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1、电磁涡流刹车电气控制系统常见故障分析2009年第23卷第4期石油仪器PETR0IJEUMINSTRUMENTS?89?经验交流?电磁涡流刹车电气控制系统常见故障分析周骥边倩李小梅王建军(1.西安宝美电气工业有限公司陕西西安)(2.西安思源学院陕西西安)(3.中石油测井有限公司测井仪器厂陕西西安)(4.宝鸡石油机械有限责任公司陕西宝鸡)摘要:电磁涡流刹车及其电气控制系统是石油钻机设备中一个常用设备,为了解决常见的系统故障,文章对电磁涡流刹车电气控制系统常见故障进行了分类分析,并针对性地作了故障的检测方法阐述,同时对报警,保护功能和实现的方法进行了归纳.通过对西安宝美电气工业有限公司生产的电磁涡流
2、刹车故障检测报警保护电路板应用的举例,对解决问题提出建议.关键词:电磁涡流刹车;电气控制系统;故障分析;报警和保护中图法分类号:TE927文献标识码:B文章编号:1004-9134(2009)04-0089030引言目前国内生产和正在运行的钻机中,除了少数进口设备和绞车采用变频传动的钻机以外,大都使用电磁涡流刹车作为辅助刹车.电磁涡流刹车本体的设计和制造已成熟,但其电气控制系统在故障检测和保护功能的设计和制造方面种类颇多.产生这一现象的主要原因,在于设计者对使用要求存在着解读差异;其次,是由于用户的使用习惯要求带来的设计和制造的不同.本文广泛收集了多方面的信息,进行了归纳总结.同时,在电磁涡流
3、刹车的电气控制系统的设计和制造方面提出推荐性做法j.1电磁涡流刹车的故障分析电磁涡流刹车系统的故障基本表现在下述三个方面:刹车本体故障,电气控系统故障和操作系统故障.1.1刹车体故障引起刹车本体故障的因素:存在的于本体机械结构方面,电枢绕组方面和本体发热.其中本体机械结构和电枢绕组因素是本体生产中解决的问题.刹车本体的散热方式通常采用的是强制风机冷却或循环水冷却.本体发热是电磁涡流刹车工作时的正常现象,但温度过高就会对刹车本体带来损坏,同时降低刹车的工作效率.这类故障对系统的影响是缓慢的,对于正在进行一个钻柱的刹车操作,不需要即时刹车保护.1.2电气控制系统故障电气控制系统故障划分为交流电源侧
4、故障和直流侧故障;交流电源侧故障通常是由于电源的过压,欠压,缺相和断电引起.直流侧故障通常由于整流失败或负载短路,断路引起的失流引起.此类故障是瞬间出现,对于正在进行一个钻柱的刹车操作,此类故障不仅需要报警,更需要即时的刹车保护.1.3操作系统故障操作系统故障主要是指刹车手柄控制信号丢失引起的操控失灵,例如:手柄的输入信号或者输出信号丢失.此类故障是瞬间出现,同样的,对于正在进行一个钻柱的刹车操作,此类故障不仅需要报警,更需要即时的刹车保护.2故障检测与解决方法l22.1故障解析与检测方法本体方面的故障主要表现在本体发热,常时超过本体温度允许范围会带来损坏,所以需要提供超温报警功能,提醒使用人
5、员采取相应措施,例如停机和加强散热.本体温度的检测通常采用以下手段:1)在采用循环水冷却方式的水流管道中,装入流体检测器和温度检测器;2)在强制风机冷却方式的电气接线箱中安装风压检测器;3)在刹车本体中安装热敏元件并配置温度显示及报警器.电气控制系统方面的故障主要表现为制动力矩降第一作者简介:周骥,男,1971年生,1998年于西安公路交通大学(现长安大学)信控系自动化专业毕业,现就职西安宝美电气工业有限公司,工l程技术部设计师.同时在西安建筑科技大学攻读硕士学位,专业方向是控制自动化.邮编:710065?90?石油仪器PETROLEUMINSTRUMENTS2009年08月低,过低甚至完全丢
6、失,在正在进行一个钻柱的刹车操作时,需要提供制动力矩过低,甚至完全丢失情况下的保护功能,以避免事故发生.制动力矩的大小取决于直流励磁电流的大小.制动力矩不正常降低的情况需要提供报警功能,提醒使用人员检查故障原因.交流电源测的欠压,缺相故障通常造成制动力矩降低,电控系统的制造可以采用三相电路保护继电器对交流电源侧的过压,欠压和缺相进行检测,并可提供一个无源的触点来表征故障状态.直流故障主要是整流电路故障,可引起制动力矩过低完甚至全丢失,电控系统的制造可以采用电子电路对此进行检测.整流故障检测的原理图如图1所示.图1整流故障检测原理图端子5引入的是整流触发给定信号,信号范围是0l0VDC,对应0一
7、最大直流输出电压.直流故障检测通常设定在整流触发给定信号达到60%时,对直流励磁电流检测.对应调节W3电位器使得Z26管脚的电压设定在6VDC,完成对60%时的设定.端子9引入的是直流电流互感器采样的直流电流信号,05VDC线性对应0100A.以一个7000m钻机的电磁涡流刹车为例,额定工最大作电流约8OA,根据测算整流触发给定信号达到60%时,直流励磁电流达到40A.系统设计假定低于2OA为电流过低,需要保护.对应调节W2电位器使得z23管脚的电压设定在1VDC,完成对20A的设定.端子19,20提供一个无源的触点来提供保护信号的输出.参见图1的电路可完成大多数整流故障的检测和故障信号的传送
8、.操作系统方面的故障主要表现为刹车手柄的操控失灵,通常是无给定信号的输出.在正在进行一个钻柱的刹车操作时,需要提供保护和报警.针对这一现象,笔者建议在刹车手柄内部给定的最大位置,加装一个微动开关,利用开关的无源触点,直接将一个1OVDC信号送给电气控制系统,送入图1整流故障检测原理图中的端子5用于故障检测.此种方式可以检测刹车手柄的操控失灵和故障信号的传送.2.2保护的实现通过上述各种故障分析和检测,需要完成的是根据系统故障的危害对系统实施保护和报警的实现.电磁涡流刹车的保护功能有两类方式:第一类方式,是在电气控制系统中引入UPS(不间断电源系统)的概念;第二类方式,是提供检测到故障的信号,启
9、动钻机主刹车系统,例如带刹或盘刹.第一类方式的实现,需要提供蓄电池组和充电设备.有的设计还增加一套整流装置.这种方式的缺点,是设计复杂,造价高,对于本体断路和短路的故障起不到保护作用.第二类方式实现较简单,在以带式刹车为主刹车的钻机中,只需要利用图1整流故障检测原理图中端子19,20提供一个无源的触点,控制带刹的助力气囊的进气电磁阀,在故障时通气,拉动带刹提供制动力矩.或者在盘刹作为主刹车的钻机中,也可以利用整流故障检测原理图1中端子19,2O,提供一个无源的触点,控制盘刹启动,实现刹车.这种方式的最大优点,是故障保护不再依靠电气控制系统,而且造价低.目前,国外的电磁涡流刹车,其电气控制系统刹
10、车手柄的设计有可以借鉴的优点.刹车手柄的控制逻辑是在初始位置时,输出18VAC信号;在给定最大位置时,输出0VAC信号.电磁涡流刹车电气控制系统在刹车手柄信号从l8VAC到0VAC变化时,对应输出0VDC到最大直流励磁电压.这种设计可以很好的实现刹车手柄操控失灵无给定信号的输出时,输出最2009年第23卷第4期周骥等:电磁涡流刹车电气控制系统常见故障分析?9l?大直流励磁电压,从而实现刹车手柄失灵的自动保护功能.而我国生产的电磁涡流刹车电气控制系统,有效控制信号是0到10VDC变化时,对应输出0VDC到最大直流励磁电压.这就需要对手柄的控制信号进行转换.为此,我们设计的一种简单的信号转换电路如
11、图2所示.图2信号转换电路图2中端子2,端子3之间输人18VAC手柄信号,通过zl整流和W1分压在2上得到12VDC电平.Z2完成求差比例放大运算,端子4得到0VDC电平.不难算出当输人手柄信号从18VAC到0VAC变化时,端子4的电平从0VDC到l0VDC变化,这个0VDC到l0VDC的信号就可以适应我国生产的电磁涡流刹车电气控制系统.不难想象,利用上述方法,在电气控制系统刹车手柄失灵的情况下,给定信号可以自动的补偿并传递到整流系统的触发电路,起到自动保护的目的.但目前在国内还没有应用实例.3结束语综上所述,电磁涡流刹车及电气控制系统故障的报警和保护是可以有效的实现.本文中图l一整流故障检测
12、原理图所介绍的电子线路,就是该电磁涡流刹车故障检测报警保护电路板中的部分原理.同时该电路板预留了部分器件,十分利于扩展图2一信号转换电路的内容.电磁涡流刹车故障检测报警保护电路板,提供一路刹车手柄信号输入及变换单元(可扩展),两路故障检测信号有源输入端口;一组整流故障检测功能单元输入端口;三路分项报警输出有源端口;一路报警输出无源触点端口和一路保护输出无源触点端口.电磁涡流刹车电气控制系统的设计制造,可以充分利用电磁涡流刹车故障检测报警保护电路板,实现对刹车本体故障的本体高温和电气控系统故障的交流故障的报警和保护功能.例如,可分别利用两路故障检测信号输入端口进行故障信号的采集,并分别有两路可分
13、项报警输出有源端口进行分项报警,更加便利于检修.电气控制系统方面的故障问题,可利用一组整流故障检测功能单元输入端口,进行电气控系统故障的直流故障检测,并利用一路保护输出无源触点端口,启动外部的保护功能.同时有一路分项报警输出有源端口进行分项报警.可利用一路报警输出无源触点端口延伸到司钻台进行报警.操作系统方面故障的问题解决依赖刹车手柄改变,如果使用本文建议改良的刹车手柄,解决方案本文已阐述.如果使用国外的刹车手柄,可以利用图2一信号转换电路直接实现操作系统故障的刹车手柄操控失灵检测的保护.也就是说,一个性能优异的电磁涡流刹车控制系统的设计与制造的先进性,将会给石油钻机的作业带来强大技术支持和可预期的安全性保障3l.参考文献1张奇志.电动钻机自动化技术M.北京:石油工业出版社,20062张宝成,断现军,熊字.电磁涡流刹车的断电保护电路设计J.石油矿场机械,2004,33(4)3锁超民.石油钻井绞车刹车系统的现状与发展J.石油矿场机械,2005,34(1)(收稿日期:20090602编辑:梁保江)
