石油钻采设备及工艺-振林 §5-4 电驱动原理与设备.(PPT文档)

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
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： a<10，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。
§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 四、AC-SCR-DC可控硅直流电驱动
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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。
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：
n

U Ce

Re Rac CeCm 2
M
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。
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下降； 负载转距M>Me时，转速下降较多； 负载转距M>Mmax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。
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。
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
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
n

U Ce

Re Rf CeCm2
M
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
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：
n

U Ce

Re CeCm 2
M

n0
bM
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
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。
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：
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；
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。