石油鉆采設(shè)備及工藝-李振林 §5-4 電驅(qū)動原理與設(shè)備

1、5-4 5-4 電驅(qū)動原理及設(shè)備電驅(qū)動原理及設(shè)備一、一、電動機(jī)的機(jī)械特性電動機(jī)的機(jī)械特性二、二、直流電動機(jī)機(jī)械特性與人為特性直流電動機(jī)機(jī)械特性與人為特性三、三、交流電動機(jī)固有機(jī)械特性與人為特性交流電動機(jī)固有機(jī)械特性與人為特性返回四、四、AC-SCR-DCAC-SCR-DC可控硅直流電驅(qū)動可控硅直流電驅(qū)動石油鉆機(jī)電驅(qū)動技術(shù)，經(jīng)歷了AC-AC、DC-DC和AC-SCR-DC等階段，現(xiàn)已進(jìn)入AC變頻驅(qū)動新時期。當(dāng)前，SCR驅(qū)動已發(fā)展到第四代；而國產(chǎn)SCR電驅(qū)動的技術(shù)水平，尚只相當(dāng)于國際上的第三代產(chǎn)品，關(guān)鍵的設(shè)備和電控系統(tǒng)尚不能完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。SCR直流電驅(qū)動，是直流電動機(jī)去驅(qū)動工作機(jī)；AC變頻電驅(qū)動

2、，是交流電動機(jī)去驅(qū)動工作機(jī)。交流變頻（AC變頻）驅(qū)動技術(shù)于80年代中期首先被引入頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)。1997年以來，英國在北海油田鉆井平臺上已采用交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)代替SCR直流電驅(qū)動鉆機(jī)。預(yù)期，本世紀(jì)，交流變頻驅(qū)動技術(shù)在石油裝備領(lǐng)域，尤其是在石油鉆機(jī)、頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)方面的研究開發(fā)與應(yīng)用，將進(jìn)入一個蓬勃發(fā)展的時期。一、電動機(jī)的機(jī)械特性一、電動機(jī)的機(jī)械特性1.機(jī)械特性與特性硬度電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩M之關(guān)系n= f（M），稱為電動機(jī)的特性。電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩改變而變化的程度成為機(jī)械特性硬度，用硬度系數(shù)a表示特性曲線上任一點(diǎn)的硬度系數(shù)a為該點(diǎn)轉(zhuǎn)矩變化百分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)速變化百分?jǐn)?shù)之比，可分為3種類型： 特硬特性：

3、a，即轉(zhuǎn)速n不隨轉(zhuǎn)矩M變化；硬特性： a4010，即轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩增加而下降，但改變程度不很大；軟特性： aMe時，轉(zhuǎn)速下降較多；負(fù)載轉(zhuǎn)距MMmax時，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 由于交流電動機(jī)固有機(jī)械特性是硬特性，不能滿足鉆機(jī)工作機(jī)對調(diào)速的要求。2. 交流電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 應(yīng)用AC變頻技術(shù)，通過變頻器向交流電動機(jī)提供頻率可調(diào)的交流電源，改變電源頻率f，可得到圖示的人為特性，變頻調(diào)速機(jī)械特性，精確控制調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足鉆井裝備工作機(jī)對調(diào)速性能的要求。四、四、AC-SCR-DC可控硅直流電驅(qū)動可控硅直流電驅(qū)動1. SCR電驅(qū)動：如圖，數(shù)臺柴油機(jī)交流發(fā)電機(jī)組所發(fā)交流電并網(wǎng)輸出到同一匯流母線上（或由工

4、業(yè)電網(wǎng)供電），經(jīng)可控硅裝置整流后驅(qū)動直流電動機(jī)，帶動絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井泵，此種電驅(qū)動型式稱為AC-SCR-DC或簡稱SCR電驅(qū)動。2. SCR電驅(qū)動優(yōu)點(diǎn)與機(jī)械驅(qū)動（MD）相比較，SCR驅(qū)動具有如下優(yōu)越性： 直流電動機(jī)具有人為軟特性。調(diào)速范圍寬，R一般為2.55。超載能力強(qiáng)，超載系數(shù)K一般為1.62.5。因具有無級調(diào)速的鉆進(jìn)特性，可提高鉆井效率。 極大地簡化了機(jī)械傳動系統(tǒng)，提高了傳動效率。 柴油機(jī)交流發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)始終處于最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況（額定轉(zhuǎn)速、載荷自動均衡分配），比MD可節(jié)省燃料1820；大修周期延長80，柴油機(jī)使用壽命延長。 并聯(lián)驅(qū)動，動力可互濟(jì)，動力分配更靈活合理。 SCR驅(qū)動便于鉆機(jī)的

5、平面和立體布置，且維護(hù)費(fèi)用僅為MD驅(qū)動的30；自動化程度高，使用安全可靠。 降低電樞電壓調(diào)速降低電樞電壓調(diào)速保持勵磁電流為額定值即磁通不變，降低輸入保持勵磁電流為額定值即磁通不變，降低輸入電樞的電源電壓電樞的電源電壓U，則理想空載轉(zhuǎn)速，則理想空載轉(zhuǎn)速n將隨將隨U的的下降而降低，但下降而降低，但b值不變，可得到一組與固有特值不變，可得到一組與固有特性曲線平行的機(jī)械特性曲線。性曲線平行的機(jī)械特性曲線。此法自額定轉(zhuǎn)速往下調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)此法自額定轉(zhuǎn)速往下調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)8:1。均勻降低電樞電壓均勻降低電樞電壓U，可實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)節(jié)。，可實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)節(jié)。磁通不變，工作電流不超過額定值，允許輸出磁

6、通不變，工作電流不超過額定值，允許輸出轉(zhuǎn)矩仍為額定值，屬轉(zhuǎn)矩仍為額定值，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，圖示虛線，圖示虛線4。 減弱磁通調(diào)速減弱磁通調(diào)速保持電樞電壓為恒定值，調(diào)節(jié)串入勵磁電路中的可調(diào)電阻Rfr，使勵磁電流f減小，則磁通 減弱。n值升高、b值增大，機(jī)械特性曲線上移，圖示曲線3逐漸變軟。磁通 愈小，特性曲線升得愈高，特性愈軟。弱磁調(diào)速時，要求電流不超過額定值，否則電機(jī)會過熱。弱磁法屬恒功率調(diào)速（圖中曲線5）：當(dāng)減弱磁通使轉(zhuǎn)速升高時，電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)減少，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減少，以保持電機(jī)輸出功率基本不變。MCCRRCUnmefee2 電樞串電阻調(diào)速：在電樞電路中串入可調(diào)電阻電樞串電阻調(diào)速

7、：在電樞電路中串入可調(diào)電阻Rac，保持電源電，保持電源電壓壓U和勵磁電流（磁通和勵磁電流（磁通 ）不變，）不變，n= f（M）可改寫為：）可改寫為：MCCRRCUnmeacee2理想空載轉(zhuǎn)速n0不發(fā)生變化，逐漸增大Rac，可得到一組逐漸變軟的特性曲線，即在同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩M下， Rac增大，轉(zhuǎn)速n下降。此法只能向降速方向調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍一般為1.5:1。這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)節(jié)電阻Rac要常時間通過電樞電流，消耗大量電能，不經(jīng)濟(jì)，可用于中小容量的電機(jī)，對鉆機(jī)驅(qū)動電機(jī)不適用。 并勵（它勵）電動機(jī)：具有硬特性，從空載到額定負(fù)載轉(zhuǎn)速約下降510n= f（M）表達(dá)式為：并勵（它勵）電動機(jī)中，磁通 基本不變，Ce、Cm是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。因此理想空載轉(zhuǎn)速n0及系數(shù)b均為常數(shù)。bMnMCCRCUnmeee02 串勵電動機(jī)：具有軟特性， n= f（M）表達(dá)式與并勵電動機(jī)基本相同：但是，串勵電機(jī)的磁通 是變化的，具有圖示的軟機(jī)械特性。此外，串勵電機(jī)電磁力矩與電流平方成正比，啟動轉(zhuǎn)矩大。因此，串勵電