直流钻机

直流钻机（精选6篇）

直流钻机 篇1

直流钻机为石油钻探装备行业里直流电驱动钻机的简称,是指钻机的绞车、转盘、泥浆泵等机械由直流电机及其变速装置组成的控制系统(SCR)来拖动。对5 000 m以上的深井钻机,为保护绞车传动设备和工艺操作的安全,一般要求电控系统配置能耗制动功能。本文以ZJ70D钻机为例,对其工作过程、控制、配置要点等方面进行研究,以供同行参考。

1 能耗制动

在油、气钻探工程的起下钻过程中,当以高于猫头速度转动的绞车滚筒从传动轴脱开时,虽然拖动电机的SCR(不可逆、禁止能量回馈)调速装置同时停止了功率输出,但由于电机、传动箱、链条、传动轴等机械因惯性将继续高速旋转,随后只在摩擦损耗的作用下逐渐降低直到不动为止。这个过程的时间随钻机的等级及供应商的不同而不同,最短的也在10 s以上。如果在脱开后不久速度较高时因工艺要求又须再次挂合滚筒的传动轴时,将产生很大的机械冲击,严重时有可能损坏设备或引起安全事故。为了避免这种情况的发生,要求SCR系统在此工况下控制电机,实现在最短的时间内将转动速度降低到安全操作允许的范围以内,这段降速的工作过程就是直流钻机的能耗制动。由此可见与变频钻机的能耗制动[1]名称虽同,但其目的和工作过程区别很大。

2 控制流程

由上所述,拖动电机工作于电动和制动两种状态,因此需要相应的控制系统在两者之间快速、安全、可靠的自动切换。由于钻机的行业习惯和特点,拖动直流电机绝大多数选用了串励。由其工作原理可知,相对于他励,串励的控制和切换比较复杂,状态转换时不但要同时切换励磁和电枢的供电回路,还需要两种状态回路的动作有序、协调。最基本的控制流程为:1)检测速度给定值;2)检测速度实际值;3)延时;4)延时结束时,如果实际大于给定的速度,封锁电动回路触发脉冲,断开电动回路连接(电枢、励磁);5)接通制动用励磁回路,延时;6)检测励磁电流上升到设定值;7)接通电枢到制动回路;8)电机制动,速度下降;9)比较实际与设定的速度值,在相等的允许范围内,延时后发出制动结束指令;10)断开电枢制动回路;11)断开制动用励磁回路;12)接通电动回路(励磁、电枢);13)按照设定速度控制触发脉冲使回路输出相应直流电源;14)电机运转在设定速度上。

3 制动回路

制动回路的切换连接方式多种多样,图1所示为一种常用的连接方式,其特点是励磁可靠、切换迅速、无需控制。

图1中,K1~K6为电枢的正反转及制动回路切换接触器;R为制动电阻;MA,MB为串励机的电枢和励磁线圈,V1为隔离二极管;U1为整流桥;T1为隔离变压器。

4 主要单元

4.1 控制

由于控制单元是按照上述流程结合电动状态统一配置的,只要处理好制动状态时励磁电流和电枢电压的检测即可,本文从略。

4.2 励磁

如图1所示,励磁单元包括V1,U1,MB,T1及其供电电源等。电动状态时,U1所供电源被V1隔离;制动状态时,V1导通,U1所供电源自动投入。

4.3 电枢

电枢单元包括K1~K6,MA,R等,如图1所示。电动状态时,K1~K4协调闭合,K5,K6断开;制动状态时,K1~K4断开,K5,K6闭合。

5 配置要点

下面以ZJ70D钻机的绞车为例,结合图1,说明励磁和电枢单元配置的要点。

5.1 电机参数

串励双电机拖动,电机的额定数据为:Pe=800 k W,Ue=750 V,Ie=1 150 A,ne=970 r/min,Te=7 879 N⋅m,ηd=0.927,电枢绕组R1=0.013 53Ω,励磁绕组R2=0.005 35Ω,转子转动惯量GDD2=39.3 kg·m2。由此可知转速常数Ce=0.773 2,转矩常数CT=6.986 1。

5.2 拖动参数

根据某型ZJ70D钻机的用户手册,查出电机到滚筒轴传动总效率ηz=0.932,根据文献[2]及相关数据的计算,可得折算到电机轴的等效转动惯量GDZ2=2 797 kg⋅m2;拖动等效轴最高转速nmax=970 r/min,最低(锚头)转速nmin=97r/min。

5.3 自由停车

由于总的传动效率为ηd=0.932,则摩擦转矩为Tf=(1-ηd)Te=535.8 N⋅m,根据文献[3]可以计算出自由停车的时间为

5.4 励磁配置

当制动时以额定电流励磁,则需要的T1副边电流为I2=0.816Ie=938.4 A,励磁绕组上的压降为UZ=IeR2=6.2 V,则需要T1副边的最低电压为U2=1.4+6.2/1.35≈6 V,因此励磁变压器的容量为,为了保证与电动状态协调,励磁电源一般取自主电路(600 V),则T1的变比为k=6/600=0.01。V1,U1及连接电缆等根据相关数据按照常规方法即可配置。

5.5 电枢配置

当额定励磁从电机最高速制动时,电枢感应的反电势为E=750 V,为了快速停车,允许电枢以1.2倍的额定电流制动时,则需要的最小制动电阻为R=E/1.2Ie=0.54Ω,当电机从额定降到锚头速度时,回馈的能量为

需要电阻消耗的能量为

电机在锚头速度时电枢电流最大为

则制动到此速度的最短时间为

最长时间为

平均时间为

则制动电阻的最大平均功率为

折算到1个工作周期内时则为

根据以上数据,按照常规方法即可配置K5,K6和R等。

6 结论

直流钻机为了功能完备,需要配置能耗制动系统,但其工作过程和实现功能与变频钻机的相比区别很大。控制单元在配置时需要与电动状态统一考虑,协调控制;励磁和电枢单元的配置,可以根据机械要求、操作习惯以及成本等因素综合考虑,没有固定格式。

本文所述的配法为理论极值情况。通过对大量直流钻机工作过程的观察,能耗制动主要发生在起钻到2层台后脱开滚筒期间,在实际操作中,有经验的司钻通过适当的操作可以做到在脱开滚筒后使电机的速度基本上能够降到锚头速度,因此制动过程也就不会发生。考虑到降低装置成本提高市场竞争力以及使用户维保简单的实际,通过适当规定司钻操作程序,实现同样效果而不必配置能耗制动系统是一个很好的选择。

参考文献

[1]朱奇先,张贵华,张振中,等.变频钻机能耗制动系统研究[J].电气传动,2015,45(5):75-77.

[2]陈如恒,沈家骏.钻井机械的设计计算[M].北京:石油工业出版社,1995.

[3]顾绳谷.电机及拖动基础(上册)[M].北京:中国农业出版社,1980.

直流钻机 篇2

1 井场照明36V的优点

原有井场照明用的工作电压为220V、150W的防爆泛光灯;改造所用照明灯具为防爆型免维护LED灯, 其工作电压为直流36V, 功率为100W。LED使用低压电源, 供电电压在20V~40V之间。所以, 它是一个比使用高电压电源更安全的电源, 可提高钻井作业区的安全防护等级, 消除安全隐患, 避免发生安全事故。

节能降耗, 倡导绿色照明原则。使用泛光灯或节能灯在使用很短的时间内就会很热, 人的手基本上不能接触, 这样的热量就是能量的损耗。LED灯使用时基本不发热, 所以说能耗非常小, 而且LED灯效高达85%以上, 功率因数达到0.95以上。

高效二次配光技术, 同等功率下使地面照度提高了30%以上, 显色性好, 能更真实的还原物体颜色, 提高分辨率。

LED具有良好的抗震性能, 满足于钻井防爆、防水、防腐性条件因素, 适合于野外恶劣的工作环境。

2 改造的必要性[1]

以40L钻机为例, 在机房, 循环系统, 井架三部分, 共安装36套海洋王BFC8120型、防爆强光泛光灯, 灯具为分体式设计;功率为150W, 总功率为5.4k W, 电压等级为220V;照明灯具能够满足夜间工作人员视线对照度的要求, 目前照明系统存在的问题。

(1) 灯具故障检修, 220V电压, 对人体存在严重安全隐患。

(2) 因为天气原因引起线路的老化, 形成橡胶绝缘层破损、短路等电路故障, 影响工人的人身安全。

(3) 橡套照明线路在穿管后, 位置相对固定, 但是经过多次, 经常性的拆卸、搬迁, 容易引起橡套线磨损, 导致断路故障的发生, 不利于井队的安全生产。

(4) 钻井队目前无36V以下安全电压移动照明灯具, 在设备检修、维护、安装、清罐、抢险时, 容易发生触电人身伤害事故。

3 改造技术方案

3.1 电源控制系统的选择与设计

36V直流电源控制系统, 是安全电压照明系统的核心, 主要功能是给钻台、井架, 钻井液循环系统和机泵区域, 共36盏防爆灯具提供照明电源。

36V直流电控系统, 通过一台额定容量不小于15k VA控制, 380V/36V的变压器, 经晶闸管整流桥将220V交流电压整流成20V~40V可调直流电压, 输送至防爆照明回路;同时提供一组免维护蓄电池组用于应急照明。

3.2 防爆灯具的选择

需选择工作电压为直流36V, 质量可靠, 发光效率高, 经久耐用, 节能低耗, 符合钻井防爆要求的灯具。

MF-100隔爆型LED防爆灯 (见图1) , 其工作电压为直流36V (DC) , 功率为100W, 能够满足钻井防爆要求, 具有低电耗、工作寿命长、无辐射、光效高、安全性好、能源利用率高、良好的抗震性能、免维护、安装简便可靠、其发光效率可达80%~90%等有优点。

4 与原照明系统的对接

(1) 在井场MCC房, 防爆输出插接柜重新打孔, 安装五路36V/60A输出防爆插接件, 保留原照明系统输出;并在房内加装一台36V直流电源控制系统柜。

(2) 保留原钻井液循环系统和机泵区域活动式照明灯杆, 加工一个LED防爆灯固定基座与其配套, 安装方式和连接方法与海洋王防爆泛光灯完全相同。

(3) 改造后照明系统电源为3 6V, 一个100W的LED防爆灯负荷电流2.78A, 一个回路安装10盏LED防爆灯, 负荷电流接近30A。为解决照明橡套电缆压降问题, 改造后照明系统线路采用树状分支结构, 从YCW 3×6m m2到YC 2×2.5 mm2, 采用不同规格的橡套软线逐级分解;按照分支负荷大小更换防爆插接件。

5 改造后的性能分析

(1) LED光源几乎无热量产生, 灯具工作温度基本和环境温度相当, 可长时间连续工作。

(2) MF-100型LED防爆灯照度达到原照明水平, 照度65-100LUX, 可满足钻井夜间生产需求。

(3) 电器保护功能齐全, 36V直流电源控制系统稳定, 无需专人看护。

(4) 钻井液循环系统安装10盏100W的LED防爆灯, 从配电房输出电路, 近距离灯和远距离灯的电压压差为36.2V-34.5V=1.7V, 压降小于5%。

按费用综合计算, 使用LED灯做为光源可节约成本4.87万元。如果改造2000部钻机, 一年可节约成本9740万元。

6 结语

(1) 防爆型免维护LE D灯, 工作电压为直流36V, 供电电压在20~40V之间, 是一个比使用220V电压电源更安全的电源, 可提高钻井作业区的安全防护等级, 消除安全隐患, 避免人身事故的发生。

(2) 直流36V安全电压照明供电系统, 取代220V交流电压照明供电模式, 操作安全系数提高, 我国现有钻机2000多部, 有很好的推广应用前景。

(3) LED发出的光束是向前的并具有一定发散角, 不必像白炽灯需要加装反光碗。而且LED本身发出的是色光, 不需要由有色配光镜来滤光, 从而解决了假显示和配光镜颜色漂移问题, 提高光利用率, 功耗小、节能降耗的优点。

(4) LED节能防爆灯作为新一代节能照明产品, 受到越来越多的关注, 由于其更高的发光效率, 必将代替现有的荧光节能产品而成为节能照明的主力军。

摘要：该技术是将钻机的井场照明系统由原有工作电压为220V、150W的防爆泛光灯改造为其工作电压为直流36V, 功率为100W, 防爆型免维护LED灯, 供电电压在20V～40V之间。经济效益和安全效益显著。

关键词：钻机,直流36V,改造

参考文献

直流钻机 篇3

2 0 0米自升式钻井船较常规海洋石油平台,电网容量有限,且电力负荷中存在大量的直流设备。它们的经济运行直接影响到整个电力系统的电能质量,并关系到系统的节能降耗。本文以直流钻机的应用为例,分析说明直流电动机在不同工况下的运行特点,选取最佳运行方式。为今后直流电机在有限容量电网中的经济运行提供技术参考。

直流电动钻机系统一般包括:泥浆泵、转盘、绞车和控制台等。钻机系统的突出特点是对电机的调速性能要求较高。直流电机结构复杂(有换向器)、成本高、需要较多的维护和保养,应用不如交流电机广泛。但是,直流电机具有良好的起动性能和调速性能,仍然广泛地应用于对起动和调速要求高的生产机械中,特别是在陆地及海上钻井平台系统中。

二、自升式钻井船直流钻机系统的应用

下面以海洋石油工程股份有限公司为中海油服承建的4艘L780船型200米自升式钻井船为例,介绍一下钻井船直流钻机系统:

1、传动系统

整个可控硅整流系统有5个可控硅柜、1个电磁刹车柜。采用A C-S C R-D C的电传动方式。绞车为三拖一、转盘为二拖一、泥浆泵为一拖一。但通过切换柜逻辑互锁关系控制通路来保证每组可控硅只对应控制一套设备。通过对可控硅元件的控制,将恒压,恒频交流电源整流成连续可调的直流电源,从而实现无级调速,满足传动要求。为了保护整个系统,在进线的母排上安装了电流互感器,并将检测到的数据传输到6 R A 7 0直流调速器上,这样确保了传动柜的结构紧凑,保护措施严密,安全性能高,工作效率高。具体请见图1。

2、控制柜

电磁刹车柜:

电磁刹车柜配备S i e m e n s/6 R A 7 0系列直流调速器一台,为电磁刹车装置提供调节的直流电源。电磁刹车在下钻、打钻时使用,原理是通过克服悬重力,使大钩以一定速度向下运动,达到下钻和打钻的目的。

切换柜:

柜内安装了16个直流接触器,可利用柜内设定的逻辑关系实现可控硅对直流电机的一对一控制。此外,还可用直流接触器改变直流电机电枢的电流方向,实现转盘及绞车的正反转功能。

3、高压泥浆泵

两台泥浆泵采用两套西门子S C R直流调速器驱动,其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节和设定。在泥浆泵房装有泥浆泵现场控制台,可以实现本地操作(启动、停止、调速、测试等)。

泥浆泵采用全数字直流调速控制系统,在转速较低时可以持续运转,且能提供连续转矩,启动转矩高。在恒功率时有较大的调速范围,体积小、可靠性高。利用此系统驱动泥浆泵可方便的调节泥浆泵的排量,减少泥浆泵缸套的更换次数。

4、绞车控制

采用西门子S C R直流调速器驱动,其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节和设定。

绞车采用全数字直流调速控制系统,在转速较低时可以持续运转,且能提供连续转矩,启动转矩高。在恒功率时有较大的调速范围,体积小、可靠性高。利用此系统驱动绞车可方便的调节绞车的速度或转矩。

5、转盘控制

采用两套西门子S C R直流调速器驱动,其速度控制可通过现场总线在司钻控制台上由司钻进行速度调节和设定。

全数字直流调速控制系统,在转速较低时可以持续运转,且能提供连续转矩,启动转矩高、扭矩限制等。在恒功率时有较大的调速范围,体积小、可靠性高。

三、探讨直流钻机的经济运行

首先,使柴油机尽可能运行在或者接近持续功率点,降低耗油率。

其次,尽量提高电网功率因数,降低电流,充分利用发电机组的容量,尽量减少发电机组使用台数,降低油耗,减少机械磨损。

再次,减少直流电机、发电机发热,提高电磁效率。

钻井船使用的直流电机均为串励电机,串励电机等效电路图如图2所示。

通过分析串励电机电磁特性可知:

直流钻机经济运行的方法就是降低直流电机所需的输出转矩,提高转速,降低电流,提高直流电压,从而降低系统发热,提高发电机与电动机的效率,提高发电机的功率因数,使柴油机能以较大的输出功率在低耗油区工作,并尽量减少发电机的运行台数,达到提高经济效益的目的。

在工程实际中可采取如下操作实现经济运行:

首先,在钻井过程中,根据需要选定一定的泥浆泵泵压和排量及转盘转速后,让泥浆泵在允许的较高泵冲下工作;选择尽量低的绞车档位,让驱动绞车电机在较高转速下运转。

其次,在起钻的过程中,根据井下复杂情况,选定一定的起钻速度后,应尽量选择绞车低速挡位,以达到电机低输出转矩,高转速的目的。

此外,中海油服选用直流钻机系统作为钻井船钻井系统还有一个考虑,即中海油服现有钻井操作单元(包括钻井船及钻机模块等),大部分都是直流系统。目前海洋石油处于快速发展阶段,人员及设备都处于满负荷运转状态。若是新建钻井船采用直流系统,可省下宝贵的人员培训时间及费用。现有直流钻井单元与新建直流钻井单元原理及设备都基本相同,现有直流钻井单元上的人员经过短时间熟悉后,即可熟练的投入到实际生产当中。此外,直流系统内功率相近的元器件如可控硅、直流接触器等也可互换,在某些特定时候可节约维修费用及成本。

参考文献

[1]李先允.电力电子技术.中国电力出版社.2006-09

直流钻机 篇4

直流电动钻机采用晶闸管可控整流设备给直流电机供电以达到调速目的, 这样造成了系统低功率因数运行和电网含有大量谐波。

直流电动钻机系统在运行时有许多劣势:功率因数低, 占用机组容量大, 由于无功大, 无功的冲击量大, 电网电压稳定性差, 电网电压谐波含量高, 对电网的其他用电设备影响大。

2 直流钻机没有无功补偿时的典型钻进工况

50D钻机有3台柴油发电机组, 每台的可用有功输出为950 k W, 可用容量输出为1200k VA。实际上由于整流器的低功率因数运行, 发电机组的容量大部分被无功占用, 有功输出最大只能达到540 k W (按照0.45系统功率因数考虑) 。

钻机有二台直流驱动泥浆泵。每台泥浆泵配置了2台800 k W (0~750V, 1150A) 的直流串励电机。

每台泥浆泵需要约600 k W的有功输入, 要求直流电机输出600 k W的有功功率到泥浆泵。即

P=1200k W (这是典型工况的较重的负荷) , cosφ=0.45

直流传动系统需要占用机组容量S=P/cosφ=2666k VA

顶驱有功约250 k W, 功率因数0.93, 占用容量为270 k VA

M C C负荷大约2 0 0 k W, 功率因数为0.85, 占用容量240 k VA

系统总共占用容量为S总=2666+270+240=3180 k VA, 这已经接近3台机组可以有效输出的容量之和。

传动系统需要机组提供无功功率Q=S×sinφ=2666×0.89=2372k Var

可以看出, 机组低功率因数运行, 占用机组容量大, 机组有功功率输出能力受到限制。

3 直流钻机典型工况下采用无功补偿设备时的工作状态

功率因数的补偿范围在0.85~0.95。功率因数一般不能补偿超过0.95, 否则容易引起过补偿而引起母线跳闸或者母线电压不稳定。在大负荷时考虑补偿到0.85。在小负荷时考虑补偿到0.95。

(1) 设置无功补偿装置:按照典型工况下将传动系统补偿到0.85计算。

系统有功仍然为P'=1200k W。

则无功补偿装置需要提供补偿容量为△Q=2372-750=1622 k Var

系统总共占用容量为S总=1410+270+240=1920 k VA

可见采用无功补偿装置, 只需要补偿1622 k Var, 即可将系统功率因数从0.45补偿到0.85, 使机组容量占用值从3180k VA下降到1920 k VA, 即可达到只需要开动两台机组即可在具有 (2400-1920) /1 9 2 0*1 0 0%=2 5%的备用裕量的条件下运行, 第三台机组可以作为备用机组。

(2) 少开启一台机组时的节能效果

每台机组的运行的自身损耗大约100k W, 每年按照连续运行9个月来考虑, 机组每发出1 k W·h需要耗油量不低于0.25kg/ (k W h) , 一台机组一年的自身损耗的柴油质量大约:

按照国内油价6.0元/L, 约合人民币1300 000元, 即130万元。

按以上算法大致来说, 少开启一台机组的效益最明显, 大致占到综合效益的70%。

4 无功补偿的方案—TSC+有源电力滤波器 (APFC)

无功补偿的主要工况为泥浆泵运行时的钻井工况。同时也满足绞车运行的工况。无功补偿需要配置有源电力滤波器 (APFC) 消除流过补偿器的谐波电流以保护补偿器, 使其稳定可靠工作。

(1) 无功补偿装置采用晶闸管无触点开关的通断投切电容器 (TSC) , 系统控制电路对系统的母线电压, 无功电流, 总电流进行实时检测以确定所需要的补偿容量。

(2) 直流电动机调速系统是非线性开关整流设备, 电网侧会产生大量的谐波, 以前许多无功补偿设备不能可靠运行的主要原因是系统谐波过高, 没有滤波措施, 或者采用静态单调谐滤波器不能始终保持有效的滤波效果。而且, 静态单调谐滤波器本身的滤波作用就很不理想。

因此要配置无功补偿装置 (TSC) , 就须配置有源动态滤波器。

(3) 目前, 电力有源动态滤波器已经得到了大量的成功应用。有源动态滤波器采用全数字微控制器控制, 实时检测系统的谐波电流并作出谐波水平分析, 然后发出反向谐波抵消系统原有谐波, 达到谐波抑制的目的。

通过实际监测记录滤波器工作前后系统中电流电压波形和相关参数的变化, 可以明显见到使用该设备使输出电流波形接近正弦波, 基本上消除了谐波及其干扰。另外从节能的角度也能给用户带来非常明显的收益。如果考虑因滤除谐波后变压器损耗的降低, 那整体的节能效果将更明显。

5 总结

本文比较系统地阐述了APFC有源电力滤波器+TSC动态无功调节装置的主要原理及特点, 再结合我们实际现场工况, 对直流钻机系统谐波的处理和无功需求等方面提出了比较充分的理论依据, 再从工程运用的角度出发, APFC有源电力滤波器既解决了系统谐波对自身设备在运行控制、继电保护、通讯等方面的影响, 也从源头上解决了谐波对公共电网的污染。同时, TCS动态无功调节装置解决了电机在运行过程中无功需求及电压波动等问题, 保证了系统有功的最大输出。

摘要：本文介绍了直流电动钻机的功率因数、无功补偿、谐波等方面存在的问题及控制策略, 针对直流钻机使用时产生的谐波和无功分量作了分析, 提出了解决方案, 通过实际运行评比得出了最佳解决方式。

关键词：无功补偿,谐波拟制,电网质量,滤波器,节能

参考文献

[1]天津电气传动设计研究所:电气传动自动化技术手册.机械工业出版社

[2]ABB中国有限公司:有源动态滤波器技术资料

[3]中国电工技术学会电力电子学会.电力电子设备设计和应用手册[M].机械工业出版社

[4]王兆安, 等.谐波抑制和无功功率补偿, 机械工业出版社

[5] (奥地利) George J.Wakileh著, 徐政译:电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计.机械工业出版社

直流钻机 篇5

关键词：直流电动钻机,功率,集电环

1 直流电动钻机直流电机对电网功率因数影响

事实上电动钻机的电站功率80%是供可硅系统驱动的直流电动机,而在正常钻井生产时驱动泥浆泵的直流电机所消耗的功率占全部直流电机消耗功率的90%;(除起下钻作业外,泥浆泵是整台钻机的主要功率消耗设备)也就是说电站功率的85%是供给谐波负载(泥浆泵),这么大的谐波负载需要电站提供很大的无功功率,造成无功电流占发电机总电流的30%～35%,致使电站的电网系统功率因数低到0.55～0.65,它严重的限制了电站有功功率的发挥,导致电站存在“动力不足”的问题,因此需要投入大量的发电机组才能满足常规钻井作业的功率需要。

在可控硅整流电路中,当其直流输出电压愈低,也就是触发角α愈大时,线路功率因数愈低,这对于大容量直流负载而言,问题变得更为突出,而电动钻机的绞车和转盘由于钻井工艺的要求,有时工作在低速或中速状态,虽消耗一定的无功功率,但他们在钻井生产时不是主要的用电设备,而经常处于低速和中速运转的泥浆泵是钻井生产时主要的用电设备和引起电网电压下降与无功损耗的增大的主要因素,怎样提高供电系统的电网质量和功率因数就显得十分重要。就此分析的泥浆泵工况,能解决泥浆泵的无功损耗问题,是提高整个电网功率因数的关键。

2 钻井生产时直流电机的工况

根据钻井工艺的要求,绞车、转盘和泥浆泵经常需要变速,由于直流电动机采用恒转矩调速,可控硅装置整流输出的直流电压不断变化,可控硅装置的功率因数也随之变化。直流电动机在低转速下运行,造成可控硅装置的功率因数低,这就要求并网的交流发电机组输出大量的无功功率,交流发电机组的运行功率因数取决于可控硅装置的功率因数,两者功率因数基本相当。

3 电动钻机功率因数的计算

电动钻机可控硅整流电路的功率因数:

cosφ≡cos(α+γ变/2)

φ功率因数角

α可控硅触发角

γ变变压器漏抗引起的重叠角(因我们现场使用的可控硅整流装置没通过变压器供电,而是由发电机直接供电),因此不考虑重叠角γ变时:cosφ≈cosα。

但功率因数cosΦ不仅同电流与电压的相位差有关也受到电流波形畸变的影响,也就是功率因数与波形畸变系数λ,位移系数cosqΦi有关,即:

cosΦ=λcos4Φi

Φi是电流基波分量与对应电压的夹角。

由上式不难看出,要提高可控硅整流电路的功率因数cos4Φ必须增大波形畸变系数λ或减少角位移Φi(也即减少α值)为了增大波形畸变系数λ就要设法减少高次谐波,增加整流相数可以提高电流中高次谐波的最低次数和降低高次谐波的幅值,进而减少波形畸变,增大畸变系数λ。(这是采用常规功率补偿装置以减少无功功率的方法,这里不作详细介绍)为了减少角位移φi(α)就要减少可控硅触发角α,但可控硅整流电路正是依靠改变可控硅触发角α来调节可控硅整流装置的直流电压输出,大多数人认为不能采用减少触发角α的办法来提高功率因数,那是因为他们只从电气方面考虑,而没有从机械方面综合考虑,必须指出,可控硅电动钻机中如果电动机采用恒功率调磁调速,直流电动机在它的额定电压下调磁调速,可控硅装置的功率因数较高(在0.85左右),如果对泥浆泵的传动比作适当改进,在其能满足钻井生产的情况下,对泥浆泵的缸套作相应的更换,使泥浆泵驱动直流电机的工作转速提高到接近其额定转速,从而能达到改变可控硅触发角α的目的。

4 电刷及集电环常见故障的原因及解决办法

4.1 由于通风不良导致的发热:

通风不良主要是因为冷却风道堵塞,集电环表面通风沟、通风孔堵塞、循环风扇风量下降等原因,尤其是当运行中集电环表面温度过高时,导致电刷磨损加剧,碳粉积聚增加,有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道。因此在维修保养时,应对集电环表面通风沟、孔以及冷却风道滤网进行清理,保持通畅。对于经过多次车削的集电环,如果集电环表面的通风沟高度不到5mm,已经车削到径向限制孔时,就应当按照说明书根据最小使用外径进行更换,以保证集电环的机械及散热可靠性。

4.2 由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热:

集电环和电刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的,电动钻机用的直流电机,每个集电环上分布着数十八只电刷,由于接触电阻的不同,电流分配的差异,会导致发热不均匀,有以下几个原因:a.电刷与滑环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。b.电刷压力不均匀或不符合要求,可能有电刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。应使用弹簧秤检查电刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤,压力应符合其产品的规定,同一极上的弹簧压力偏差不宜超过5%;非恒压的电刷弹簧,有规定时压力应符合其产品的规定,当无规定时,应调整到不使电刷冒火的最低压力,一般为140～250g/cm2,同一刷架上每个电刷的压力应均匀。c.集电环与转子引线接触电阻过大,这种情况应对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。d.电刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的电刷。同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的电刷,对于外观检查有明显差异的电刷应更换。

4.3 由于机械及摩擦等原因造成的过热:

直流钻机 篇6

胜利九号钻井平台的绞车、转盘、顶驱、泥浆泵拖动电机选用了他励直流电机。为节省空间和投资,调速装置采用了1台同时供给2台电机的“一拖二”方案。由此,两台电机在动态和静态工作中的负载均衡就成为要解决的主要问题。本文对胜利九号钻井平台他励直流电机“一拖二”供电方式下,负载均衡分配的实现方法做了具体研究分析。

2 负载分配研究与分析

2.1 主电路结构及控制方案配置

主电路结构如图1所示,其中电机调速采用转矩内环和转速外环的恒转矩调速控制方式。A、B两台电机负载均衡需设专用电路。励磁调节采用单电流闭环控制方式,其中一台励磁固定输出,另一台根据负载情况调节输出。

直流电机的机械特性方程为:

式中:U为加在电枢回路上的电压;R为电动机电枢回路总电阻;Φ为电动机磁通;Ce为电动势常数;CT为转矩常数;I为电枢电流。

由上述公式知,改变参数U、R、Φ中的任何一个,都可以对电动机进行调速。最为经济实用的方法是改变电枢电压U的调速方案。具体到实际应用中,由于A、B电机电枢回路是并联连接,无法改变单台电机的电枢电压,通过改变电枢电压的方案虽然能实现调速,但是无法实现两台电机电枢电流均衡分配。为保证负载均衡,由式(2)知,必须使A、B电机的CTΦ基本一致,在电机一定的情况下,必须使两个单独励磁有效磁通基本一致。由于磁通受励磁电流大小、回路电阻、电枢反应、温度等因素影响,同时调节比较困难,为方便控制,一般配置A、B电机分别单独励磁,两个励磁可以同时调节控制。如果采用A电机的励磁电流为固定值输出,B电机的励磁电流为可控调节输出,B电机的励磁电流输出根据A、B电机电枢电流的实时检测值做动态调节,输出一个变化值。即当A电机电枢电流大于B电机电枢电流时,适当降低B电机的励磁电流输出,提高B电机的转速,这样就可以增加B电机的负载,使A,B电机的负载趋于平衡。当A电机电枢电流小于B电机电枢电流时,适当增加B电机的励磁电流输出,降低B电机的转速,这样就可以减少B电机的负载,使A,B电机的负载趋于平衡。

2.2 励磁自动修正调节的实现

胜利九号平台在多年的生产工作中,一直困扰用户的一个严重的问题就是绞车和泥浆泵电机在“一拖二”方式运行时两台电机电枢电流的严重不平衡或称“劈叉”。由于两台电机的电枢是并联的,且两台电机是同轴连接运行,由调速式(1)知两台并联电机的n和U是相同的,其余参数不可能完全一致,特性也有一定的差异,流过两台电机电枢回路的电流在较大范围内无法一致,随着负载的增大(电枢反应),电流差距就会越来越大。为了彻底的解决“劈叉”问题。经过分析论证,制定了一台电机励磁固定,另一台电机励磁可调的方案。为保证方案实施的可靠性,电枢部分采用全数字电压电流双闭环调速方案,励磁部分采用全数字电流闭环控制的方案。同时在A,B两台电机的电枢回路安装霍尔元件实时检测电流的大小,并将检测到的电流值送入控制电路作为励磁电流的一个调节参考值。励磁的调节分为以下几个部分来进行阐述。

(1)A电机的励磁调节回路为电流闭环的PI调节器,励磁调节的给定为电机的额定励磁电流,反馈值为实时检测的励磁输出电流。通过闭环控制就可以确保输出稳定的励磁电流(不考虑电枢反应和温度等对有效磁通的影响)。

(2)B电机的励磁调节回路为电流闭环的PI调节器,励磁调节的给定为额定励磁电流与偏差补偿之和,偏差补偿为电机特性的励磁修正值与两台电机电枢电流的偏差值之和,反馈值为实时检测的励磁输出电流。这样B电机的励磁电流(考虑了两个电枢反应和温度变化等参数的影响)就可以跟随两台电机电枢电流变化做实时调节,以保证两台电机负载的均衡。

(3)电机特性励磁修正值的确定方法如下。首先选择电机“一拖二”电枢并联方式运行,励磁采用手动调节,使电机拖动负载从小到大分别测定各个点的励磁修正值。修正值的测定方法如下。电机运行后逐渐增加负载,观察两台电机的电枢电流,当两台电机的电枢电流差值到一定值时,保持负载不变,手动改变B电机的励磁电流修正给定直至两台电机电枢电流差值小于50A且稳定运行,记录此时B电机的励磁电流修正给定值。然后逐次增加负载,重复上面的工作,以此类推分别记录10个修正给定值。这10个励磁修正给定值基本涵盖了电机的整个额定负载区间。将这10个值构成B电机励磁特性曲线调节的扰动给定。以1号泥浆泵A、B电机为例测定出的修正值如表1所示。

(4)将测定好的特性曲线作为B电机励磁调节的扰动给定虽然能有效的防止由于系统调节幅度过大而造成的系统振荡。但是在电机整个负载区间内由于运行状况和温度等情况的不同,即使采用特性曲线作为扰动给定,A、B电机的电枢电流也会有一定的差异,为了补偿这个差异,更好的平衡两台电机的扭矩,还须增加一个扰动量修正。此修正量是通过霍尔元件测出A、B两台电机的电枢电流,送入控制电路处理后做差分运算,再将这个差值作为一个扰动量叠加到B电机励磁调节的给定上。这种调节方案,不但可以快速的完成励磁的调节,平衡双电机负载,而且励磁调节系统运行稳定,不易振荡。很好的解决了A、B电机的负载均衡问题。

3 结束语

以一号泥浆泵为例,实施上述措施后,获得如图2所示的带载测试的电枢电流输出波形,从波形上可以看出,A、B电机电枢电流基本一致,扭矩分配均衡。

经过胜利九号平台的应用证实,他励直流电机实现“一拖二”电枢并联运行通过适当控制可以很好的解决双电机的负载均衡问题。这种方法实现起来简单,控制效果明显,可以在他励电机“一对二”电枢并联运行的工况下推广应用。

摘要：他励直流电机电枢并联运行时负载不能自动均衡,必须设计相应的负载均衡电路进行调节。详细分析了调节他励电机励磁的办法,解决了胜利九号钻井平台他励直流电机电枢并联负载均衡问题。

关键词：励磁,电枢并联,特性曲线,数字修正

参考文献