SCR指配开关选择。司钻控制台上的指配开关的选择位置可决定驱动主电路中指配接触器的通断，指配接触器串接在SCR柜和直流电动机之间的主电路中，以控制SCR柜与电动机之间的指配关系。

每台电动机主回路中都安装一只霍尔效应元件HED，以便于对每台电动机的电流进行检测，并将检测结果在控制电路中比较放大，如检测出带同一负载的两台电动机电流不同时，表明他们受力不同，需要由控制电路进行平衡调节。调节无效时切断主回路电源，以防受力较大的电动机过载，同时也避免了由于受力不同而产生的运行性能上的差异。

在每个SCR柜的正端输出线上也装有霍尔效应元件HED，检测该SCR柜的电流，将检测结果送入直流控制单元，作为电流反馈信号，对触发脉冲进行控制，同时送往SCR柜面板上的电流进行显示。

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3.1 绞车驱动系统

图3-2 绞车驱动系统主电路

绞车驱动系统主电路如图3-2所示。绞车可由两台直流电动机驱动，分别称为绞车电动机A(DWA)和绞车电动机B(DWB)。

绞车DWA通过指配开关控制接触器，确定为其提供电源的驱动柜SCR2柜或SCR4柜。同样，绞车DWB也要通过指配开关确定驱动柜SCR1柜或SCR3柜。一个设备可以有两个驱动柜驱动，这样，当某个SCR柜损坏时，另一台SCR柜可为其提供驱动电源，以保证设备的正常运行。

绞车DWA有正反转两种运行状态，由接触器进行控制。正转时，两个FWD触点闭合，REV触点断开；反转时，FWD触点断开，REV触点闭合。可见，绞车正反转时，只是改变电枢电流方向，而励磁电流方向不变。由电动机转矩公式知：

T?CM?Ia

在磁场不变的情况下，只要改变电枢电流方向，电动机电磁转矩的方向也改变，于是电动机在电磁转矩的作用下，旋转方向也随之改变。

绞车DWA在起钻过程中，电动机拖动负载运行在电动状态。当游车上升到预定高度后时，为迅速降低电动机转速，采用能耗制动，即产生于电动机转速相反的电磁力矩，使电动机1转速快速下降。DWA在制动状态下工作时，切断SCR供电电源，此时绞车励磁电源向DWA励磁绕组供电，DWA电枢绕组经接触器K1和K2

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串接制动电阻，电动机将吸收转轴上的机械能，然后将其转换成电能，经电阻以热能形式消耗掉。当绞车DWA在电动状态时，DWA励磁电源处于充电状态。

在重载或低速起钻时，为满足较大的提升负荷，两台绞车电动机串联运行，使起钻力矩加倍，起钻速度减半。此时，图中DWB触点断开，DWS两触点闭合，同时绞车DWA的FWD触点闭合，将两台电动机串联运行。绞车DWA正转，绞车DWB反转，共同拖动同一负载运行。

DWS运行时的主电路走向为：SCR1(+)→1K1→DWB F→FF→DWB A→AA→1K5(1、3)→DWA F→FF→2K5(3、1）→DWA AA→A→2K5(2、4）→1K5(2、4)→1K6→SCR1(－)

3.2 绞车能耗制动

在起钻过程中，为了提高生产效率，踏下脚踏控制器，使绞车电动机快速运转。当游车接近井架顶部时，为了迅速降低电动机转速，采用能耗制动，使电动机转速很快降到手轮控制的猫头速度，通常绞车电动机从满速降到猫头速度需要30s到40s，使用能耗制动后，使速降时间减少10s到15s。 能耗制动的基本原理

他励直流电动机能耗制动的特点是：电动机正在电动状态运行时，断开电枢回路的电源，串接一个电阻，使电动机处于发电状态，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。

制动前后的电路如图所示。与电动状态相比，电动机制动时，在磁场的作用下，系统因惯性仍存在感应电动势，电动势将产生与电动状态时相反的电枢电流，从而使电动机的电磁转矩成为制动转矩，电动机转速迅速下降。

因此，能耗制动就是将电动机产生的电磁转矩变成阻力转矩，该转矩与电枢的旋转方向相反，使电动机转速迅速下降或停转。这时电动机吸收转轴上的机械能，将其转换为电能后又进一步转换为热能消耗掉，故称之为能耗制动。

起钻过程为非生产性作业，希望尽可能快，通常都在绞车电动机的最大安全速度下运行。此时脚踏控制器，使绞车电动机快速运转。相当多的旋转能量储存在绞车滚筒和驱动电动机里，在游车接近井架顶部的适当位置，储存在电动机中的能量必须释放。此时采用能耗制动，切断电动机的电源供应，电动机遇绞车分离，则电动机作直流发电机运行，将电动机与颐达功率电阻相连，通过电阻消耗掉电能。这表明电能送给了电阻，旋转机械失去能量，从而电动机转速迅速降低到手轮控制的冒头速度。

能耗制动时，断开晶闸管整流桥供电断路器，变压器T2的副边输出经整流后向DWA串励线圈供电，产生磁场。电动机DWA电枢绕组经接触器K1和K2，使电流流过制动电阻，该电流产生制动电磁转矩。

3.3 工况指配关系

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司钻控制台式钻机各驱动功能的主要控制装置。它安装在钻台上靠近绞车的地方，其面板图如图3-3所示。司钻台与电控房内的控制柜相连接。

图3 工况指配关系图 3.3.1工况指配开关

在司钻控制台上装有一个工况指配开关S1（ASSIGNMENT SW),由这个指配开关组合各种供电线路和控制电路，以适应钻进、起下钻等各种钻井工艺要求。各直流电动机接触器的切换是由工况指配开关完成的。工况指配关系如图所示，它由两层结构组成；A层和B层。每层12个端子，按1到12序列排列，其位置如同钟表的钟点数。每对触点跨接在两层相应的位置上，即A1-A2、A2-B2……A12-B12。各触点闭合的序号同指配开关的钟点数相一致，例如，将指配开关置于1点钟的位置时A1-B1闭合，指配开关置于2点钟位置时A2-B2闭合，等等。

图3-2中各标框内列出了被驱动直流电动机的名称，方框上面所标的SCR1~SCR4表示SCR单元的序号。在标框侧边上，按时钟钟点位置标上了相应的数字。在任一时刻，指配开关只能置于某个唯一的位置，以确定一定的驱动功能。例如，对4个SCR柜的系统来说，指配开关S1手柄置于4点钟位置、钻井泵MP1选择开关S2置于“ON”位、钻井泵MP2选择开关S3置于“ON”位、转向选择开关S5置于“FWD”位、绞车转盘选择开关S6置于“RT”位、顶驱转盘选择开关S7置于“RT”位时，1号SCR柜给钻井泵MP1电动机供电，2号SCR柜给转盘RT电动机供电，3号SCR柜给钻井泵MP2电动机供电，4号SCR柜不供电，钻机进行钻井作业。若指配开关置于其他位置，就会得到其他不同的工况。可见驱动系统能满足各种工艺要求，而且使用十分灵活。同时，由于各SCR柜完全相同，如果某柜发生故障，只需转换一下开关，其他SCR柜即可对正在使用的电动机提供电源。

指配开关中的“DWS”表示DWA和DWB两台电动机串联运行，以满足较大的提升负荷，但提升速度减半。

图中，当指配开关选择1点~5点档位时，钻机运行状态为钻进工况；当指配开关选择7点~11点档位时，钻机运行状态为起下钻工况。 3.3.2 选择开关

在司钻台上还装有钻井泵MP1和MP2的导通—断开（ON—OFF）二位选择开

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关S2和S3，还装有绞车（DW）和转盘（RT)的正转（FWD)—断开（OFF)—反转（REV)三位选择开关S5、绞车（DWA)和转盘(RT)的二位选择开关S6、顶驱（TD)—关断（OFF)—转盘（RT)三位选择开关S7和可编程控制器（PLC)—旁路（BYPASS)二位选择开关S15。

3.4 绞车运行状态控制

3.4.1 绞车电动机正转

图3-4 绞车DWA控制线路图

图3-4为绞车DWA控制线路图，大图见附录4。如果指配开关S1处在4点钟位置，则由SCR4柜向DWA供电。SCR4柜中的-14V电源经154号端子接到SCR4柜直流组件的手控电压开关上。这个开关只有在进行晶闸管整流桥移相试验时打开，需要DWA电动机工作时，该开关在闭合状态。SCR CB AUX为SCR断路器辅助动合触点，断路器闭合时它闭合，于是-14V电源信号通过SCR4柜输到可编程控制器的ER1/4—05端子，可编程控制器根据司钻台面板上各开关的位置确定输出信号的通路。例如，当S1置于4点位，S2和S3置于OFF位，S5置于FWD位，S6置于DWA位，S7置于OFF位，S15置于PLC位，则由可编程控制器控制，使ER1/6—18端子将+24V输至固态继电器PC18的04端，固态继电器内部电路图见附录7。由图可见，当PC18—04端得到+24V DC电压时，PC18—12端和PC18—13端接通，将-14V DC信号经PC04—02接至正转接触器线圈K05 FWD负端（见图3-5，大图见附录5）。该接触器线圈正端接到SCR4柜中的+60V电源上，正转接触器通电吸合，同时K05 FDW辅助动合触点闭合。-14V信号经过SCR2柜上的锁定动断按钮PB02 DWA L/O和SCR4柜中互锁保护用的动断接触器K07 MP1，接到主接触器K01 DWA和K06 DWA的线圈负端，接触器线圈正端接+60V电源。这时从SCR4柜到DWA的主电路接通，同时K01 DWA和K06 DWA辅助动合触点闭合，-14V信号经可编程控制器进入司钻台的04端~15端。该信号即为绞车DWA的使能信号，信号输至电流组件中的116端，它将117端的DW给定信号解锁，于是绞车DWA电动机可以正转。

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图3-5 绞车正反转接触器控制电路及DWA和DWB串联运行控制电路 3.4.2 绞车电动机反转

如果将S5置于REV位，其他开关位置不变，如图所示，可编程控制器中的ER1/6—19将+24V DC输至PC18—6，使PC18—12和PC18—14接通，-14V DC信号经PC04—10 接到反转接触器线圈K05 REV的负端，使反转接触器通电吸合，同时K05 REV辅助动合触点闭合。其他控制逻辑与DWA正转状态相同，于是DWA电动机可以反转。 3.4.3 DWS正转

如果S1置于1点位，则可编程控制器将-14V信号通过PC15—14和PC03—05输往SCR1柜中的K05 DWS接触器，如图所示，接触器通电吸合，使1K5 DWS触点闭合。同时，-14V信号通过PC04—03使SCR2柜中的K05 FWD接触器通电吸合，使2K5 FWD触点闭合。这时DWA电动机和DWB电动机正向串联运行，由SCR1柜供电，在重载或低速起钻时运用这种工况，可使起钻力矩加倍，起钻速度减半。DWS运行时的主电路走向如下：

SCR1(+)→1K1→DWB F→FF→DWB A→AA→1K5(1、3)→DWA F→FF→2K5(3、1）→DWA AA→A→2K5(2、4）→1K5(2、4）→1K6→SCR1(－)

3.5 转速控制

如前所述，司钻台面板上的每个调节手轮各控制前后两层变阻器。前层变阻器接在+10V电源上，各前层变阻器的活动触点将0~10V的速度给定信号送至可编程控制器，经可编程控制器控制，由模拟量输出，模块输出0~-8.2V的可变电压，分别作为钻井泵、绞车、转盘和绞车脚控给定器的给定信号。后层变阻器接在-8.2V的电源上，各后层变阻器的活动触点将0~-8.2V的速度给定信号经S15的BYPASS触点直接输至直流组件上的钻井泵、绞车和转盘给定端子，将转盘电流限制信号直接输至直流组件上的转盘电流限制端子，不需要经过可编程控制器控制。

绞车转速控制控制线路如图3-6所示。大图见附录6。

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图3-6 绞车转速控制控制线路

绞车的运行控制是通过在司钻台上进行操作来完成的。先确定其运行方向，将司钻台上的绞车选择开关转到正转或反转位置，然后顺时针旋转给定旋钮，转速给定信号经可编程控制器传输到电控房内SCR柜内的直流控制单元进行调节；直流控制控制单元根据转速给定信号的大小，调节晶闸管发出脉冲的相位，从而控制晶闸管整流桥输出的直流电压的大小。

绞车的转速给定信号有两路，一路来自司钻台上的手轮给定旋钮，另一路由脚踏控制器给出。直流控制单元对转速给定信号低的一路进行调节控制。

脚踏控制器仅用于绞车的快速提钻，以提高绞车运行速率，它安装在司钻台下面。当司钻开始起钻时，首先少许转动手轮，使绞车处于拉紧猫头的转速。然后司钻踩下脚踏控制器，脚踏控制器迅速取代手轮给定，绞车迅速提升。当司钻把脚从脚踏控制器上移去时，脚踏控制器给定为零，手轮给定重新起控制作用，电动机转速又回到拉紧猫头的数值。

从松开脚踏控制器到停止制动，有3s的延时，这是为了在提钻过程中，防止司钻偶然瞬时松开脚踏控制器而影响正常高速提升。当电动机转速降到手动给定的猫头速度时，制动条件不复存在，于是电动机在手轮速度给定的控制下以猫头速度运行。

直流控制单元内有使能控制信号，例如图中的116端子，该信号来自图中的04-15端子。当使能控制信号有效时，给定信号才能送入直流控制单元进行调节。同时，直流控制单元内还有电流限制信号，限制晶闸管整流桥输出电压及其变化率，防止设备过载及大电流的冲击。

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4 结 论

电动钻机绞车驱动发展的历史只有短短的几十多年,然而它的研究领域和应用范围却已相当广泛。本文针对ZJ50D电动钻机绞车驱动控制系统进行设计，以SCR柜为研究对象，主要分析了绞车如何驱动钻机进行正反转、以及工况开关的指配和如何进行调速的。绞车驱动是通过可控硅整流器先把交流转换成直流后，然后对电动机进行控制以达到各种需要的工况。

全文的主要任务如下：

确定系统设计方案，结合系统特征以及环境因素等可能会发生的故障，设计出多对多控制方案，以防止一个驱动柜损坏的情况下，绞车电动机能够正常工作。

（1）主电路运行介绍，对主电路进行简单的介绍，介绍了电动机是如何运行的。 （2）绞车是如何进行调速的。 （3）绞车是如何控制正反转。 （4）工况指配关系。 （5）初步了解能耗制动。

电动钻机是是21世纪一个很有发展空间的一门技术，但是由于知识有限，未能对以下问题进行探讨：

（1）绞车电动机是否可以实现2对多的指配关系。 （2）转盘RT和钻井泵是怎样实现调速和正反转的。

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