变频钻机一档绞车机电参数设计

郭宏林，朱奇先，杨砚杭，田斌

（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.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃 天水 741020；3.中国石油渤海钻探第四钻井公司，河北任丘 062550；4.西部钻探工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

变频钻机一档绞车机电参数设计

郭宏林1，2，朱奇先1，2，杨砚杭3，田斌4

（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.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃 天水 741020；3.中国石油渤海钻探第四钻井公司，河北任丘 062550；4.西部钻探工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

以典型的ZJ70DB钻机的一档绞车为例，根据机械要求的性能指标，介绍了包括电机额定速度、转矩、功率、弱磁最高速度、变频器额定、超载输出能力、容量等电气配合参数的算法以及在此条件下能够达到的各项实际性能指标；根据常规配置、已经选定的机械和现有电气参数，计算了绞车能够到达的性能指标，指出了机电协调控制的关键设置项。

变频钻机；一档绞车；机电配合；性能计算

常规变频钻机的绞车一般为两档，随着市场竞争的加剧，在不降低性能的前提下，一档绞车的钻机具有很强的竞争力，对其研发很有必要。本文以某一典型的ZJ70DB钻机为例，按常规的机械参数要求计算一档绞车需要的电气配合，以及在常规的电气配置（与两档绞车相比不增加成本）下，对计算起下钻性能两个方面进行研究，以供参考。

1 绞车系统

钻机的绞车系统主要包括大钩、动静滑轮组、钢绳、滚筒、齿轮传动环节、动力机等部分。对于电动钻机，动力机主要指电动机及其控制系统。一个典型的ZJ70DB钻机的绞车系统示意如图1所示。

图1 变频钻机绞车系统示意图Fig.1 Drawworks system schematic diagram of variable-frequency drilling rig

图1中，A1，A2为变频电气控制系统；A3为制动系统；DWA，DWB为交流变频电机；BK为制动电阻；CLD为齿轮传动机构；GT为滚筒。

2 基本参数

以图1为例，其绞车选定的机械设计参数如下：滚筒飞轮矩GD2dz=1 231 kg·m2，输出轴飞轮矩GD2cz=315 kg·m2，中间轴飞轮矩GD2zj=64 kg·m2，输入轴飞轮矩GD2rz=4 kg·m2，联轴器飞轮矩GD2lz=2kg·m2，电机飞轮矩GD2dj=39kg·m2，一档传动比（1∶5.838 5）为59/32，76/24，额定钩载钩速v1=0.4 m/s，空载钩速v2=1.8 m/s，游动系统总效率ηt=0.782，传动效率ηdr=0.91，滚筒及缠绳效率ηb=0.95，有效绳系Z=12，钢丝绳直径38 mm，空钩重量Qgd=18 t（不含顶驱），最大钻柱重量Qds=220 t，最大钩载Qmax=450 t，第1层缠绳直径Ddr=808 mm（游车在最下部），第4层缠绳直径1 004 mm（游车在最顶部），游车行程S=32～36 m，单个滑轮飞轮矩GD2w=332 kg·m2，节距（工作直径）Dw=1 441 mm，游绳的重量Qr=3 t。

3 电气计算

3.1 绞车功率

绞车功率（输入）即为电机的输出功率，按储备系数KN=1.15,额定钩载Q1=Qds+Qgd=238 t时，其值为

3.2 滚筒转速

代入相关数据，则额定和空钩钩载速度时对应滚筒的转速分别为

3.3 传动比

传动比的计算式为：i1=ni/nd，其中nd为电机的输出速度，ni为滚筒的实际转速。根据一档和电机目前只能达到2 400 r/min的限速要求，可以算出传动比为：i1=411/2 400=0.171 25，这样在低钩速时电机的转速为nd1=666 r/min。

3.4 电机转矩

需要的电机转矩计算式为

如果设定电机的恒功率速度点为2 000 r/min，从2 000～2 400 r/min为自然特性，只要在自然最高点能够提起空钩，以v1速度时为额定点，则电机的额定转矩应为

折算到单电机时为Td1=11 378 N·m。

在2 000 r/min时能够输出的转矩为

此时能够提起的钩载和钻柱重量分别为

空钩高速上提时需要的电机转矩为

因此在电机自然特性的极限点时转矩能够满足Td3的数值，就可以正常使用。

3.5 电机功率

双电机拖动时，如果考虑电机效率ηd=0.95,则要求的单电机输入功率为

3.6 电机要求

在以上绞车性能下，对所选用电机的基本要求为：输入功率不低于835 kW，功率因数cosα≥0.85，效率不低于95%，在转速666 r/min时输出转矩不低于11 378 N·m，在2 000 r/min时不低于7 578 N·m。

当电机的供电电压为AC 600 V时，需要的输入电流为

3.7 过载要求

根据钻井工艺要求，绞车需要具有处理450 t钩载的能力，由于此种工况极少，因此可用电机的过载能力去匹配，也就是说，电机需要大致的转矩线性输出特性，允许短时（60 s）超载，超载倍数为

相应的输出转矩和电流分别为

由此对电机的附加要求为过载1.89倍时，转矩大致按线性增大，时间是60 s。

3.8 变频装置

电机由变频装置拖动，电机要求的输入特性为变频装置的最低性能，也就是说，在电机的三相输入端上，变频电源应满足：Ue=600 V, Ie=946 A,Idmax=1 789 A(60 s)；输出频率应满足0～2 400 r/min的要求。对于Idmax的满足，既可以用额定电流、也可以用过载能力去适配，考虑到成本因素以及实际使用工况，以后者去适配比较合理，再以此选择相应的变频器。

需要注意的是，电动钻机的600 V电源电压为行业的普遍配置，由于从电源到电机需要经过整流、逆变以及中间传输线等的损耗降压，到电机端得到的最高电压大约只有其96%，这将使钻机的一些性能参数无法达到。为满足要求的能力，需要对电网电压进行适当的调整。变频装置（A1，A2）的匹配容量最低值为

3.9 飞轮矩计算

3.9.1 钩载

钩载Q1,Qgd折算到滚筒的转动飞轮矩分别为

可见这部分很小，可以忽略。

3.9.2 滑轮

滑轮组的总飞轮矩折算到滚筒上时为

3.9.3 游绳

全部游绳折算到滚筒的飞轮矩为

3.9.4 滚筒

滚筒上的总飞轮矩为

3.9.5 总量

从电机轴上看进去的总飞轮矩为

3.10 提升时间

电机的拖动方程为

如果控制系统允许以最大转矩Tdmax加速，以Td1为负载，速度从零按线性达到nd1时，需要的时间为

在此时间内大钩移动的距离为

大钩以v1从钻台面上升到32～36 m高度时需要的最长时间：

如果控制系统仍以最大转矩Tdmax加速，以空钩转矩为负载，速度从零按线性加速到nd2时，需要的时间为

在此时间内大钩移动的距离为

大钩以v2从钻台面上升到32～36 m高度时需要的最长时间：t4=S/v2≈18～20 s，空钩提升总的最短时间还需要再加上变频控制系统内速度阶跃给定后附加的积分上升时间。

3.11 制动功率

大钩在Q1以v1下放时产生最大回馈功率，如果提升和下放的损耗相等，则下放时从电机轴看进去的总效率应为

则回馈到电机轴上的功率为

如果效率仍按0.676粗略估算，则回馈功率为

因此制动装置需要的最低持续功率为495 kW、冲击功率为5×495=2 475 kW 时即可满足要求。据此选用制动系统A3和制动电阻BK。

3.12 控制要求

根据以上性能要求和计算数据，对变频器控制的最低要求为：额定速度点为666 r/min，弱磁最高点为2 400 r/min，速度限幅值为2 400 r/min，电流限幅值为1 789A，钩载与闭环速度系统需要协调控制，给定积分器的上升、下降时间根据机械要求设定。

4 性能计算

如果依照上述选定的绞车机械参数，考虑成本等因素后，以目前符合以上要求的单机最大变频器匹配，计算实际达到的性能指标。

4.1 基本数据

绞车电气系统及其传动见图1，机械参数见第2节。

变频电动机参数为：额定功率800 kW；额定电压600 V；额定电流953.3 A；额定转速ndj=670 r·min-1/34 Hz；额定转矩Tde=11 403 N·m；恒功最高转速2 000 r·min-1/100 Hz；恒功点转矩3 820 N·m；最高转速ndjmax=2 400 r·min-1/120 Hz；最高转速转矩≥870 N·m；功率因数0.85；额定效率95%。

两种逆变器（6SL3720-1TG41-0AA3-Z/ ACS800-107-1740-7）参数为：额定输出功率1 000/1 400 kW；额定输出电压3AC 0～690 V；输出频率0～120 Hz；额定电流1 025/1 414 A；10 s启动输出电流1 500/2 116A。

4.2 变频器容量

由于变频电机电压为600 V，因此两种逆变器在此电压下输出的最低容量分别为

PBP1=1.732×600×1 025=1 065 kV·A

PBP2=1.732×600×1 414=1 469 kV·A

如果考虑中间电压损耗，需要提高输入电压，则相应的容量也会加大。

4.3 电机输入功率

4.4 提升时间

如果变频器以10 s最大电流输出，以Td1为负载，速度从零按线性增加达到nd1=670 r/min时，对应两种变频器需要的时间为

同理，以空钩转矩为负载，速度从零按线性加速到nd2=2 400 r/min时，需要的时间为t8≈0.22 s, t9≈0.15 s。

如果以两种变频器的额定电流加速，对应两种速度的时间为：额定钩载，t10≈1.18 s,t11≈0.19 s；空钩钩载，t12≈0.32 s,t13≈0.23 s。

由以上结果可见，无论变频器以10 s的启动电流还是以额定输出电流加速时，通过计算数据比较，相关参数与3.10节接近，因此只要变频器控制和电机配合恰当，包括其他参数在内的各项性能指标完全能够达到机械要求。

5 结论

由以上论述说明，如果一档变频绞车按照图1所示布置，相关参数能够按照第2节所示的设计出来，变频电机能够按照要求的数据制造出来，则以目前的现有常规变频器，在不增加成本的前提下完全能够满足要求；通过计算可知在2种变频器下机械性能相差不大，对实际使用造成的时效影响几乎可以忽略，考虑到成本、安装和已有装置等因素，以配置800 kW的电机和1 000 kW的变频器最为经济。

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

［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］陈伯时.自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，1981.

［4］北京ABB电气传动系统有限公司.3ABD00013725，版本E［Z］.2011.

［5］西门子（中国）有限公司工业业务领域驱动技术集团.产品目录D21.3.CN［Z］.2012.

修改稿日期：2016-04-15

Single Gear Drawworks Electro-mechanical Parameters Design of Variable-frequency Drilling Rig

GUO Honglin1，2，ZHU Qixian1，2，YANG Yanhang3，TIAN Bin4
（1.State Key Laboratory of Large Electric Drive System and Epuipment Technology，Tianshui 741020，Gansu，China；2.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，Gansu，China；3.The 4th Drilling Companyof CNPC Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Renqiu 062550，Hebei，China；4.Xibu Drilling Engineering Co.，Ltd.，Urumqi 830011，Xinjiang，China；）

Taking single gear drawworks of ZJ70DB rig for example，based on mechanical requirements of performance indicators，mainly introduced the algorithm of electrical parameters such as motor rated speed，rated torque，rated power，the highest flux-weakening speed，the inverter rated，overload output capability，capacity etc.，and also calculated the indicators that could be achieved under these conditions；According to the mechanical and existing electrical parameters of the conventional configuration，finally calculated performance indicators that the drawworks could reach，and pointed out the importance of coordinated electromechanical control.

variable-frequency drilling rig；single gear drawworks；electro-mechanical coordination；performance calculation

TM64；TM72

A

10.19457/j.1001-2095.20161103

郭宏林（1977-），男，学士，高工，Email：ghlryan@yeah.net

2015-10-09