电动钻机

• DC－DC电驱动系统 • 柴油机与直流发电机机组 发出直流电驱动直流电动 机，直流电动机驱动钻机 进行钻井。调节发电机的 励磁电流可改变该系统中 发电机的输出电压，因而 直流电动机的转速可从最 小无级平滑地调节到最大。 该系统采用单独驱动的方 法。
DC－DC电动钻机动力分配图
• SCR电驱动系统 • 柴油机与交流发电机机组发出交流电，经可控硅整流 器后输出的直流电驱动直流电动机，直流电动机驱动 钻机进行钻井。这种电驱动系统称为SCR（或AC/SCR 或AC－SCR－DC）电驱动系统。在该系统中，几台柴 油机分别带一台交流发电机并联运行。电子调速器将 几台柴油机的转速均调节到额定转速，使每台发电机 都发出600 V三相交流电。交流电集中供电到母排或电 缆，经可控硅整流后输出 0～750 V的直流电，供直流 电动机用电。这可使直流电动机的转速从最小无级平 滑地调节到最大。也可改用工业电网供电。这是目前 应用最广泛的电驱动系统。
直流电动机
1.定子部分： • 定子部分主要包括机 座、主磁极、换向极 和电刷装置等。 • 2.转子部分： • 直流电动机转子部分 包括电枢铁心、电枢 绕组、换向器、风扇、 转轴和轴承等。 •
直流电动机励磁方式
• 直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。 直流电动机的运行性能因励磁方式的不同会有 很大不同。直流电动机的励磁方式主要分成他 励、并励、串励和复励四种
直流传动系统
• 系统综述 • 直流传动系统的功能就是控制SCR元件， 将恒压、恒频交流电源整流成连续可调 的直流电源。整流装置为三相全控整流 桥，整流桥通过断路器与交流电网隔离。 整流桥的输出经指配接触器对直流电动 机供电，实现对钻机绞车、泥浆泵、转 盘或顶驱的速度及转矩控制，实现无级 调速，满足传动要求。
• 电驱动柜(SCR柜) • 每套直流传动系统包括晶闸管整流 桥、接触器控制电路、直流控制组 件(或称驱动器)、皮带轮防滑保护 和冷却风机等装置。上述装置均安 装在一个驱动柜(SCR柜)中，柜子 装在电控房内。根据钻机需要可以 在配备三柜、四柜或五柜。在结构 上着重考虑到了操作简便、可靠性 高、性能优越和维修简便。
直流电动机工作原理
直流电动机机械特性
直流电动机
• 直流电动机--结构较复杂， 制造成本较高，存在换 向问题使其单机容量、 最高转速和使用环境受 到限制，维护不便。 • 直流电动机在换向时的 电刷机构容易产生火花， 必须配备防爆装置。
交流电动机
• 在电动钻机中，越来越多的采用交流变 频技术。通过交流变频，可以部分的弥 补由于交流电机硬特性带来的不足，平 滑的实现机械能与电能的相互转换。
直流传动系统
• 目前，世界各国在发展可控硅整流系统 电动钻机系统时，普遍采用50Hz，600V 或60Hz，660V电制，我国采用50Hz， 600V电制。 • 在电动钻机系统中，可以由工业电网供 电，也可以由柴油机带动交流发电机组 称电站供电。由电网供电必须经过变压 器，使电压输出为600V。
交流电动机组成
• 1．定子部分 • 三相异步电动机的定子部分是电动机固 定不动的部分。由机座（外壳）、定子 铁心、定子绕组和端盖等组成。 • 2．转子部分 • 转子是电动机的转动部分，它由转子铁 心、转子绕组、转轴和风扇等组成。
n1 n s n1
T CT I 2 cos 2
• 启动转矩 • 额定转矩 • 最大转矩
电动钻机的优势
• 6、环境保护比较好。在电动钻机上，可 方便配置噪声控制装置，使其噪声低于 标准规定的85 分贝，钻台上的钻工可清 楚地听到指令和警号。电动钻机可在市 区内打井，可以不用柴油发电机组而直 接从工业电网上取动力。
• 电驱动钻机 • 电动钻机已在石油钻井工程上广泛的使用，成为当代 转盘钻机和顶部驱动钻井系统中能够提供动力的新途 径。它和机械钻机不同点主要在于传动机构不同。机 械钻机用的是机械传动机构（比如皮带、链条、齿轮 并车传动）；电动钻机用的是发电机发电，通过电缆 输入到电动机内进行驱动三大工作机组，因而大大简 化了传动机构，提高了系统能量传递效率。 • 现在的电动钻机主要分为四种：AC－AC电驱动系统； DC－DC电驱动系统；SCR电驱动系统；交流变频驱动。
交流变频传动系统
• 通过转变后的电 通过电缆传送到 电动机。 • 电动机又分为直 流电动机和交流 电动机两种。
直流电动机
• 直流电动机把直流电能转变为 机械能，其突出优点是调速范围宽，易于平滑 调速，起动、制动和过载转矩较大，并且易于 控制。这在钻井中特别重要。在钻井中要控制 稳定的转速、钻压以快速钻进，并且按要求控 制钻井液排量，就要求绞车、泥浆泵运行平稳。 直流电机能够很好的实现这一点。
电动钻机的优势
• 5、维护管理方便。电动钻机的柴油机是在最优的 工况下运转，且带有过载保护，结果使柴油机的大 修期得以延长。电动钻机上易损件少，它以电缆代 替链条、皮带等传动副，振动冲击小，能防止过载， 这也降低了各工作机的维修量。电机及其电气控制 设备只需保持干燥清净即可。控制室和电机都有冷 却设备，保证机器温升不超过50℃。电机的密封 轴承只要每三年加一次润滑脂即可。对比之下机械 钻机有大量易损件，要经常调整换新（如轴承、摩 擦片、链条、皮带等），要经常加润滑脂和更换密 封件，其维护工作量比电动钻机要大得多。总起来 看，电动钻机的维护费只相当于机械钻机的30％。
柴油发电机控制系统
• 柴油发电机控制系统 的功能是控制柴油发 电机组，使其输出 600V、50Hz交流电 压，每套控制系统包 括断路器、同步装置、 交流控制组件、功率 限制电路和接地故障 检测电路等。
• GEN柜
柴油发电机控制系统中的 主要设备全部安装在GEN柜 中，柜子的主要特点是操作 简便，可靠性高，性能优越 和维修容易。 一个GEN柜控制一台机组， 柜子上端装有断路器，手动 储能电气合闸。显示仪表有 电流表，千瓦表，千乏表。 装有发电机运行指示灯、发 电机上线指示灯、推合按钮 灯、运行小时表。装有柴油 机控制按钮、还装有手动速 度调节旋钮和电压调节旋钮。
电动钻机
• 电动钻机又称电驱动钻机 ， 就是由电作为动力 ，用电 动机驱动来提升下放钻具 ， 提供钻井液循环所需要的 动力，驱动钻具旋转 ，以 及为其它钻井设备提供动 力的一套钻井设备。 • 与机械钻机相比 ，电动钻 机的动力系统和控制系统 产生了较大变化 ，并且有 了较大的优势。
电动钻机
• 一、电动钻机的优势 • 二、电气传动系统（整流与逆变）
电机控制
PLC的概念
• 20世纪60年代末第一台可编程控制器研制成功并获得 应用，当时它主要用于顺序控制，进行逻辑运算，故 称为“可编程逻辑控制器”，简称 PLC （Programmable Logic Controller）。进入80年代， 由于计算机技术与微电子技术的飞速发展，极大地推 动了PLC的发展，使其功能日益增强，已远远超出当初 逻辑控制和顺序控制的范围，故称为“可编程控制 器”，简称 PC（Programmable Controller）。但因 PC容易与“个人计算机”（Personal Computer）混淆， 所以人们仍习惯用PLC作为可编程控制器的缩写。
图2-22
SCR电驱动钻机动力分配图
• 交流变频驱动钻机 • 交流变频调速电驱动石油钻机(AC—GTO—AC石油钻 机)是国外新发展起来的一种先进的电动石油钻机。这 种钻机在满足石油钻井工艺要求方面具有现用机械驱 动钻机和直流电驱动钻机无可比拟的优越性能。这种 钻机的核心技术就是采用了交流变频调速技术。交流 变频调速技术是一种涉及电动机理论、自动控制理论、 电路拓朴理论、电力电子技术、微电子及计算机技术 的综合性交叉技术。专家认为交流变频电驱动钻机是 现代高新技术与石油钻井机械的有机结合，具有强大 的生命力，是当代石油钻机的发展趋势。
PLC的基本结构
PLC由输入接口、输出接口、存储器及CPU构成。通过 相当于个人计算机键盘的编程板，可对PLC内部的存储 器编程序，并使其按程序进行控制。
PLC工作原理图
•直流控制组件是控制直流电动机转速和转矩的核心 部件。既可以控制串励电动机，也可以控制并励电动 机。它能输出强触发脉冲，确保SCR快速导通，能使 同轴驱动同一负荷的两台电动机负荷均衡分配。每个 钻井功能都有独立的电流限制，转盘电流限制可平滑 调节。电流给定具有渐增特性，可使电动机转矩平稳 增加。所有钻井功能的速度调节器均与指配接触器相 联锁，转盘过电流的封门阈值设置为最大电流限制值 的150%。设有零位联锁保护装置，以防指配时电动 机突然高速转动。可手动调节组件的电位器，以试验 SCR桥的输出电压。
• 三、电动钻机的控制
电动钻机的优势
• 1 、传动效率高。常用机械钻机的总传动效率 约为73%，而直流电动钻机的总传动效率约为 86% ，交流变频电动钻机的总传动效率约为 90%。 • 2、可操作性好。无论直流电机还是变频电机 都可以实现无级调速，因此在启动以及调整转 速时产生的冲击比较小，这样对于泥浆泵、绞 车、转盘等设备的使用有很好的保护作用。这 也称为电动钻机的软特性。
交流变频
• 在电动钻机中，越来越多的采用交流变 频技术。通过交流变频，可以部分的弥 补由于交流电机硬特性带来的不足，平 滑的实现机械能与电能的相互转换。
交流变频传动系统
• 该系统将恒压恒频交流电整流成的直流 电，再逆变成频率和电压可调的交流电， 对交流电动机供电，实现对钻机绞车、 转盘、泥浆泵和送钻电动机的速度控制 和转矩控制，实现无级调速，满足传动 要求。
直流传动系统
• SCR可控硅整流 • 众所周知，PN结具有单向导电的特性，即正向 导电，反向阻电。在晶闸管中，常构成两个回 路：一个是由阳极、阴极、阳极电源及负载构 成的阳极主回路，另一个是由门极，阴极及控 制晶闸管导通的门极控制回路。 • 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门 极电压时晶闸管才能导通，二者缺一不可。
直流传动系统
• SCR可控硅整流 • 可控硅是晶闸管的俗称， 晶闸管是大功率半导体器 件，从总体结构来看，分 为管芯及散热器两大部分。 管芯是晶闸管的本体部分， 由半导体材料构成，具有 三个与外电路相连的电极： 阳极A，阴极K和门极 （控制极）G。
直流传动系统
• SCR可控硅整流 • 晶闸管的内部结构是一个四 层的三端的功率半导体器件。 它是在N型的硅基片的两端 扩散P型的半导体杂质层， 形成了两个PN结。再在层内 扩散N型半导体杂质层形成 又一个PN结。这个四层半导 体有三个PN结的存在，决定 了其可控导通的特性。
电动钻机的优势
• 3、燃料消耗少。对钻深6 000 米，钻井周期 120天，每年钻3口井，统计机械钻机和直流电 动钻机燃料消耗结果表明，直流电动钻机比机 械钻机可节约15％～20％的燃料。 • 4、井眼质量比较好。机械钻机在启动时，由 于产生一个冲击，存在一个很大的加速度，造 成下部钻具产生一个离心力，造成井眼不规则。 而电动钻机的无级调速可以保证井眼质量，这 样对于井壁稳定、固井质量都有很大的好处。
• AC－AC电驱动系统 • 柴油机与交流发电机机组 发出交流电驱动交流电动 机，交流电动机驱动钻机 进行钻井。该系统可改为 用工业电网供电。交流电 动机的转速一般是不可调 节的，因而采用这种驱动 系统的钻机不能进行调速， 1964年胜利油田研制的电 动钻机就是这种传动方式。
AC－AC电驱动钻机动力分配图
SCR伏安特性曲线
直流传动系统
• SCR可控硅整流 • 整流是把大小和方向都 随时间变化的交流电变 为单方向流动的直流电 的变流过程。如果采用 晶闸管作为整流元件， 可以通过控制门极触发 脉冲施加的时间来控制 输出整流电压的大小， 即为电动钻机所采用的 可控整流。
• SCR可控硅整流 • SCR柜输出可调电压 0-750VDC，输出电 流可达2000ADC。 每个SCR柜都能驱动 泥浆泵、转盘和绞车。 所驱动的电动机可为 串励，也可以并励。 用串励电动机驱动泥 浆泵时配有皮带轮滑 动保护装置。