电动钻机培训课程

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1、石油钻机电力驱动 讲授：周秋沙,第一章 钻机的驱动与传动 第二章 电力驱动 第三章 典型钻机的电力驱动与传动,2,第一章 钻机的驱动与传动主要内容：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区别及特点,3,一、石油钻机的三大工作机对驱动传动的要求1、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：

2、1）要有高度的柔特性，能实现无级调速，且调速范围宽； 2）动力机短期过载能力强。,4,2、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）要有一定的柔特性，调速范围较宽； 2）要设一定的机械档（包括倒档）； 3）能够无几级微调转速。,5,3、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

3、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）动力机要有足够的过载能力；2）动力机具有一定的柔特性。,6,二、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、利用机械零件将几台柴油机的动力合并起来并车； 2、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、利用机械零件实现工作机转速、转向的调节调速及控制。 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、并车方式：带有液力传动装置（变矩器、偶合器

4、）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,7,F3203DH钻机传动图,8,ZJ45J 钻机传动图,9,三、电动钻机的驱动与传动方式电动钻机大都采用单独驱动或分组驱动的方式，要点如下：1、采用电力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、采用电子控制调速改变电动机的输入参数实现工作机转速、转向的调节。 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ACSCRDC 电驱动钻机、 ACCFAC 电驱动钻机，调速方式不同。,10,1

5、1,12,四、电动钻机在驱动与传动方式上与机械钻机 的区别及特点 1、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、调速三个方面，前面已经叙述。,13,2、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

6、，可靠性提高； （6）一次性投资成本高于机械钻机。,14,第二章 电力驱动,一、直流电驱动 二、交流电驱动,15,一、直流电驱动主要内容： 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,16,1、直流电动机的结构、类型及工作原理1) 结构定子部分：主磁极铁芯；主磁极绕组；换向极铁芯；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；,17,18,19,20,21,22,2) 类型：1）并励直流电动机

7、2）他励直流电动机3）串励直流电动机4）复励直流电动机,23,24,25,3) 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） 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：电枢绕组经过换向器导入直流电流。 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，通电导体受到的电磁力，产生相对于转轴的力矩。 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。,26,27,2、直流电动机的固有机械特性固有机械特性直流电动机在电枢

8、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，表现为一条近似的双曲线。,28,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）并励、它励直流电动机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。,29,2）串励直流电动机的固有机械特性串励直流电动机的固有机械特性为 柔特

9、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。,30,3、直流电动机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）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）降低电枢电压调速（见曲线）特点：转速只能下调；

10、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）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。,31,32,4、直流电动机的启动控制 1）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,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。,因此，必须控制启动电

11、流。,返回57,33,2）直流电动机的启动方法 主要有两种： A）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： 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。,34,3）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（见下页图） 继电器： 过流继电器KOC当穿过线圈的电流超过调定电流值时，继电器动作；当穿过线圈的电流低于调定电流值时，继电器回复。 欠流继电器KUC当穿过线

12、圈的电流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： KM1控制电枢电源； KM2控制电机启动。,35,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，电机在全压下运转。,36,B）他励直流电

13、动机串电阻启动控制电路（见下页图）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：KM1、KM2、KM3,37,5、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：该方法通常与启动控制电路同时考虑。,38,2）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

14、课中讲）。 目前大都采用后者。石油钻机就是这样。,39,3）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。,40,6、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：A）使电机由运动状态尽快停止；B）使电动机由快速运动状态尽快转为慢速运转状态。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

15、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 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：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： 继电器： 过电流继电器KOC当穿过线圈的电流超过调定电流值时，继电器动作；当穿过线圈的电流低于调定电流值时，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

16、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：KM1控制电枢电源； KM2、 KM3控制电机启动；KM4控制能耗制动。,43,44,2）反接制动反接制动分为两种：（1）倒拉反接制动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，从而达到使位能性负载低速下放的目的。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的速度，所以称 “倒拉反接制动”（2）电源反接制动将电枢电压反接，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。反接制动的控制电路（略）,45,二、交流电驱动,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,46,1、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）类型A、同步交流电动机B、异步交流电动机饶线式、鼠笼式,