石油鉆采新裝備電驅(qū)動鉆機

第一節(jié)電驅(qū)動鉆機的類型及特點

從誕生到現(xiàn)在，電驅(qū)動鉆機主要有四大類。

一、AC—AC電驅(qū)動鉆機

最初的電驅(qū)動鉆機為該類型，目前已很少使用。

1、動力分配

由柴油機帶動交流發(fā)電機發(fā)電，通過電網(wǎng)實現(xiàn)動力并車，集中供電，驅(qū)動交流電動機，從而帶動工作機工作。典型的動力分配圖如下。23

2、AC—AC電驅(qū)動鉆機的特點

（1）通過電網(wǎng)實現(xiàn)動力并車，省去了機械鉆機龐大復(fù)雜的動力并車系統(tǒng)；（2）采用單獨或分組驅(qū)動，簡化了傳動系統(tǒng)，傳動效率提高；（3）采用電子調(diào)速，柴油機可以穩(wěn)定在高效區(qū)工作，壽命延長，燃油消耗降低（降低10～12%）；（4）交流電動機為硬特性，絞車、鉆盤仍需設(shè)較多的機械檔，只能有級變速。

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二、DC—DC電驅(qū)動鉆機

這是繼AC—AC電驅(qū)動鉆機后出現(xiàn)的類型。

1、動力分配由柴油機帶動直流發(fā)電機發(fā)直流電，驅(qū)動直流電動機，帶動工作機工作。典型的動力分配圖如下。56

2、DC—DC電驅(qū)動鉆機的特點

（1）采用單獨或分組驅(qū)動，傳動系統(tǒng)簡化，傳動效率提高；（2）采用電子調(diào)速，可使柴油機穩(wěn)定在最佳運轉(zhuǎn)工況，壽命延長，鉆機總?cè)加拖慕档停ń档?0～12%）；（3）直流電動機，具有人為的柔特性，調(diào)速范圍寬，可實現(xiàn)無級調(diào)速，絞車、鉆盤只需設(shè)少量的機械檔；（4）用直流電動機驅(qū)動，啟動能力強。

(5)需要專門配置交流發(fā)電機組，提供輔助設(shè)備和照明電源；（6）直流發(fā)電機、直流電動機成本高，壽命相對較短，維護困難，還需特別考慮防爆問題；（7）動力機不能互濟，總裝機功率大，影響可靠性。7

三、AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機

這是當前世界最流行的電驅(qū)動鉆機類型。

1、動力分配

由柴油機帶動交流發(fā)電機發(fā)交流電，通過電網(wǎng)實現(xiàn)動力并車，集中供電。再經(jīng)可控硅整流裝置將交流電變?yōu)橹绷麟?，?qū)動直流電動機，從而帶動工作機工作。

典型的動力分配圖如下。89返回24

2、AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機的特點

（1）具有AC—AC、DC—DC電驅(qū)動鉆機的全部優(yōu)點；（2）用直流電動機價格高、壽命短，還需特別需考慮防爆問題。（3）投資成本略高于DC—DC電驅(qū)動鉆機。

是當今電驅(qū)動鉆機的主力機型之一。10

四、AC—VF—AC電驅(qū)動鉆機

基本原理用柴油機帶動交流發(fā)電機發(fā)出交流電，通過可控硅變頻器，得到可以改變頻率的交流電，驅(qū)動交流電動機工作，從而帶動鉆機各工作機工作。在可控硅變頻器的內(nèi)部，經(jīng)歷兩次電流性質(zhì)的改變：首先用晶閘管整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)電壓的直流電，再用逆變器將可調(diào)直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電。（見圖）利用改變頻率，交流電動機的機械特性可以人為地改變，得到人為的柔特性，滿足鉆機工作機的性能要求。人為特性曲線見圖。

11返回1112特點：

1、具有AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機所有優(yōu)點；

2、克服了AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機的主要缺點；

3、變頻器價格稍高，傳動效率稍低。是當今電驅(qū)動鉆機的最高水平。最終將全部取代AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機。

第二節(jié)電動機的機械特性

一、機械特性的分類

機械特性：電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩M而變化的關(guān)系。一般用曲線表示，稱機械特性曲線。

按轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩M變化的程度不同，機械特性可分為三類：

1、當時，為特硬特性；在n—M曲線上，表現(xiàn)為一條水平線。

2、當時，為硬特性；在n—M曲線上，表現(xiàn)為一條略向下傾斜的直線。

3、當時，為柔特性；在n—M曲線上，表現(xiàn)為一條近似的雙曲線。

見下圖。1314

二、電動機的固有機械特性

固有機械特性：電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩M而自動變化的關(guān)系。用曲線表示，則稱固有機械特性曲線。

1、交流電動機的固有機械特性

a、同步交流電動機

同步交流電動機固有機械特性為

特硬特性。

特點：具有較高的功率因數(shù)，效率高；啟動性能很差；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命相對較短，價格較高。適用于：不經(jīng)常啟動、轉(zhuǎn)速恒定的中、大功率場合。

用得較少。

b、異步交流電動機

異步交流電動機固有機械特性為

硬特性。特點：過載能力較大；結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、維護方便、便宜。適用于：不需要調(diào)速的各種場合。

交流電動機固有機械特性曲線見下圖。1516

2、直流電動機的固有機械特性

直流電動機的優(yōu)點：調(diào)速方便；啟動力矩大。缺點：價格高、維護困難。

按照勵磁方式，可以分為：并勵、它勵、串勵、復(fù)勵直流電動機，石油現(xiàn)場最常用的是它勵直流電動機。

a、并勵、它勵直流電動機

并勵、它勵直流電動機的固有機械特性均為硬特性。

電路原理與固有機械特性見下圖。1718

b、串勵直流電動機

串勵直流電動機的固有機械特性為柔特性。

該特性很好，滿足鉆機的絞車和轉(zhuǎn)盤的要求。但是，當載荷很小時，轉(zhuǎn)速過高，有“飛車”危險，不適合用鏈條、皮帶傳動。這導致其不能用在石油鉆機上。

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三、直流電動機的人為機械特性

人為機械特性：人為地改變直流電動機某些參數(shù)而獲得的機械特性。通常也稱：調(diào)速特性。

現(xiàn)代石油鉆機廣泛使用它勵直流電動機，這里主要講它的調(diào)速特性。它勵直流電動機的基本調(diào)速方式有：

1、在電樞電路中串電阻調(diào)速（見曲線）特點：空載轉(zhuǎn)速不變；轉(zhuǎn)速只能下調(diào)；轉(zhuǎn)速越低，特性越軟；調(diào)速方便；調(diào)節(jié)電阻長期大量耗電，不經(jīng)濟。適用場合：中小功率電機。石油鉆機不適用。

202、降低電樞電壓調(diào)速（見曲線）

特點：

1）轉(zhuǎn)速只能下調(diào)；硬特性不變（固有特性曲線平移）；

2）調(diào)速方便；調(diào)速范圍大；經(jīng)濟性好。

可適用場合：石油鉆機。

3、在勵磁電路中串電阻調(diào)速（見曲線）

特點：

1）轉(zhuǎn)速只能上調(diào)；隨所串電阻增大，特性變軟；

2）調(diào)速方便；經(jīng)濟性較好。轉(zhuǎn)速不得超過額定值的20%?？蛇m用場合：石油鉆機。

四、鉆機用它勵直流電動機的人為機械特性

石油鉆機的工作主機是絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵。一般情況下，工作機的轉(zhuǎn)速都是從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)。對于絞車，當大鉤空載上行時，為了減少上行時間，需要短時高速運行，此時，可以高于額定轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代鉆機采用AC—SCR—DC電驅(qū)動方式，每臺（組）電動機用一個可控硅控制柜，電樞的輸入電壓易于調(diào)節(jié)，故鉆機中大都采用它勵直流電動機復(fù)合調(diào)速：

降低電樞電壓＋勵磁電路串電阻。2223AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機電路調(diào)速過程如下：

a、當勵磁電路中串入的調(diào)速電阻阻值Rf=0、電樞輸入電壓為額定值時，電動機的機械特性為固有機械特性；

b、當需要增速時，增大勵磁電路中串入的調(diào)速電阻阻值Rf，固有機械特性曲線上移，且特性變軟；

c、當需要減速時，將勵磁電路中串入的調(diào)速電阻Rf調(diào)至0，然后通過調(diào)節(jié)可控硅晶閘管的觸發(fā)電路，降低電樞輸入電壓，電動機的固有機械特性曲線向下平移。

參見下圖。

第三節(jié)AC—SCR—DC電驅(qū)動鉆機的可控硅電源簡介

現(xiàn)代鉆機采用AC—SCR—DC電驅(qū)動方式，每臺（組）電動機用一個可控硅控制柜，將交流電轉(zhuǎn)變成可調(diào)的直流電，驅(qū)動它勵直流電動機。

一、可控硅控制系統(tǒng)的主要作用

柴油機帶動交流發(fā)電機發(fā)出的三相交流電，經(jīng)電力并車后進入交流電網(wǎng)（見前圖）。可控硅控制系統(tǒng)完成以下主要工作：

a、經(jīng)三相電力變壓器輸入600V交流電，經(jīng)晶閘管構(gòu)成的全控橋式整流電路轉(zhuǎn)換成可調(diào)電壓的直流電，供給它勵直流電動機的電樞；