CN103701379A - 变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统 - Google Patents

Abstract

变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，系统中发电机转子采用三相交流励磁转子取代传统的永久磁体转子或直流励磁转子。通过控制发电机的励磁频率、电流和相位，让发电机直接发出所需频率和电压的三相交流电来驱动三相交流电动机工作，系统中去除了传统的大功率变频器，大幅度简化了传动系统，大大降低了制造成本，同时也降低系统的故障率和维护成本，并摆脱了对进口大功率变频器的依赖。还可使两台以上的柴油发电机组组成局部交流电网，共同拖动功率大于单台发电机的交流电动机工作，使交流传动技术更易于在以柴油发电机组为动力的石油钻机等各种较大功率的电气传动系统中推广应用。

Description

变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统

技术领域

本发明涉及石油钻机交流电气传动技术领域，尤其涉及石油钻机交流电气传动系统供电与调速技术领域。

背景技术

目前，以柴油机为原动力的石油钻机电气传动系统分为直流传动系统和交流传动系统。在交流传动系统中，普遍使用交流变频调速电气传动系统，如图1所示，这种电气传动系统一般是由一台或多台功率在1000KW左右的柴油机拖动具有永久磁体励磁或直流励磁的同步发电机发出工频电，再经变频器整流、逆变，然后驱动三相交流电动机拖动钻井机械工作。柴油发电机组包括柴油机、三相交流发电机6。三相交流发电机6的转子为直流励磁或永久磁体励磁转子5，直流励磁转子通过直流励磁电源供电。这种传动模式称之为“交—直—交”传动。由于各个柴油发电机组之间存在无法避免的转速差异，所以发出的交流电不能组成一个局部电网供电，只能每台发电机各自整流、逆变，由变频器控制才能协调共同工作，这种方式技术上要求比较复杂。由于现行“交—直—交”传动系统的关键部，大功率逆变装置价格昂贵，且基本依赖从国外少数几家知名大公司进口，使用中还需要高级专门技术人员维护管理，因而限制了交流传动技术在石油钻机中的推广使用。现用的石油钻机交流传动领域中，只有少数较高档次钻机采用“交—直—交”传动技术，大部分石油钻机仍然采用机械传动。

发明内容

为解决目前石油钻机交流传动系统中必须使用大功率变频装置驱动三相交流电动机和多台柴油发电机不能组成一个局部电网供电的问题，本发明提供了一种变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，柴油发电机组驱动至少一台三相交流电动机拖动负载运行，柴油发电机组包括柴油机、变频励磁发电机和变频励磁电源，柴油机驱动变频励磁发电机，变频励磁发电机1输出端连接至少一台三相交流电动机；所述变频励磁发电机的转子为三相交流励磁转子，三相交流励磁转子绕组连接变频励磁电源。当柴油机拖动变频励磁发电机转子转动时，变频励磁发电机1轴的转速和转子绕组由三相交流电产生的电磁转速叠加得到的发电机发电磁场的实际转速；变频励磁电源根据变频励磁发电机的实时转速调整控制变频励磁电源输出频率，电流和相位使发电机组直接发出负载工况所需频率、电压的三相交流电来驱动三相交流负载电动机。

设有至少两台柴油发电机组组成的局部交流电网，柴油发电机组的变频励磁电源通过实时通信方式连接，分别调控各发电机磁场转速，使每台柴油机组发电频率、相位和电压同步，各柴油发电机组的变频励磁发电机输出相位同名端相互连接组成局部电网，共同为负载供电。

所述变频励磁发电机轴上装有转速传感器。

变频励磁电源为输出频率连续自动可调三相交流电源并带有实时通信接口变频电源。

本发明的变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，在石油钻机柴油发电机组中，改变传统的发电机励磁模式，即用三相交流励磁转子励磁取代传统的永久磁体转子或直流励磁转子励磁，不使用大功率变频器驱动负载电动机，而是通过控制发电机励磁系统让柴油发电机组直接发出所需频率的三相交流电。由于在交流传动系统中去掉了大功率整流、变频环节，大幅度简化了传动系统，从而大大度降低传动系统的制造成本，同时也大大降低了整个传动系统的故障率和维护成本，并摆脱了对进口大功率逆变装置的依赖。同时可使两台以上的柴油发电机组组成局部交流电网，共同拖动功率大于单台发电机的交流电动机工作，使交流传动技术更易于在以柴油发电机组为动力的石油钻机等各种较大功率的电气传动系统中推广应用。

附图说明

图1是现行柴油发电机组供电石油钻机交流传动系统原理图。

图2是本发明变频励磁柴油发电机组供电交流传动原理图。

图3是本发明变频励磁柴油发电机组网供电交流传动原理图。

图中：1. 变频励磁发电机，2.定子绕组，3.三相交流励磁转子绕组，4.转速传感器,5. 直流励磁或永久磁体励磁转子，6. 三相交流发电机。

具体实施方式

本发明的变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统原理如图2所示，柴油发电机组连接至少一台三相交流电动机，三相交流电动机输出端连接负载，柴油发电机组包括柴油机、变频励磁发电机1和变频励磁电源，柴油机连接变频励磁发电机，变频励磁发电机1输出端连接三相交流电动机；所述变频励磁发电机的转子为三相交流励磁转子，三相交流励磁转子绕组3连接变频励磁电源。柴油机为普通柴油机，为发电机提供原动力。变频励磁发电机是一种轴上装有转速传感器4和三相交流励磁绕组的三相交流同步发电机，变频励磁电源是可输出频率为10—400Hz连续自动可调三相交流电源并带有实时通信接口变频电源，电动机为普通三相交流变频电动机。

原理如下：在石油钻机柴油发电机组中，改变传统的发电机励磁模式，即用三相交流励磁转子励磁取代传统的永久磁体转子或直流励磁转子励磁。在静止状态，当向转子的三相交流励磁绕组中输入三相交流电时，转子上会产生一个旋转磁场，这个磁场的转速只取决于输入转子励磁绕组的三相交流电的频率，而转向取决于交流电的相位，改变交流电的频率和相位就可以改变磁场的旋转速度和转向，当柴油机拖动发电机转子转动时，发电机轴的转速再叠加上由三相交流电产生的电磁转速就是发电机磁场的实际转速。根据柴油发电机组的轴转速，调控励磁频率，电流和相位，就可以让发电机直接发出所需频率和电压的三相交流电来拖动三相交流电动机工作。在此过程中，变频励磁电源可根据发电机的实时转速和励磁电源输出频率得出发电机此刻向负载电动机输出三相电的频率和电压，根据负载工况需求，调整控制变频励磁电源输出频率，发电机即可向负载电动机输出工况需求的三相交流电，驱动三相交流负载电动机工作。

还可以通过对励磁系统的控制，使两台以上的柴油机组发电频率，相位，电压同步，直接组成交流局部电网供电，而不再需要通过大功率变频器整流、变频后再驱动三相交流电动机。

如图3所示，当需要两台以上的发电机组组成一个交流局部电网时，柴油发电机组的变频励磁电源通过实时通信方式连接，并分别调控各发电机磁场转速，使两台以上柴油发电机组发电频率，相位，电压同步，将各柴油发电机组的变频励磁发电机输出相位同名端相互连接，根据工况要求，直接组成交流局部电网供电或拖动功率大于单台发电机组的负载电动机工作。

Claims (4)

1.变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，其特征在于：柴油发电机组驱动至少一台三相交流电动机拖动负载运行，柴油发电机组包括柴油机、变频励磁发电机（1）和变频励磁电源，柴油机驱动变频励磁发电机，变频励磁发电机（1）输出端连接至少一台三相交流电动机；所述变频励磁发电机的转子为三相交流励磁转子，三相交流励磁转子绕组（3）连接变频励磁电源，当柴油机拖动变频励磁发电机（1）转子转动时，励磁电源根据发电机轴的转速控制三相交流励磁电源的输出频率、电流和相位，使发电机直接发出负载工况所需频率、电压的三相交流电来驱动三相交流负载电动机。

2. 根据权利要求1所述的变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，其特征在于：设有至少两台变频励磁柴油发电机组，柴油发电机组的变频励磁电源通过实时通信方式连接，使每台柴油机组发电频率、相位和电压同步，将各柴油发电机组的变频励磁发电机（1）输出相位同名端相互连接组成局部电网共同拖动至少一台三相交流电动机工作。

3. 根据权利要求1所述的变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，其特征在于：所述变频励磁发电机（1）为三相交流励磁轴上装有转速传感器（4）的发电机。

4. 根据权利要求1所述的变频励磁柴油发电机组网供电的石油钻机交流传动系统，其特征在于：变频励磁电源为输出频率为10—400Hz连续自动可调并带有实时通信接口的三相交流变频电源。

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