石油钻采设备及工艺-李振林-§5-4-电驱动原理与设备.

§5-4电驱动原理及设备一、电动机的机械特性二、直流电动机机械特性与人为特性三、交流电动机固有机械特性与人为特性返回四、AC-SCR-DC可控硅直流电驱动石油钻机电驱动技术，经历了AC-AC、DC-DC和AC-SCR-DC等阶段，现已进入AC变频驱动新时期。当前，SCR驱动已发展到第四代；而国产SCR电驱动的技术水平，尚只相当于国际上的第三代产品，关键的设备和电控系统尚不能完全实现国产化。SCR直流电驱动，是直流电动机去驱动工作机；AC变频电驱动，是交流电动机去驱动工作机。交流变频（AC变频）驱动技术于80年代中期首先被引入顶驱钻井系统。1997年以来，英国在北海油田钻井平台上已采用交流变频电驱动钻机代替SCR直流电驱动钻机。预期，本世纪，交流变频驱动技术在石油装备领域，尤其是在石油钻机、顶驱钻井系统方面的研究开发与应用，将进入一个蓬勃发展的时期。一、电动机的机械特性1.机械特性与特性硬度电动机的转速n和电磁转矩M之关系n=f（M），称为电动机的特性。电动机转速随转矩改变而变化的程度成为机械特性硬度，用硬度系数a表示特性曲线上任一点的硬度系数a为该点转矩变化百分数与转速变化百分数之比，可分为3种类型：①特硬特性：a＝∞，即转速n不随转矩M变化；②硬特性：a＝40～10，即转速n随转矩增加而下降，但改变程度不很大；③软特性：a10，即转速n随转矩增加快速下降。2.固有特性和人为特性固有特性是指电动机端电压、频率（指交流电流）、励磁电流都为额定值，且电极电力回路中无附加电阻时所具有的特性。通过改变上述条件进行调节得到的机械特性称为人为特性或调节特性。二、直流电动机机械特性与人为特性1.直流电动机固有机械特性直流电动机固有机械特性与励磁方式有关：①并励（它励）电动机②串励电动机2.直流电动机的人为特性（调速方法）现代电驱动钻机广泛采用它励直流电动机驱动工作机。通过调节电动机转速，获得人为特性，以适应绞车、转盘的调速要求由公式n=f（M）可知，改变Re、U及中任一个量即可改变转速n，即它励直流电动机有三种调速方法：①电枢串电阻调速②降低电枢电压调速③减弱磁通调速3.直流电动机降压、弱磁综合调速原理采用直流发电机－电动机组或可控硅整流电源供电的直流电动机可联合应用降压法与弱磁法，以扩大调速范围。三、交流电动机固有机械特性与人为特性1.交流电动机固有机械特性同步电动机具有特硬特性，如曲线1所示异步电动机具有硬特性，如曲线2所示。负载转距M≦Me时，转速略有下降；负载转距MMe时，转速下降较多；负载转距MMmax时，电机停转。由于交流电动机固有机械特性是硬特性，不能满足钻机工作机对调速的要求。2.交流电动机变频调速的机械特性应用AC变频技术，通过变频器向交流电动机提供频率可调的交流电源，改变电源频率f，可得到图示的人为特性，变频调速机械特性，精确控制调节交流电动机的转速，满足钻井装备工作机对调速性能的要求。四、AC-SCR-DC可控硅直流电驱动1.SCR电驱动：如图，数台柴油机交流发电机组所发交流电并网输出到同一汇流母线上（或由工业电网供电），经可控硅装置整流后驱动直流电动机，带动绞车、转盘、钻井泵，此种电驱动型式称为AC-SCR-DC或简称SCR电驱动。2.SCR电驱动优点与机械驱动（MD）相比较，SCR驱动具有如下优越性：直流电动机具有人为软特性。调速范围宽，R一般为2.5~5。超载能力强，超载系数K一般为1.6~2.5。因具有无级调速的钻进特性，可提高钻井效率。极大地简化了机械传动系统，提高了传动效率。柴油机交流发电机组中的柴油机始终处于最佳运转工况（额定转速、载荷自动均衡分配），比MD可节省燃料18％～20％；大修周期延长80％，柴油机使用寿命延长。并联驱动，动力可互济，动力分配更灵活合理。SCR驱动便于钻机的平面和立体布置，且维护费用仅为MD驱动的30％；自动化程度高，使用安全可靠。②降低电枢电压调速保持励磁电流为额定值即磁通不变，降低输入电枢的电源电压U，则理想空载转速n将随U的下降而降低，但b值不变，可得到一组与固有特性曲线平行的机械特性曲线。此法自额定转速往下调速，调速范围可达8:1。均匀降低电枢电压U，可实现平滑无级调节。磁通不变，工作电流不超过额定值，允许输出转矩仍为额定值，属恒转矩调速，图示虚线4。减弱磁通调速保持电枢电压为恒定值，调节串入励磁电路中的可调电阻Rfr，使励磁电流Ⅰf减小，则磁通减弱。n值升高、b值增大，机械特性曲线上移，图示曲线3逐渐变软。磁通愈小，特性曲线升得愈高，特性愈软。弱磁调速时，要求电流不超过额定值，否则电机会过热。弱磁法属恒功率调速（图中曲线5）：当减弱磁通使转速升高时，电机允许输出转矩将相应减少，即负载转矩必须减少，以保持电机输出功率基本不变。MCCRRCUnmefee2①电枢串电阻调速：在电枢电路中串入可调电阻Rac，保持电源电压U和励磁电流（磁通）不变，n=f（M）可改写为：MCCRRCUnmeacee2理想空载转速n0不发生变化，逐渐增大Rac，可得到一组逐渐变软的特性曲线，即在同一负载转矩M下，Rac增大，转速n下降。此法只能向降速方向调节，调速范围一般为1.5:1。这种调速方法简单，但调节电阻Rac要常时间通过电枢电流，消耗大量电能，不经济，可用于中小容量的电机，对钻机驱动电机不适用。①并励（它励）电动机：具有硬特性，从空载到额定负载转速约下降5％～10％n=f（M）表达式为：并励（它励）电动机中，磁通基本不变，Ce、Cm是与电机结构有关的系数。因此理想空载转速n0及系数b均为常数。bMnMCCRCUnmeee02①串励电动机：具有软特性，n=f（M）表达式与并励电动机基本相同：但是，串励电机的磁通是变化的，具有图示的软机械特性。此外，串励电机电磁力矩与电流平方成正比，启动转矩大。因此，串励电机适于驱动带重载启动的机械设备，如起重机、机车、绞车等。注意：串励电机轻载时电枢电流很小，致使磁通也很小，故转速n过高，有“飞车”危险。为安全计，不应采用链条或胶带传动；负荷不应低于额定值的25％～30％。MCCRRCUnmefee2eI