CN1117554A - 一种钻机数控电驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种钻机数控电驱动装置，它有包含减速器、机车电机、可变频电源变换器、标准工业控制介面、中央控制计算机及控制适配模块等，其特征在于：机车电机为励磁式直流电机，有直流发电机，其输出端与机车电机的励磁端相连，其输入轴接有由可变频电源变换器驱动的稀土永磁转子全速电机。本发明具有电驱和顶驱的特点。使用中央控制计算机控制可变频电源变换器调整稀土永磁转子电机的输出转速来改变机车电机的励磁，从而达到方便地控制改变工况的目的。采用二级控制方式，可用较小的控制功率得到很大的驱动功率，大大降低了对控制电子器件的要求，降低成本。

Description

一种钻机数控电驱动装置

一种钻机数控电驱动装置，它属于石油开采及地质勘探设备，适用于各种石油及地质钻机，特别适用于各种大型深井钻机。

常规的石油及地质勘探钻机，多采用以柴油机为动力，用机械传动的方法，直接驱动钻杆做旋转运动，在这种驱动方式中，由于传动系统限制，其整个驱动装置只能都固定于钻井井口平台上，在钻进过程中不能随钻杆向下运动。这种固定的底驱方式加接钻杆和更换钻头操作复杂，容易发生事故。现在国内外为解决这个问题，已开始采用顶驱装置，把驱动钻杆旋转的驱动装置置于钻杆顶端，随钻杆向下运动，在加接织杆时，只要把钻杆连接器解销，把顶驱装置升入钻塔顶及可。现在发展的钻井顶部驱动装置，主要有两种，一种是液压驱动装置，另一种是直流驱动装置。它们分别是使用液压马达或直流电动机做动力源，通过减速装置减速后直接带动钻杆转动。使用液化马达驱动，虽然驱动力矩大，可以调整其驱动力矩，而且液压马达本身的体积小，重量轻。但是，由于需要一套液压泵站及控制系统，该液压泵站的功率要求很大(一般在500千瓦左右)，它的体积很大，只能放置于地面，通过高压软管引到钻塔顶端与顶驱装置相连，并随其上下移动，其结构是相当笨重的。再者，液压驱动是恒力(或恒力矩)驱动，低速特性不好，不能适应短时过载的要求。液压装置对液压油的要求较高，野外工作条件使得需经常对液压油进行过滤或更换。由于液压顶驱装置的上述缺点，现在国外主要发展电顶驱装置。为方便地对其工作工况进行控制，为得到较好的低速特性，现在的电驱动装置都是以直流电动机为动力源，利用直流电动机的可变工况和低速特性来满足顶驱装置的动力要求。但是，在进行石油钻探时，有很高的防爆要求。直流电动机中的换向电刷严重影响了防爆性能，必须使用结构很复杂的屏蔽措施。而且普通的直流电机体积较大，电刷等是易磨损件，在使用中有很多维护问题。

本发明的目的是发明一种钻机数控电驱动装置，它可以方便地控制改变工况，有很大的驱动功率和较低的成本。

本发明的结构如图1所示，它有包含减速器3的壳体1，在壳体1上装有吊环4，减速器3的输出端接有钻杆连接器2，在减速器3的输入端有机车电机5，有可变频电源变换器9、标准工业控制介面10、可和其它设备共有的中央控制计算机11以及插于标准工业控制介面10之中与可变频电源变换器9相连并对其进行控制的控制适配模块12，其特征在于：机车电机5为励磁式直流电机，有直流发电机6，机车电机5的励磁输入端与直流发电机6的输出端相连，直流发电机6的输入轴接有一台稀土永磁转子全速电机7，稀土永磁转子全速电机7的输入端与可变频电源变换器9相连并由其驱动。

附图1为本发明的结构示意图。8为本发明所连接的钻杆。

本发明的工作原理如下：

本发明在工作时，本发明的钻杆连接器2与钻杆8相连，并在钻杆顶端，被井架吊车通过钢绳与吊环4相连吊持，承担部分顶驱装置及钻杆的重量。机车电机5由直流电电源供电，驱动减速器3工作。减速器3通过钻杆连接器2带动钻杆8旋转，完成钻进功能。机车电机5的励磁端与直流发电机6的输出端相接，而直流发电机6的输入轴与稀土永磁转子全速电机7的输出轴机连。在主动变工况时，钻杆驱动的工况由可和其它设备共有的中央控制计算机11控制，在需要改变驱动工况时，中央控制计算机11通过标准串行通讯接口发出选通与可变频电源变换器9的控制端相连并对其进行控制的控制适配模块12的地址选通信号。标准工业控制介面10在接收到地址选通信号后，选通相应的控制适配模块12。在选通好后，中央控制计算机11给出新的驱动工况所对应的转子速度数值，由控制适配模块12锁存并变换后驱动可变频电源变换器9。改变可变频电源变换器9的输出频率，从而改变了稀土永磁转子全速电机7的工。由于改变了稀土永磁转子电机7的转速也就直接改变了直流发电机6的转速，而直流发电机6的输出电压与转速成比例关系，因而也就改变了机车电机5的励磁电压，从而也就改变了机车电机5的工况，完成主动改变工况的工作。一般的励磁电机励磁功率只占其输出功率的2～5％。因此，使用由数控的可变频电源变换器9驱动的稀土永磁转子电机7带动直流线电机6来调整机车电机5(主电机)的励磁这种二级控制方式，可以使用较小的数控器件控制教大的输出。

本发明采用直流电机驱动的顶驱方式，具有电驱动和顶驱动的特点。同时，使用中央控制计算机控制可变频电源变换器调整稀土永磁转子电机的输出转速，通过改变其所带的直流发电机转速，来改变机车电机的励磁，从而改变机车电机工况，达到方便地控制改变工况的目的，采用这种二级控制方式，可以用较小的控制功率得到很大的驱动功率，大大降低了对控制电子器件的要求，可以降低成本。

在本发明中，壳体1、钻杆连接器2，减速器3、吊环4和机车电机5等都可以利用钻机现有电顶驱装置的现成设计，或直接用其致装。本发明中的直流发电机6可以使用现有的标准直流电机，也可以使用永磁转子直流发电机。稀土永磁转子电机7可以使用如专利号为CNZL89216856或CNZL89219833的电机，它和可变频电源变换器9配合使用，形成一全速稀土同步电机。直流发电机6，稀土永磁转子电机7和可变频电源变换器9的功率大致相等，可以是机车电机5额定输出功率的2～5％。直流发电机6和稀土永磁转子电机7可以安装于机车电机5的近旁壳体1上。也可以放置于地面，通过电缆把机车电机5的励磁电流送入壳体1上装有的机车电机5上。

本发明中使用的可变频电源变换器9可以是一套整流器件如可控频逆变器，结构如专利号为CNZL89214316的专利或专利号为CNZL89209067的专利。也可以使用日本富士公司的G5系列或G7系列逆变器。

在本发明中，标准工业控制介面10可以选用美国ME公司MECHATRONICEQUIPMENT INC.)的I/O 32，或是美国OPTO 22公司的PB16AH。中央控制计算机11可以选用美国OPTO 22公司的LC4控制器，也可以选用美国ME公司的PCS-1工业过程控制工作站，还可以选用普通PC计算机。适配模块12可选用OPTO 22公司的DA3或类似的D/A转换模块。

Claims (1)

1.一种钻机数控电驱动装置，它有包含减速器(3)的壳体(1)，在壳体(1)上装有吊环(4)，减速器(3)的输出端接有钻杆连接器(2)，在减速器(3)的输入端有机车电机(5)，有可变频电源变换器(9)、标准工业控制介面(10)、可和其它设备共有的中央控制计算机(11)以及插于标准工业控制介面(10)之中与可变频电源变换器(9)相连并对其进行控制的控制适配模块(12)，其特征在于：机车电机(5)为励磁式直流电机，有直流发电机(6)，机车电机(5)的励磁输入端与直流发电机(6)的输出端相连，直流发电机(6)的输入轴接有一台稀土永磁转子全速电机(7)，稀土永磁转子全速电机(7)的输入端与可变频电源变换器(9)相连并由其驱动。

Images