第三章 我国常用钻机(2).ppt

第三章我国常用钻机第二节电驱动钻机海洋钻机全为电驱钻机 陆用深井钻机 电驱日益增多 电驱钻机 工作机用电动机带动 一 分类1 交流电驱钻机 即交流发电机 或工业电网 交流电动机驱动 AC AC AlternateCurrent 陆地钻机 已不采用 2 直流电驱钻机 即直流发电机 直流电动机驱动 DC DC DirectCurrent 海洋 陆地深井 3 可控硅整流直流电驱钻机 即交流发电机 可控硅整流 直流电动机驱动 AC SCR DC AlternateCurrent Silicon 硅 ControlledRectifier 整流器 逐渐由SCR代替DC DC 用直流电机调速好 4 正在发展交流变频调速驱动钻机 即交流发电机 变频调速器 交流电机驱动 五年前 海 陆几乎全用AC SCR DC电驱钻机 有了大功率交流变频调速器 交流电驱钻机会增多 二 优点1 传动效率高 较机传高16 2 无级变速 在某机械档下 无级变速 3 简化传动 控制 易装调整 自动保护 我国研制电驱动钻机始于70年代 DZ 200 DC DC驱动 钻深5000米 宝鸡厂 1971 海洋5000米钻机 DC DC驱动 兰石厂 1975 80年代以来电驱钻机有 ZJ15D AC AC驱动 吉林重机厂 以及兰石厂成产的ZJ45D 丛 ZJ60D ZJ60DS AC SCR DC 90年代末 研制了ZJ50D AC SCR DC驱动 宝鸡厂 1999 正在研制3000米以下的交流变频电驱钻机 三 ZJ60D钻机ZJ60D国产钻机 是第一台6000m级SCR电驱钻机 兰石厂制造 1987年3月通过鉴定 传动系统如图3 7 1 动力四台PZ12V190B柴油机 交流发电机 在1500r min时 动力4 700kW 通过SCR AC SCR DC 变换 驱动7台GE752R 736kW 直流电机 单独驱动各工作机组 2 配套设备 SL 450 450tf 水龙头 ZP375转盘 开口直径37 5 952 5mm 两台3NB 1300或3NB 1600钻井泵 闭式绞车 功率1470kW 2000马力 带槽滚筒 强制水冷 通风型胎式低速离合器 配DS 60 电刹6000m 电磁涡流辅助刹车 电刹 有左 右定子通直流电产生固定磁场 转子在磁场中产生涡流 两磁场作用产生制动力矩 钻头自动送进装置 7 5m高钻台 有效高度5 6m 可容纳全套防喷器 可低位安装55t重绞车 塔架 高度44 8m 也可配前开口井架 集中控制 保护系统 如司钻可操作绞车 转盘 钻井泵 涡流刹车 自动送钻等 控制集中在司钻台上 司钻可选合适的钻井参数 最佳运转工况 3 传动方案绞车用两台电机 每台泵用两台电机 转盘用一台电机 共7台直流电机 绞车 四轴 输入 变速 猫头 有捞砂筒 滚筒轴 捞砂筒 井中积砂 下筒捞砂 过桥轴 动力传给转盘 转盘自配电机 四个机械档 输入轴两链轮 传动轴分两路去主滚筒轴 i 11 7 7 2 4 75 2 93n 94 153 231 375n电 1100r min注 链轮 27T T 齿 Tooth 2 P P节距 Pitch 4 ZJ60D钻机总特点6000m AC SCR DC7台电机分别驱动 塔架或前开口井架 四轴闭式绞车 带槽滚筒 有捞砂筒 电磁涡流刹车 四 ZJ45D丛式井钻机ZJ45D国产钻机 是第一台成套电驱动丛式井钻机 1 采用AC SCR DC电驱动 动力机与工作机只需电缆连接 2 三台柴油机PZ12V190B驱动交流发电机 3 六台可控硅整流柜 4 六台直流电机 绞车用2台 两台钻井泵各用两台 5 配钻机移动系统 丛式井 丛式井抽油机 第三节电机驱动特性 一 电动机机械性能1 机械特性电机转速n与电磁转矩M之间变化关系 2 特性硬度电机转速随转矩改变的变化程度 转速n不随转矩M变 为特硬特性 n随M增加而下降较小 为硬特性 n随M增加而加速下降 为软特性 3 固有机械特性电机的电压 频率 交流 励磁电流为额定值 无附加电阻 具有的特性 4 人为特性人为调节电压 频率 电流所得到的特性 称人为特性 无级变速由此而来 二 交流电机特性 固有 1 同步电动机 1 定义转子转速 n 与 定子 旋转磁场转速 n0 相同 通交流电 故称同步电机 n0 n 同步电动机 同步电动机转子 2 特硬特性 n不随M 扭矩 而变 n0 只与电流频率f 磁极对数p有关 磁场转速 3 工作原理 定子绕组通交流电产生旋转磁场 转子绕组通直流电形成直流励磁磁场 两磁场相互作用 使转子被旋转磁场拖 吸 着以同步旋转 即n n0 同步电机启动性能差 用于不常启动 不变速场合 用于钻井泵 同步电机有恒定转速特性 f P一定 n0定值 定子 转子 4 同步电机 异步启动 同步启动转子 定子同时通电 由于转子磁极固定 定子为旋转磁场 产生忽吸 忽排使平均转矩为零 不能启动 异步启动定子通电形成旋转磁场 使转子线圈产生感应电流 使转子转起来 转子再通直流电 实现异步启动 同步工作 2 异步电动机 1 定义转子转速小于磁场旋转速度 称异步电机 2 工作原理定子通交流电形成旋转磁场 转子产生感应电流 转子电流同旋转磁场作用产生磁力矩 通电导体在磁场中可以运动 定子旋转磁场转速 定子电流频率 磁极对数 旋转磁场转速与转子转速之差 转子感应电流频率为 与转差有关 与转差率有关 感应电流 转子转速 n0 转矩 式中 定子相电压 转子相电阻 与结构 电源频率有关常数 时转子每相感抗 与关系 与有关 与也有关 通过把与建立了关系 3 特性 属于硬特性 在额定内 随增加下降较小 大于 下降快些 停 异步电机常用于驱动绞车和转盘 特硬特性 硬特性 三 直流电机特性1 直流电机的基本原理定子 通直流 形成固定磁极 转子电枢通电 磁力作用使转子转动 左手定则 掌心对N 四指电流 母指力 直流电机的基本原理 电枢 定子磁场 保证 N极下的边电流总是一个方向 S极上的边电流为一个方向 两边受磁力方向形成力偶电枢才转动 由换向器使电流方向改变 1 主磁极2 电枢线圈3 4 换向器 电刷 直流电机的基本原理 并励 复励串励 并励 串励 他励 2 直流电机的结构与励磁方式 直流电机按定子绕组与电枢绕组 转子 联接方式分 直流电机类型及等效电路 1 他励直流电机定子绕组与电枢绕组分别接到电源上 U 电源电压E 电枢感应电势与外加电流或电压方向总是相反 他励 并励 串励 复励 2 并励直流电机定子绕组与电枢绕组并联 3 串励直流电机定子绕组与电枢绕组串联 4 复励直流电机 定子两套励磁绕组 一套与电枢并联 一套与电枢串联 转速 通过公式了解特性 由 而来 电工学中 电枢电压 磁通 电枢电阻 电枢电流 与结构参数有关常数 电机转速与电枢电流的关系 3 直流电机固有特性 1 他或并励二者性能相近 不考虑电源线路电阻 具有硬特性 n随M增大变化较小 电磁转矩MN mC 结构常数 特性 与关系 空载转速 M 0 载荷转速 与呈线性关系 曲线稍向下斜 硬特性 他 并励磁通基本不变 磁通由定子线圈产生 与 定子电流 有关 不变 2 串励属软特性 n随M增加而加速下降 定子 电阻 由于磁通是变化的 与呈非线性关系 属软特性 他 并励中 转子电流 变不影响 定子电流 是变的 串励中本应与有关 随变 每极磁通是电枢电流的函数 C常数 3 复励介于并 串联之间 属软特性 4 适用场合串励电机 适驱动绞车 载荷增大 转速自动下降 实现恒功率调节 并 他励电机 适驱动钻井泵 实现定速恒转矩调节 钻机用他励直流电机驱动绞车 转盘 需要人工调节转速 他励电机调速方式 1 电枢串阻在电枢中串入可调电阻 保证电源电压U和励磁电流不变 他励电机固有特性转速与转矩关系为 他励 4 直流电机人为特性 2006 11 11 由使 载荷转速 变大 特性变软 满足n随M增大而下降要求 n只能在额定转速以下 串阻 串阻特性 2 降低电枢电电压U使空载速度下降 不变 他励中降压 磁通不变 额定 M不变 使固有特性n M曲线下移 不变 才不变 减小 M也小 降压 降压特性 3 减弱磁通调速改变 定子磁通 使 都变 而改变特性 弱磁实现 保证电枢电压恒定 在定子电路中串入可调电阻 使励磁电流减小 则磁通减弱 弱磁 弱磁特性 四 可控硅直流驱动AC SCR DC由柴油机 AC发电机 交流电 整流 DC电机 1 整流元件可控硅 SCR 1 二极管 电子 晶体 由一对PN结构成 整流利用单向导电特性整流 输入交流电压一定时 输出直流电压是一个定值 不能任意调节 2 可控硅整流是一种大功率半导体 使输出直流电压可调 可控硅 半导体材料为硅 其结构两对PN结 从中间P层引出控制极G 金硼钯片 调节输出电压 2 可控硅驱动特点直接由SCR调节电压 控制弱磁而调速 可控硅整流元件 3 为何用AC SCR DC 为何不用DC发电机 可控硅多一个控制极 1 AC发电机易与柴油机匹配 2 不需另设AC发电机组 其它设备用AC 3 动力匹配灵活 SCR有分配 分别控制功能 4 SCR对功率 调速范围宽 易与工作组匹配 5 使用经济性好 柴油机在额定转速运转 耗燃少 柴油机寿命长 延长大修期80 维修费低 30 4 用DC电机 不用AC电机 原因 1 直流电机 调速宽 能频繁启动 载荷变化范围宽 启动制动平稳 2 交流电机 硬特性 转速几乎不随载荷而变化 只能由调频f改变转速 5 现在有了交流变频技术 用AC 变频器 AC 五 电机的制动电机本身有 电动 制动状态 n 或n 0为制动状态 由M与n反向造成的 一 三相异步电机制动定子通交流电 转子产生感应电流而工作 nn0 转差率 2 结果 电机处发电状态 磁矩M起制动作用 3 分析 转子切割磁力线的方向与电动时相反 感应电流改变了方向 电磁转矩改变方向 转矩 M与转差率S有关 S为正 M为正向 S为负 M反向 结论 M与n相反 M起制动作用 1 2象限正转电动与制动状态 3 4为反转电动与制动状态 注 横坐标上为电机正转 横坐标下为电机反转 n与M反向 n与M同向 n与M反向 n与M同向 n n0 4 实例分析例1 抽油机下冲程工作 开始电机反转驱动下行 驱动力矩M和负载力矩ML同向 自重作用下放加速 本应nn0 负转差 则 磁矩M与转速n方向相反 M起制动作用 当 匀速下降 负载 上页图 先在第3象限工作过渡到第4象限 2 反接制动 正常工作 A a B b C c三相顺序接入 电机正转 特性为曲线1 任意两相对调 电机反转 电源反接操作 对调两相A a B c C b电源反接 旋转磁场改变方向 特性变为曲线2 防止反接电流过大定子串阻人为特性为曲线3 电源反接后曲线 电源反接定子串阻曲线 固有特性曲线 先正常运转之后反接 原理分析 电源反接后 磁矩马上变向 速度不能突变 由a点过渡到b或d点 转子在M 制动力矩 和ML 负载力矩 共同阻力下迅速减速 沿曲线3 M与n反向 进入制动状态 待n 0断电 到e点或c点 否则反转 电源反接后曲线 电源反接定子串阻曲线 固有特性曲线 3 倒拉制动负载为位能负载 条件 转子正转提升重物 磁矩M与转速n同向 电机正转 准备下放 为防止下降太快 用倒拉制动 方法 转子中串较大附阻 改变了特性为曲线2 运行点从a点转到b点 使电动M 磁矩 减小 M ML 负载力矩 转子沿曲线2减速到c点 此时M仍小于ML 迫使电机反转 转子中串阻后曲线 固有特性曲线 电机由正转 零转速 反转 进入倒拉制动状态 此时M与n方向相反 M起阻力作用 M ML可匀速下放 M ML加速下降 反馈制动 利用电机驱动 位能负载共同作用 使转子转速高于磁场转速 产生的制动效果 转子串阻特性曲线 固有特性曲线 4 能耗制动反接制动难以准确停车 易造成反转 反馈制动经济 只能在n n0使用 1 目的 准确停车 2 制动原理 操作 将定子断电 立即接入直流电源 特性由曲线1变为曲线2 结果 形成固定磁场 转子在惯性下 继续旋转 由a点变到b点 产生感应电流 该电流与固定磁场作用产生 与转子方向相反 的制动力矩 转速 沿曲线2 下降 并能准确制动 n 0 不能切割固定磁场的磁力线 M 0 二 他励直流电机制动 1 反馈制动 外界条件 使n n0 空载转速 结果 处发电状态 起到制动作用 例 电车平路为电动状态 转速n稳定在a点工作 当电车下坡 位能负载转矩使电车加速n n0 从a点向b点过渡 E U 电压 电枢Ia与电动时反向 M反向 造成反馈制动 使电车稳速下行 n不再增大 直流电机 定子通直流电 形成固定磁场 转子电枢通直流电 电与磁相互作用产生电磁矩 2 反接制动 1 电源反接 电枢电压反接瞬间 转子转速不能突变 电枢电压变向 电枢电流Ia变向 磁矩M也变向 此时磁矩M与转速n方向相反 M与ML共同作用使n迅速下降 直至n 0 若不断电 电机又反向启动 按曲线2工作 电源反接后曲线 固有特性曲线 2 倒拉反接制动 条件 提升重物转为下放重物 方法 电枢串阻 人为改变了特性 使曲线变陡 原理 电机原来稳速提升重物 若要使其匀速下放 电枢串阻后 运行状态由自然特性曲线1的a点过渡到人为特性曲线2的c点 并沿着曲线2工作 电枢串不同的电阻获得的曲线 固有特性曲线 提速下降 结果 Rad大 Ia减小 M小了 M ML 提速减慢 n 电势E Ia有所 M有所 仍M ML 继续n 直至n 0 重物停止上升 由于ML M拖着转子反转 即重物下放 此时电机转矩起到反力矩作用 n与M反向 阻止下降 控制下放速度 ML M 匀速下放 稳定在b点工作 电枢串阻 固有特性曲线 电枢串不同的电阻获得的曲线 3 能