CN105129643A - 钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统。主要解决现有的绞车结构复杂、故障率高的问题。其特征在于：所述的交流变频电动机(1)通过联轴器(2)驱动滚筒总成(3)，所述交流变频电动机(1)的绕组参数为：定子槽数Z＝72，并联路数a＝4，电机极数2P＝12，每极每相槽数q＝2，绕组极距τ＝6，线圈节距Y＝5，转子槽数48槽，定子线圈匝数21匝，接线方式Y接。该钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统取消了原绞车中的减速箱及其润滑系统，采用交流变频电动机直驱绞车，使结构简单，提高了工作效率，降低了故障率。

Description

钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统

技术领域

本发明涉及油田领域，具体的说是一种钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统。

背景技术

绞车是钻机的核心部件，绞车在石油钻井过程中，不仅担负着起下钻具、下套管、控制钻压、处理事故、提取岩芯筒、试油等各项作业，而且还担负着井架起放任务。绞车驱动系统一般为主电机驱动滚筒带动钢丝绳，带动游钩上提下放。

目前，国内外的钻机绞车主要是由交流电动机加多级传动变速箱，或变频电机加一级传动减速箱驱动，或是采用永磁同步电机直接驱动。前两驱动方式还需要带变速机构及其润滑系统，使结构复杂、故障点增多；后一驱动方式由于井队频繁搬家，造成控制闭环反馈中采集信号的编码器工作不可靠，故障率高。

发明内容

为了克服现有的绞车结构复杂、故障率高的不足，本发明提供一种钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统，该钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统取消了原绞车中的减速箱及其润滑系统，采用交流变频电动机直驱绞车，使结构简单，提高了工作效率，降低了故障率。

本发明的技术方案是：一种钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统，包括交流变频电动机、滚筒总成，所述的交流变频电动机通过联轴器驱动滚筒总成，所述交流变频电动机的绕组参数为：

定子槽数Z＝72，并联路数a＝4，电机极数2P＝12，每极每相槽数q＝2，绕组极距τ＝6，线圈节距Y＝5，转子槽数48槽，定子线圈匝数21匝，接线方式Y接。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方案，该绞车系统采取交流变频异步电动机直驱绞车滚筒，省去了减速箱及其润滑系统，简化结构，大大减少了故障点，提高工作效率；同时，克服了采用永磁同步电机系统必须用编码器才能工作的情况，也避免了深度弱磁导致的对控制系统的不良影响。经过油田现场应用，该绞车系统性能优越，运行过程中无故障停机现象，适合在油层比较浅的区块应用。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明中交流变频电动机的接线图；

图3是滚筒总成的结构示意图；

图4是现有绞车的驱动原理图；

图5是电动机在不同频率时的调速特性；

图6是直驱变频电机特性曲线。

图中1-交流变频电动机，2-联轴器，3-滚筒总成，4-刹车盘，5-联轴器法兰，6-绞车架，7-主轴，8-滚筒绳槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图3所示，一种钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统，包括交流变频电动机1、滚筒总成3，所述的交流变频电动机1通过联轴器2连接滚筒总成3，绞车滚筒3的端部连接有刹车盘4。与现有的绞车系统相比，省去了减速箱及其润滑系统，使交流变频电动机1直驱滚筒总成3，其关键在于采用了改进的交流变频电动机。

所述交流变频电动机1为320kW，其绕组参数为：定子槽数Z＝72，并联路数a＝4，电机极数2P＝12，每极每相槽数q＝2，绕组极距τ＝6，线圈节距Y＝5，转子槽数48槽，定子线圈匝数21匝，接线方式Y接。

该直驱绞车主要包括以下部分：绞车架、滚筒总成、320kW交流变频电动机、液压盘式刹车、电气控制系统和润滑系统等。

(1)绞车架

直驱绞车架为轴承座支撑的无墙板式结构，能准确定位并支撑电动机、滚筒轴、液压盘刹等，绞车架可分为绞车架体和底座两大部分。

(2)滚筒总成

滚筒总成是绞车的关键部件，它由滚筒体、刹车鼓、轴承座和主轴7等件组成，联轴器2通过联轴器法兰5与主轴7相连。工作时，滚筒上缠有游动系统的钻井钢丝绳，通过控制交流变频电动机1的正反转使钢丝绳在滚筒体上缠绳或退绳，以实现钻具起升或下放等目的。主轴的转向和转速大小取决于交流变频电动机的转向和控制速度。滚筒总成通过左轴承座和右轴承座用8条M36X120的螺栓固紧在轴承座上，滚筒轴一端预留有仪表装置接口(G3/4螺孔)。滚筒体表面开有滚筒绳槽8，可以使钢丝绳缠绕时排绳整齐，避免了相互间的挤压，能有效延长钢丝绳的使用寿命。

(3)液压盘刹机构

该直驱绞车主刹车采用液压盘式刹车，主要用于刹车制动和紧急制动，刹车盘由钢板组成，刹车盘外径为Ф1500mm，厚度40mm。该直驱绞车液压盘刹设有1把常开刹车钳和1把常闭刹车钳，刹车钳缸为可调节式油缸，不但可以调节刹车副间隙，提高刹车块的利用率，延长更换周期，还使拆装、维修安全、方便，刹车钳采用浮动油缸结构，有自动补偿作用。

(4)防碰天车装置

防碰装置的作用是当游车系统上升到限定位置时，通过限位装置作用，紧急刹车，使游动系统停止上升，防止碰天车，确保安全。防碰装置采用二重保险防碰系统。一是过圈防碰，二是电子式防碰。

过圈防碰：绞车采用气控过圈阀装置，过圈阀安装在滚筒上方，可沿轴向左右调整，过圈阀拨杆的长度依游车上升到极限高度时钢丝绳在滚筒上缠绳量来调整(游车上升距天车梁下平面2－3米处)。当游车上升处于极限高度时，快绳触角碰拨杆，盘刹闭式钳进行紧急刹车，将滚筒刹死。

电子防碰：绞车的自动减速、自动停车及防止上碰下砸是通过位置传感器实时检测大钩位置，由PLC分析运算实现位置控制，使绞车工作时可靠地实现了自动减速及自动停车，防止大钩上碰下砸，并可实时精确指示大钩当前位置。

(5)润滑系统

绞车主要润滑脂润滑部位包括滚筒两侧滚筒轴支撑轴承，连接电机与滚筒轴齿式联轴器等。滚筒轴支撑轴承加注润滑脂点设在滚筒体正前方底座表面外，其余各润滑点均设在需要润滑的部位。

目前直驱绞车的机械结构可以简化成如图4所示的方式：

对于直驱的绞车系统来说，减速箱可以省略，i＝1；1500m钻机，使用了两个动滑轮，四根大绳，S＝4；辊筒直径：d＝0.5m

1500m钻机部分技术数据：

最大载荷：1000kN

提升空吊卡时的匀速运动速度/(m/s)：1.5m/s

套管作业和解卡时大钩的提升速度(m/s)：0.1～0.2m/s

通过1500m钻机提供的技术要求可以计算出电机的基本技术数据：

P_N＝(m×g×v)/ηmechanical＝(1000kN×0.2m/s)/0.9＝222kW

$n_{MAX}=i\×nT\×60=\frac{i\×s\×v}{\mathrm{\π}\×d}\×60=\frac{1\×4\×1.5m/s}{\mathrm{\π}\×0.5m}\×60=3.82\×60=229rpm$

分析异步电动机的机械特性如图5及图6所示，

当f1相对较小时，由于较小(x₁定子绕组的漏抗，转子绕组的漏抗的归算值)，r₁(定子绕组的电阻)的影响即不可忽略。此时，Mm的数值大为降低。如图为变频时异步电动机的机械特性，其中f11＞f12＞f13＞f14＞f15。当f1较低时，如f16时，Mm大为降低，电机起动转矩不够。

${\mathrm{\Ω}}_0=\frac{2{\mathrm{\πf}}_{16}}{P}$

起动转矩MQ是异步电机接至电源开始起动时的电磁转矩，此时S＝1(n＝0)

则起动转矩 $M_Q=\frac{m_1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\·\frac{U_X^2{r}_2^{/}}{{\left(r_1+r_2^{/}\right)}^2+{\left(x_1+x_2^{/}\right)}^2}=\frac{p}{2{\mathrm{\πf}}_1}\·\frac{m_1{U}_X^2{r}_2^{/}}{{\left(r_1+r_2^{/}\right)}^2+\left(x_1+x_2^{/}\right)},$

最大转矩 $Mm=\frac{m_1}{{\mathrm{\Ω}}_0}\·\frac{U_X^2}{2\left(\sqrt{r_1^2+{\left(x_1+x_2^{/}\right)}^2}+r_1\right)}=\frac{p}{2{\mathrm{\πf}}_1}\·\frac{m_1{U}_X^2}{2\left(\sqrt{r_1^2+{\left(x_1+x_2^{/}\right)}^2}+r_1\right)}$

式中m1为定子相数3，Ux为定子电源电压，可见，如果极对数P增加，则Mm，MQ均增大，当满足电机起动条件：在负载下，起动转矩倍数M_Q＞M_Z，M_Z为负载转矩，电机就能低速大扭矩起动。

为此将原绞车驱动中常用的6极电动机改为12极电动机，以提高起动转矩。其布线图如图2，绕组参数:定子槽数Z＝72，并联路数a＝4，电机极数2P＝12，每极每相槽数q＝2，绕组极距τ＝6，线圈节距Y＝5，转子槽数48槽，定子线圈匝数21匝，接线方式Y接。

根据计算得到的电机数据，该直驱绞车系统选择的交流异步变频电动机的数据如下所示：

额定功率：320kW；额定电压：3PH600Vac；额定电流：415A；额定频率：10.2Hz；额定转速：110rpm；恒功率最高转速：260rpm；最高转速：300rpm；额定转矩：30560Nm；额定效率：95％；功率因数0.83；极数：12极；绝缘等级：H级；防护等级：IP54；冷却方式：强迫风冷；过载倍数＞1.8倍；PN＝222kW＜电机额定功率320kW；Nmax＝229rpm＜恒功率最高转速260rpm。

该直驱绞车是目前国内外结构最简单的一种绞车系统，同一主电机还具有自动送钻功能，传动效率高。过去的绞车系统主滚筒轴驱动为一台300kW及以上的大功率主电机，而在特殊钻井工艺需要时，需要采用另一台37kW～50kW的专用自动送钻电机实现恒压与恒速钻进功能。而本发明均采用一台主电机就可以实现日常钻进驱动滚筒轴，可以用该主电机进行自动送钻,取消专用自动送钻小电机及其联接齿轮等附带机构，结构简单，重量减轻，搬运方便，更加适合油田钻井需要。

Claims (1)

1.一种钻机单交流变频异步电机直驱绞车系统，包括交流变频电动机(1)、滚筒总成(3)，其特征在于：所述的交流变频电动机(1)通过联轴器(2)驱动滚筒总成(3)，所述交流变频电动机(1)的绕组参数为：

定子槽数Z＝72，并联路数a＝4，电机极数2P＝12，每极每相槽数q＝2，绕组极距τ＝6，线圈节距Y＝5，转子槽数48槽，定子线圈匝数21匝，接线方式Y接。