1、石油钻机电力驱动石油钻机电力驱动讲授：周秋沙讲授：周秋沙 第一章第一章 钻机的驱动与传动钻机的驱动与传动第二章第二章 电力驱动电力驱动第三章第三章 典型钻机的电力驱动与传动典型钻机的电力驱动与传动2 第一章第一章 钻机的驱动与传动钻机的驱动与传动 主要内容：主要内容：一、石油钻机的三大工作机对驱动传动的要求一、石油钻机的三大工作机对驱动传动的要求 二、机械钻机的驱动与传动方式二、机械钻机的驱动与传动方式 三、电动钻机的驱动与传动方式三、电动钻机的驱动与传动方式 四、电动钻机在驱动与传动方式上与机械钻机的四、电动钻机在驱动与传动方式上与机械钻机的 区别及特点区别及特点 3一、石油钻机的三大工作机
2、对驱动传动的要求一、石油钻机的三大工作机对驱动传动的要求1 1、绞车对驱动传动的要求、绞车对驱动传动的要求绞车在工作工作过程中的载荷是变化的，每起升一根钻柱，载荷就变化一次。为了提高起钻速度，必须充分利用绞车所配备的功率。因此，绞车的理想起升曲线是一条双曲线。（见图）为了使实际起升曲线尽量接近理想曲线，绞车对驱动传动设备的要求是：1 1）要有高度的柔特性，能实现）要有高度的柔特性，能实现 无级调速，且调速范围宽；无级调速，且调速范围宽；2 2）动力机短期过载能力强。）动力机短期过载能力强。42 2、转盘对驱动传动的要求、转盘对驱动传动的要求在钻井过程中，为适应不同的岩层，转盘的转速需要较大范围
3、的调节。在处理井下事故时，还要求微调转速，并且能够倒转。当偶然卡钻时，具有过载保护能力。为满足钻井工艺的上述需要，转盘对驱动传动的要求是：1 1）要有一定的柔特性，调速范围较宽；）要有一定的柔特性，调速范围较宽；2 2）要设一定的机械档（包括倒档）；）要设一定的机械档（包括倒档）；3）能够无几级微调转速。）能够无几级微调转速。53 3、泥浆泵对驱动传动的要求、泥浆泵对驱动传动的要求正常工作时，在不会造成井壁冲蚀的前提下，为了提高钻进速度，要充分利用所配泵的功率。在理想情况下，泵的排量与泵压的关系曲线为一双曲线。在实际操作中，为使泵不至于超载，通常采用换缸套的办法。该办法对泵的功率利用率较低。在
4、处理井喷事故时，有时要求微调泵的排量。为满足上述要求，泵对驱动传动的要求是：1）动力机要有足够）动力机要有足够的过载能力；的过载能力；2）动力机具有一定）动力机具有一定的柔特性。的柔特性。6二、机械钻机的驱动与传动方式二、机械钻机的驱动与传动方式机械钻机采用统一驱动的方式，要点如下：1、利用机械零件利用机械零件将几台柴油机的动力合并起来并车；2、利用机械零件利用机械零件将并车后的动力分配、传递到各工作机传动；3、利用机械零件利用机械零件实现工作机转速、转向的调节调速及控制。注：注：1、改变柴油机的喷油量，增加了调速的范围和速度变化的连续性；2、利用机械零件链条、皮带、齿轮、万向轴等。3、并车方
5、式：带有液力传动装置（变矩器、偶合器）的，采用链条并车；不带液力传动装置的，采用皮带并车。见传动图见传动图7F3203DH钻机传动图8ZJ45J 钻机传动图9三、电动钻机的驱动与传动方式三、电动钻机的驱动与传动方式电动钻机大都采用单独驱动单独驱动或分组驱动分组驱动的方式，要点如下：1、采用电力并车并车由柴油机带动交流发电机发交流电，通过电网实现动力并车，集中供电。2、采用电力传动传动并网后的动力（电能形式）通过电缆分配、传输到驱动各工作机的电动机；3、采用电子控制调速调速改变电动机的输入参数实现工作机转速、转向的调节。注：注：1、柴油机工作状态稳定在最佳范围；2、减少了大量的机械零件；3、对A
6、CSCRDC 电驱动钻机、ACCFAC 电驱动钻机，调速方式不同。101112四、电动钻机在驱动与传动方式上与机械钻机四、电动钻机在驱动与传动方式上与机械钻机的区别及特点的区别及特点1、区别区别机械钻机与电动钻机在驱动与传动方式上的区别主要体现在并车、传动、调速并车、传动、调速三个方面，前面已经叙述。13 2 2、特点、特点（1）具有人为的柔特性，调速范围宽，可实现无级调速，绞车、钻盘只需设少量的机械档；（2）简化了传动系统，传动效率大大提高，总传动效率可提高10%以上；（3）采用电子调速，可使柴油机稳定在最佳运转工况，寿命延长（大修周期延长80%），燃油消耗降低（降低1820%）；（4）钻机
7、体积、重量大大减小，搬迁、安装更为简单；用直流电动机驱动，启动能力强。（5）机械传动副减少，维护、保养量大大减少，设备的故障率下降，可靠性提高；（6）一次性投资成本高于机械钻机。14第二章第二章 电力驱动电力驱动一、直流电驱动二、交流电驱动 15一、直流电驱动一、直流电驱动 主要内容：主要内容：1、直流电动机的结构及工作原理 2、直流电动机的固有机械特性 3、直流电动机的调速方法及人为机械特性 4、直流电动机的启动控制 5、直流电动机的调速控制 6、直流电动机的制动控制 161、直流电动机的结构、类型及工作原理、直流电动机的结构、类型及工作原理1)结构结构 定子部分：主磁极铁芯；主磁极绕组；换
8、向极铁芯；换向极绕组；机座：壳体、端盖、底座 电刷装置：刷座、刷杆、刷握、电刷、弹簧、引线。转子部分：电枢铁芯；电枢绕组；换向器：转轴；171819202122 2)类型：类型：1）并励直流电动机 2）他励直流电动机 3）串励直流电动机 4）复励直流电动机2324253)工作原理：工作原理：利用“通电导体在磁场中受到电磁力的作用”这一原理工作。（见下图）（见下图）磁场：磁场：大中型直流电动机采用电磁场给主磁极绕组(定子绕组)通以直流电，从而产生稳定的磁场。通电导体：通电导体：电枢绕组经过换向器导入直流电流。电磁力矩：电磁力矩：通电导体分布在圆形转子周围，相对于转动轴心有一半径，通电导体受到的电
9、磁力，产生相对于转轴的力矩。力矩方向恒定：力矩方向恒定：由于换向器的存在，使得电枢绕组旋转到某位置时，导体内的电流方向恒定，从而电磁力方向恒定，电磁力矩方向也就恒定了。2627 2、直流电动机的固有机械特性、直流电动机的固有机械特性 固有机械特性固有机械特性直流电动机在电枢电压、磁场磁通为额定值时，其转速 n 随转矩 M 而自动变化的关系。用曲线表示，则称固有机械特性曲线。按转速n随转矩M变化的程度不同，机械特性可分为三类：1、当 时，为特硬特性；在 nM曲线上，表现为一条水平线。2、当 时，为硬特性；在 nM曲线上，表现为一条略向下倾斜的直线。3、当 时，为柔特性；在 nM曲线上，表现为一条
10、近似的双曲线。1040nMnM10nM28直流电动机的优点：调速方便；启动力矩大。缺点：价格高、维护困难。1 1）并励、它励直流电动机）并励、它励直流电动机的固有机械特性的固有机械特性 并励、它励直流电动机的固有机械特性均为硬特性。固有机械特性见右图。292 2）串励直流电动机）串励直流电动机的固有机械特性的固有机械特性 串励直流电动机的固有机械特性为 柔特性。该特性很好，满足钻机的绞车和转盘的要求。但是，当载荷很小时，转速过高，有“飞车”危险，通常不适合用链条、皮带传动。但是，现在自动控制技术水平的提高，该类电动机也在电动钻机上开始使用。303、直流电动机的调速方法及人为机械特性、直流电动机
11、的调速方法及人为机械特性人为机械特性：人为地改变直流电动机某些参数而获得的机械特性。通常也称：调速特性。直流电动机的基本调速方式有：（以他励直流电机为例）1 1）在电枢电路中串电阻调速）在电枢电路中串电阻调速（见曲线）特点：空载转速不变；转速只能下调；转速越低，特性越软；调速方便；调节电阻长期耗电，不经济。适用场合：中小功率电机。石油钻机不适用。2 2）降低电枢电压调速）降低电枢电压调速（见曲线）特点：转速只能下调；硬特性不变（固有特性曲线平移）；调速方便；调速范围大；经济性好。可适用场合：石油钻机。3 3）在励磁电路中串电阻调速）在励磁电路中串电阻调速（见曲线）特点：转速只能上调；随所串电阻
12、增大，特性变软；调速方便；经济性较好。转速不得超过额定值的20%。可适用场合：石油钻机。31324、直流电动机的启动控制、直流电动机的启动控制1）直流电动机的启动控制的目的）直流电动机的启动控制的目的电动机由静止到稳定运转这一过程叫“启动”。从直流电动机的固有机械特性曲线可以看到：当转速 n=0时，电动机的电磁力矩 很大，从电磁力矩公式aTICTT可以看出，力矩大，电流就大，可能导致以下后果：烧坏换向器或电枢绕组；造成电网电压波动过大；对机械装置造成过大冲击。电枢绕组电流每极磁通量；转矩常数；aTIC因此，必须控制启动电流。返回57332）直流电动机的启动方法）直流电动机的启动方法主要有两种：
13、A）电枢串电阻启动：）电枢串电阻启动：在输入电压不变的情况下，在电枢电路中串入电阻，通常采用25级电阻。开始，让全部电阻投入工作，随转速的升高，逐级切除电阻，直到电机达到额定转速。B）降低电枢输入电压：）降低电枢输入电压：在直流电源电压可调的情况下，调低输入电压，让电机在低电流下启动，再逐渐增大输入电压，转速也随之增加，直至达到额定值。343）直流电动机的启动控制电路）直流电动机的启动控制电路A）并励直流电动机串电阻启动控制电路）并励直流电动机串电阻启动控制电路（见下页图）继电器：继电器：过流继电器KOC当穿过线圈的电流超过超过调定电流值时，继电器动作；当穿过线圈的电流低于低于调定电流值时，继
14、电器回复。欠流继电器KUC当穿过线圈的电流低于低于调定电流值的一定比例时，继电器线圈产生的吸引力不足以克服弹簧 力，继电器回复。时间继电器KT线圈通电时，瞬间断开；线圈断电时，延时一段时间后才闭合。接触器：接触器：KM1控制电枢电源；KM2控制电机启动。35要点：要点：1、合Q，励磁线圈、KUC线圈得电，KUC常开触头闭合；同时，KT线圈得电，延时继电器触头KT断开。2、点按SB2，线圈KM1得电，常开KM1触头闭合，常闭KM1触头断开。使得电机电枢线圈通电，电机在串入电阻情况下启动。3、因KT线圈失电，延时继电器触头KT延时一段时间后闭合，线圈KM2得电，使KM2触头闭合，电阻R被短接，电机
15、在全压下运转。36B）他励直流电动机串电阻启动控制电路）他励直流电动机串电阻启动控制电路（见下页图）继电器：继电器：时间继电器KT1、KT2线圈通电时，瞬间断开；线圈 断电时，延时一段时间后才闭合。接触器：接触器：KM1、KM2、KM3375、直流电动机的调速控制、直流电动机的调速控制前面已经谈到，直流电动机调速方法有三种。1）电枢电路中串电阻）电枢电路中串电阻该方法一般用于中小功率场合。若串入有级电阻，则可以实现有级调速；若串入可变电阻，则可以实现无级调速。注：注：该方法通常与启动控制电路同时考虑。382）改变电枢电路的输入电压）改变电枢电路的输入电压该方法需要可调直流电源。获得可调直流电源
16、的方法有两种：一是靠直流发电机；二是利用晶闸管将交流电转化为可调直流电：通过触发电路控制晶闸管的导通角，从而改变直流电压。（在变流技术一课中讲）。目前大都采用后者。石油钻机就是这样。393）降低主磁通调速）降低主磁通调速（a）对于并励和他励直流电动机，通常在励磁电路中串入电阻；（b）对于串励直流电动机，通常在励磁线圈旁并电阻。若要得到无级调速特性，则采用可调电阻；若要得到有级调速特性，则采用有级电阻。406、直流电动机的制动控制、直流电动机的制动控制 直流电动机的制动过程有两种情况：直流电动机的制动过程有两种情况：A）使电机由运动状态尽快尽快停止；B）使电动机由快速运动状态尽快尽快转为慢速运转
17、状态。直流电动机的制动方式主要两种有：直流电动机的制动方式主要两种有：A）能耗制动；B）反接制动。41 1）能耗制动）能耗制动 基本原理：基本原理：将正在运转电机的电枢电源切断，同时在电枢电路中接入制动电阻，构成闭合回路；而励磁电路则不变，主磁场仍然存在。此时，由于转子凭借惯性在旋转，电枢线圈在磁场中切割磁力线，产生电流，该电流方向与原来电枢电源的电流方向正好相反，从而产生与旋转方向相反的电磁力矩，阻止转子继续旋转，实现制动。42控制电路控制电路 这里以他励直流电动机单向运行能耗制动控制电路为例。电路特点：电路特点：串二级电阻启动；能耗制动串二级电阻启动；能耗制动电路中的主要控制元件介绍如下：
18、继电器：继电器：过电流继电器KOC当穿过线圈的电流超过超过调定电流值时，继电器动作；当穿过线圈的电流低于低于调定电流值时，继电器回复。欠电流继电器KUC当穿过线圈的电流低于低于调定电流值的一定比例时，继电器线圈产生的吸引力不足以克服弹簧力，继电器回复。电压继电器KV感受并联两端电压而动作，当电压过低时，回复。时间继电器KT1、KT2线圈通电时，瞬间断开；线圈断电时，延时 一段时间后才闭合。接触器：接触器：KM1控制电枢电源；KM2、KM3控制电机启动；KM4控制能耗制动。4344 2）反接制动）反接制动 反接制动分为两种：反接制动分为两种：（1）倒拉反接制动）倒拉反接制动保持电枢输入电压不变，
19、在电枢电路中串入保持电枢输入电压不变，在电枢电路中串入电阻，得到较低的转速，从而达到使电阻，得到较低的转速，从而达到使位能性负载位能性负载低速下放的目的。低速下放的目的。注：由于此时电动机的实际旋转速度低于由负载自重下拉可能达到注：由于此时电动机的实际旋转速度低于由负载自重下拉可能达到的速度，所以称的速度，所以称“倒拉反接制动倒拉反接制动”（2）电源反接制动）电源反接制动将电枢电压反接，同时在电枢电路中串入较将电枢电压反接，同时在电枢电路中串入较大的电阻，实现转子的迅速停止，直至反转。大的电阻，实现转子的迅速停止，直至反转。反接制动的控制电路反接制动的控制电路（略）（略）45二、交流电驱动主要
20、内容：主要内容：1、交流电动机的结构及工作原理 2、交流电动机的固有机械特性 3、交流电动机的变频调速特性 4、交流电动机的启动控制 5、交流电动机的调速控制 6、交流电动机的制动控制461 1、交流电动机的类型、结构及工作原理、交流电动机的类型、结构及工作原理 在大功率变频技术未出现以前，在钻机上，交流电动机主要用来驱动辅助设备。现在，数字变频钻机已经出现了，使得钻机发展到了一个新的时代，大功率交流电动机作为主动力机用于驱动三大工作机。1 1）类型）类型 A、同步交流电动机 B、异步交流电动机 饶线式、鼠笼式47 A A、同步交流电动机、同步交流电动机电动机转子转速与定子旋转磁场的旋转速度完
21、全相同，即：注：注：i、转子是直流电磁铁，转子的磁极对数必须与定子相同，工 作时，从外部向转子线圈输入直流励磁电流；ii、自身的启动力矩为0，必须采用异步启动或其他方法启动；iii、不属于感应式电动机。pfn60定子绕组的磁极对数；交流电源的频率；pf（转/分）48B B、异步交流电动机、异步交流电动机属于感应式电动机，转子转速低于旋转磁场转速（同步转速）。异步交流电动机又有两大类：饶线式饶线式转子内嵌有线圈绕组，通过滑环和电刷与外界相通，可以在外部给转子绕组串入电阻，实现各种调节。鼠笼式鼠笼式转子为铜制的或铸铝的金属短路环。注：注：i、属于感应式电动机，有滑差率是其工作的基本条件；ii、对于
22、饶线式，正常工作时，转子线圈被短接，电刷被抬起；iii、对于鼠笼式，转子是固定的短路环，不能像饶线式那样实现 各种调节。492 2）结构）结构饶线式：饶线式：5051鼠笼式：鼠笼式：52532 2、交流电动机的固有机械特性、交流电动机的固有机械特性 a a、同步交流电动机、同步交流电动机 同步交流电动机固有机械特性为 特硬特性。特点：具有较高的功率因数，效率高；启动性能很差；结构复杂、寿命相对较短，价格较高。适用于：不经常启动、转速恒定的中、大功率场合。石油钻机没有采用。54 b b、异步交流电动机、异步交流电动机 异步交流电动机固有机械特性为 硬特性。特点：过载能力较大；结构简单、寿命长、维
23、护方便、便宜。适用于：不需要调速的各种场合。交流电动机固有机械特性曲线见下图。55563 3、交流电动机的变频调速特性、交流电动机的变频调速特性 通过可控硅变频器，可以改变交流电的频率。基本原理：基本原理：在可控硅变频器的内部，经历两次电流性质的改变：首先用晶闸管整流电路将交流电转变为可调电压的直流电，再用逆变器将可调直流电转变为可调频率的交流电。（变频电驱动钻机的电力驱动原理见下图）57 通过改变交流电的频率，从而使交流电动机的机械特性发生改变。584 4、交流电动机的启动控制、交流电动机的启动控制 1）交流电动机的启动控制的目的）交流电动机的启动控制的目的 （与直流电动机相同。）2）交流电
24、动机的启动方法）交流电动机的启动方法 交流电动机分鼠笼式和饶线式两种。对于鼠笼式电机的启动：对于鼠笼式电机的启动：（1）在定子绕组电路中传电阻或电抗，从而降低线圈电压，减小启动电流；（该方法能量损耗太大，很少采用）（2）用自藕变压器降低定子绕组线圈电压，减小启动电流；（3）对于采用三角形接法的电机，采用“星三角”降压启动。59 对于饶线式电机的启动：对于饶线式电机的启动：（1）在转子绕组电路中串变阻器，从而降低启动电流，还可以提高启动力矩；所串电阻值越大，启动电流越小。（2）在转子绕组电路中串电抗器，从而降低启动电流，还可以提高启动力矩；所串电抗值越大，启动电流越小。注：注：电抗器是一个带铁心
25、的线圈，铁心不是由很薄的硅钢片叠成，而是整块的厚钢板。通电后，铁心内产生很大的铁耗。605 5、交流电动机的调速控制、交流电动机的调速控制 交流电动机的调速方法：交流电动机的调速方法：（1 1）变频调速）变频调速改变交流电的频率，实现转速的连续调节。改变交流电的频率，实现转速的连续调节。（2 2）对于饶线转子电机，在转子电路中串多级电阻，实现有级调）对于饶线转子电机，在转子电路中串多级电阻，实现有级调速。速。（3 3）变极调速）变极调速通常采用改变定子绕组的接法来改变电机的极通常采用改变定子绕组的接法来改变电机的极数。极数增多，转速越低。数。极数增多，转速越低。（此法只适用于特制的多速电动机）
26、（此法只适用于特制的多速电动机）616 6、交流电动机的制动控制、交流电动机的制动控制 交流电动机的制动与直流电动机相类似：交流电动机的制动过程有两种情况：交流电动机的制动过程有两种情况：A）使电机由运动状态尽快尽快停止（没有位能性负载）；B）使电动机由快速运动状态尽快尽快转为慢速运转状态。交流电动机的制动方式：交流电动机的制动方式：A）能耗制动能耗制动使定子绕组脱离交流电网，同时输入直流电，在电动机内产生一个恒定的磁场，当转子凭借惯性继续旋转时，转子导体在磁场中切割磁力线，从而产生感应电流；带电导体在恒定磁场中运动，从而产生与旋转方向相反的电磁力矩，使转子转速迅速下降。62 B）反接制动）反
27、接制动 反接制动分为两种：反接制动分为两种：（1）倒拉反接制动）倒拉反接制动保持定子输入电压不变，在转子绕组中串入保持定子输入电压不变，在转子绕组中串入电阻，得到较低的转速，从而达到使电阻，得到较低的转速，从而达到使位能性负载位能性负载低速下放的目的。低速下放的目的。（只适用于饶线式交流电动机）注：由于此时电动机的实际旋转速度低于由负载自重下拉可能达到注：由于此时电动机的实际旋转速度低于由负载自重下拉可能达到的速度，所以称的速度，所以称“倒拉反接制动倒拉反接制动”（2）电源两相反接制动）电源两相反接制动将定子线圈输入交流电源的两相反接，将定子线圈输入交流电源的两相反接，同时在电枢电路中串入较大
28、的电阻，实现转子的迅速停止，直至反同时在电枢电路中串入较大的电阻，实现转子的迅速停止，直至反转。转。63第三章第三章 典型钻机电力驱动与传动典型钻机电力驱动与传动一、直流电驱动钻机一、直流电驱动钻机目前最广泛使用的直流电驱动的钻机是ACSCRDC电动钻机。1 1、动力分配、动力分配 由柴油机带动交流发电机发交流电，通过电网实现动力并车，集中供电。再经可控硅整流装置将交流电变为直流电，驱动直流电动机，从而带动工作机工作。典型的动力分配图如下。64652 2、动力传递、动力传递由于采用了电力并车，省去了机械并车装置，使得传动系统大为简化。在ACSCRDC电动钻机中，驱动工作机的动力传递方式主要有两
29、大类：1）分组驱动绞车和转盘共用一组直流电机；每台泵单独用一组直流电机。2）单独驱动绞车、转盘、泵各自分别用一组直流电机。6667683 3、ACACSCRSCRDC DC 电驱动钻机的电驱动钻机的特点特点 （1）直流电动机，具有人为的柔特性，调速范围宽，可实现无级调速，绞车、钻盘只需设少量的机械档；（2）简化了传动系统，传动效率大大提高，总传动效率可提高10%以上；（3）采用电子调速，可使柴油机稳定在最佳运转工况，寿命延长（大修周期延长80%），燃油消耗降低（降低1820%）；（4）用直流电动机驱动，启动能力强；（5）一次性投资成本高于机械钻机；（6）直流电动机价格高、寿命相对较短、维护较困
30、难。69 二、变频交流电驱动钻机二、变频交流电驱动钻机 随着变频技术的成熟以及大功率变频器的广泛应用，变频交流电驱动钻机逐步得到推广应用。1 1、动力分配、动力分配 三台G12V190PZLG-3 柴油机机（810kW/1300r/min）械并车带动主发电机（1000kw/400V）发交流电，两台辅助柴油机分别带400kW和100kw的辅助发电机组发交流电。可以通过电力并网实现能量的集中使用、统一分配。通过晶闸管整流将交流电转换成可调直流电，再经逆变器将交流电转换成可变频率的交流电，驱动交流电机带动工作机工作。70ZJ40/2250DBS-J 钻机动力分配图钻机动力分配图71 2 2、动力传递、动力传递 在变频电驱动钻机的动力传动方式与直流电驱动钻机一样，驱动工作机的动力传递方式主要有两大类：1）分组驱动绞车和转盘共用一组直流电机；每台泵单独用一组直流电机。2）单独驱动绞车、转盘、泵各自分别用一组直流电机。（介绍一种混合驱动钻机的动力传递方式 ZJ40DBSJ钻机传动系统钻机传动系统）72ZJ40DBSJ钻机传动系统钻机传动系统73ZJ40/2250DBS-J（ZJ069.00）钻机）钻机 简 介 1、钻机配置及参数钻机配置及参数 2、钻机电气原理图钻机电气原理图 3、钻机传动系统图钻机传动系统图 4、钻机立面图钻机立面图 5、钻机平面布置图钻机平面布置图
