石油工程与装备课件---第三章-我国常用钻机(2)11版

1、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（ACAC）；（Alternate Current）“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（DCDC）；(Direct Current)“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（ACSCRDC）；(Alternate CurrentSilicon(硅) Controlled Rectifier（整流器）)逐渐由SCR 代替DC

2、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ACSCRDC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。 【 2007年11月16日，在宝石机械70华诞之际，国家“863”计划重点课题项目我国首台具有自主知识产权的12000米特深井石油钻机在该公司研制成功。 1200米钻机是国内外第一台陆地用12000米交流变频电驱动钻机。 山东科瑞石油装备公司,2009年10月生产出9

3、000米交流变频钻机. 胜利油田高原石油装备有限责任公司 ,2010年8月生产出9000米交流变频钻机.】,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4700kW） 通过SCR(AC SCRDC)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

4、； 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。

5、 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=11.7，7.2，4.75，2.93 n=94，153，231，375 n电1100r/min 注：链轮，27T，T-齿（Tooth）2”P，P节距（Pitch）。,4. ZJ60D钻机总特点 6000m;ACSCRDC 7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

6、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:油井象丛林一样布置,目的是开采不同深度的油层.,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

7、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。,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,

8、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）

9、、 。,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。 【

10、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

11、），,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M N.m C结构常数 特性（ 与 关系） 空载转速（M=0）； 载荷转速（ ）,【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。】,与 呈线性关系，曲线稍向下斜，硬特性。,（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 。】

12、（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,（2）降低电枢

13、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nM曲线下移。,， 不变， 才不变； 减小，M也小）,降压特性,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,弱磁特性,四、可控硅直流驱动 ACSCRDC 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

14、）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ACSCRDC 【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.

15、 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，n n0， 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

16、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n n0（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。,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： Aa, Bb, Cc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Aa, Bc

17、, Cb 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。,固有特性曲线,先正常运转之后反接,电源反接后曲线,电源反接定子串阻曲线,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。,固有特性曲线,电源反接后曲线,电源反接定子串阻曲线,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

18、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。,固有特性曲线,转子中串阻后曲线,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。（MML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nn0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）

19、 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。）,1. 反馈制动 外界条件：使nn0（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nn0（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。】,（二）他励电机制动,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）,固有特性曲线