CN215580961U - 一种石油钻井用动力驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种石油钻井用动力驱动系统，包括整流模块、滤波模块、公共母线、中央处理控制器、多个逆变器模块、多个水冷永磁电机和多组电机耦合装置，整流模块的交流端用于连接到供电电源，整流模块的直流端通过滤波模块连接到公共母线上；所述的中央处理控制器通过通讯总线分别连接到多个逆变器模块，每个逆变器模块的进线端均连接到公共母线上，每个逆变器模块的功率输出端连接到一台水冷永磁电机的受控端，至少一台水冷永磁电机的输出轴通过机械组合连接到一组机械耦合装置上，机械耦合装置的输出轴作为驱动源；本系统克服现有钻井系统装机成本高，使用经济性差、维护成本较高，对电网质量干扰大，设备体积大、安装运输不便的问题。

Description

一种石油钻井用动力驱动系统

技术领域

本实用新型涉及石油钻井驱动研究技术领域，尤其涉及一种石油钻井用动力驱动系统。

背景技术

电动泥浆泵通常采用直流可控硅调速装置驱动两台或一台直流电机，变频调速装置驱动两台或一台交流异步电机通过传动轴连接皮带或链条驱动泥浆泵。电动绞车通常采用直流可控硅调速装置驱动两台或三台直流电机，变频调速装置驱动两台或三台交流异步电机通过直驱方式驱动绞车。电动转盘通常采用直流可控硅调速装置驱动一台直流电机，变频调速装置驱动一台交流异步电机。电动驱动的普及极大提高了钻井效率，节约的钻井成本，电机和负载端合成成撬，电控系统安置于电控房内，进行远距离控制。

目前，常规电动系统，采用直流电机或交流异步电机驱动方式，存在电机效率低、产生谐波较大，对电网质量影响严重，不得不使用电抗器和电容来滤波减少干扰，补偿装置来提高功率因数。传统电机采用风冷结构，导致设备体积大，控制装置必须安装在电控房内，设备装机成本高，且运输和安装不便。有鉴于现有的电驱动系统存在的问题，本发明提供一种应用于石油钻井的新型驱动装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种石油钻井用动力驱动系统，能够克服现有钻井系统装机成本高，使用经济性差、维护成本较高，对电网质量干扰大，设备体积大、安装运输不便的问题。

本实用新型采用的技术方案为：

一种石油钻井用动力驱动系统，包括整流模块、滤波模块、公共母线、中央处理控制器、多个逆变器模块、多个水冷永磁电机和多组电机耦合装置，所述的整流模块的交流端用于连接到供电电源，整流模块的直流端通过滤波模块连接到公共母线上；所述的中央处理控制器通过通讯总线分别连接到多个逆变器模块，每个逆变器模块的进线端均连接到公共母线上，每个逆变器模块的功率输出端连接到一台水冷永磁电机的受控端，至少一台水冷永磁电机的输出轴通过机械组合连接到一组机械耦合装置上，机械耦合装置的输出轴作为驱动源。

还包括远程控制模块，远程控制模块通过通讯传输连接到中央处理控制器。

还包括制动模块，所述的制动模块包括制动开关和制动电阻，制动开关和制动电阻串联后连接到公共母线上。

所述的多个逆变器模块并联。

所述的整流模块包括快熔熔断器、整流桥、断路器和预充电回路，断路器和预充电回路并联形成回路后一端连接到供电电源，另一端连接到快熔熔断器上，快熔熔断器通过整流桥连接到滤波模块上。

本实用新型采用水冷永磁电机和逆变器独立控制，采用一对一的方式，驱动水冷永磁电机；同时，中央控制器控制逆变器模块采用主从控制的双闭环方式，即所有电机均通过速度环和扭矩环控制，或采用主从控制的单速度环从机扭矩跟随的方式，保证多台水冷永磁电机能够在同一转速下实现各个电机的功率分配，共同驱动负载。该系统具有冗余特征，避免单个逆变器模块或水冷永磁电机损坏导致整个系统停机。逆变器模块和永磁电机采用水冷方式，大大提高系统的冷却效果，相比较传统电动系统的电控房设计，减小设备体积，使设备安装运输更加简单方便。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括整流模块2、滤波模块3、公共母线4、中央处理控制器10、多个逆变器模块5、多个水冷永磁电机6和多组电机耦合装置7，所述的整流模块2的交流端用于连接到供电电源1，整流模块2的直流端通过滤波模块3连接到公共母线4上；所述的中央处理控制器10通过通讯总线分别连接到多个逆变器模块5，多个逆变器模块5并联。每个逆变器模块5的进线端均连接到公共母线4上，每个逆变器模块5的功率输出端连接到一台水冷永磁电机6的受控端，至少一台水冷永磁电机6的输出轴12通过机械组合连接到一组机械耦合装置上，机械耦合装置的输出轴12作为驱动源。

还包括远程控制模块11和制动模块，所述的远程控制模块11通过通讯传输连接到中央处理控制器10。所述的制动模块，所述的制动模块包括制动开关8和制动电阻9，制动开关8和制动电阻9串联后连接到公共母线4上。

所述的整流模块2包括快熔熔断器FU、整流桥U、断路器QF和预充电回路E，断路器QF和预充电回路E并联形成回路后一端连接到供电电源1，另一端连接到快熔熔断器FU上，快熔熔断器FU通过整流桥U连接到滤波模块3上。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

供电电源1采用发电机系统或网电系统，主要为整个系统提供交流电源，在石油钻进领域中，有时候根据现场情况的不同，供电电源1可能是发电机系统，也可能是网电系统，根据现场条件选择。

整流模块2中的整流桥U主要用于将交流电源整流成为直流电源，为逆变器模块5提供直流电源。整流模块2内置快熔熔断器FU，用于在系统发生短路故障时保护设备安全，再通过断路器QF用于连通或阻断供电电源1和整流装置，便于根据系统负载要求投切装置，也可以保护系统过载或短路引起的设备故障。

之后，整流模块2整流的直流电源通过滤波器进入公共直流母线，为多个逆变器模块5提供直流电源。

其中，中央处理控制器10主要用于控制系统各个元件协同工作。中央处理控制器10可通过通讯总线读取逆变器模块5的运行状态，如输出频率、输出电流、控制器温度、水冷永磁电机6温度等参数，并且发送指令控制逆变器模块5起停，速度给定，扭矩限制等；逆变器模块5和水冷永磁电机6采用水冷方式散热，通过逆变器模块5和水冷永磁电机6上的温度传感器采集温度信号反馈给逆变器模块5，再通过通讯总线传输给中央处理控制器10进行逻辑分析并进行控制冷循环装置进行运行：启停、水流速度等等，从而对水冷永磁电机6进行持续降温，降温效率高，速度快，噪音小。

远程控制模块11与中央处理控制器10通过总线连接，便于工作人员远程控制负载，如泥浆泵，绞车或转盘的启停及不同工况的选择，保障现场人员安全和设备高效运行。

本实用新型的逆变器模块5包括功率单元、控制单元、采样单元、通讯单元等。逆变器交流进线端连接快速熔断器和预充电回路E与公共直流母线连接，交流输出侧与水冷永磁电机6连接，通讯单元通过通讯总线与中央处理控制器10连接。中央处理控制器10控制逆变器模块5采用主从控制双闭环的方式，即所有永磁电机都有速度环和扭矩环，主机的扭矩作为从机的扭矩限制，或者采用单速度环从机扭矩跟随的方式；保证多台水冷永磁电机6能够输出相同的转速和扭矩，共同驱动负载。并且，任何一台逆变器模块5都可以工作在主机模式下，其他逆变器模块5工作在从机模式下，保证任何一台电机故障时，其他电机都可以正常工作，避免影响系统运行。逆变器模块5通过安装在水冷永磁电机6上的旋转变压器，精确采集速度信号，用来控制电机转速，即通过变频调速的控制方式，控制永磁电机转速。

制动模块主要包括：制动开关8和制动电阻9。制动开关8输入侧与公共直流母线连接，输出侧与制动电阻9连接。制动开关8与制动电阻9配合，用于消耗电机减速时的回馈能量，用于稳定直流电压，避免公共直流母线电压过高造成设备停机。

本实用新型采用水冷永磁电机6，电机转子由永磁体制成，不需要励磁电流，消除了励磁损耗；较高的使用效率降低设备损耗，有效提升石油钻井的经济效益。对比交流异步电机具有较硬的机械特性，对负载变化引起的转矩扰动有较强的承受能力，并且同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电动机比三相异步电动机功率密度大倍以上，所以体积更小，重量更轻。水冷永磁电机6、逆变器功率更小、生产批量大，相比于单台大功率设备采购成本更低。

本实用新型的工作原理：整流模块2将发电机或网电交流供电模块整流成为直流电源，通过滤波器给多个逆变器模块5提供直流电源，用来驱动控制水冷永磁同步发电机组，将多台水冷永磁电机6通过机械耦合方式进行能量的组合，通过机械耦合装置的合力箱输出轴12为负载—泥浆泵，绞车或转盘提供动力。并可根据负载情况选择所投用的电机数量和组合，远程控制模块11通过总线连接中央处理控制器10发送信号给相应的逆变器，当负载较小时，部分电机运转，部分空转，减少电机自身的损耗。同时也可以避免因单台大功率电机故障造成设备停机影响生产的现象。

本实用新型采用新能源永磁同步电机和控制器技术代替进口控制器及现用的直流电机或异步电机，模块推广率高，出货批量大，大大降低装机成本；系统具有更高的效率和功率因数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种石油钻井用动力驱动系统，其特征在于：包括整流模块、滤波模块、公共母线、中央处理控制器、多个逆变器模块、多个水冷永磁电机和多组电机耦合装置，所述的整流模块的交流端用于连接到供电电源，整流模块的直流端通过滤波模块连接到公共母线上；所述的中央处理控制器通过通讯总线分别连接到多个逆变器模块，每个逆变器模块的进线端均连接到公共母线上，每个逆变器模块的功率输出端连接到一台水冷永磁电机的受控端，至少一台水冷永磁电机的输出轴通过机械组合连接到一组机械耦合装置上，机械耦合装置的输出轴作为驱动源。

2.根据权利要求1所述的石油钻井用动力驱动系统，其特征在于：还包括远程控制模块，远程控制模块通过通讯传输连接到中央处理控制器。

3.根据权利要求2所述的石油钻井用动力驱动系统，其特征在于：还包括制动模块，所述的制动模块包括制动开关和制动电阻，制动开关和制动电阻串联后连接到公共母线上。

4.根据权利要求3所述的石油钻井用动力驱动系统，其特征在于：所述的多个逆变器模块并联。

5.根据权利要求4所述的石油钻井用动力驱动系统，其特征在于：所述的整流模块包括快熔熔断器、整流桥、断路器和预充电回路，断路器和预充电回路并联形成回路后一端连接到供电电源，另一端连接到快熔熔断器上，快熔熔断器通过整流桥连接到滤波模块上。

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