Типы приводов и их характеристики

К недостаткам ДВС относится невозможность их запуска под нагрузкой. Для этого надо устанавливать в трансмиссиях фрикционные муфты. Кроме того, мощность двигателя зависит от давления, температуры и влажности окружающего воздуха. Практически принимают потерю мощности на 1 % при увеличении высоты над уровнем моря на 100 м и потерю (или увеличение) мощности на 1 % при повышении (или снижении) температуры окружающей среды на каждые 6 °С.

Тепловая энергия, потребляемая одним ДВС на буровых, составляет 40—60 МДж/ч при    к. п. д., равном 0,25-0,35 (в зависимости от конструкции и состояния двигателя), а часовой расход топлива составляет 220—300 г/(кВт× ч).

Наиболее широко распространены дизели с наддувом, однако не любой их тип можно использовать в буровой установке. ДВС должен быть приспособлен к работе на переменных режимах и к длительной работе на холостом ходу.

Как видно из рис. 1, крутящий момент ДВС изменяется в узких пределах, а частота вращения — в широком диапазоне, поэтому в тяжелых буровых установках для привода лебедок применяют двигатель со средствами искусственной приспособляемости с целью трансформации как момента, так и частоты вращения. ДВС используются непосредственно в приводах насосов, когда диапазон регулирования подачи должен быть менее 1,5.

Электродвигатели

Под внешней или механической характеристикой электродвигателя подразумевают зависимость крутящего момента от частоты вращения, напряжения, силы тока и магнитного потока в якоре. В каталогах указывают номинальные пусковые и рабочие характеристики, т. е. мощность, крутящий момент и к. п. д. двигателя при номинальном напряжении тока на клеммах двигателя и температуре окружающей среды 20 °С. Так как мощность двигателя ограничивается температурой нагрева его обмотки, то в зависимости от температуры окружающей среды, условий охлаждения и длительности действия нагрузки электродвигатель может развивать мощность и момент, отличающиеся от указанных в каталоге. 

В буровых установках для привода главных и вспомогательных исполнительных механизмов применяют электродвигатели следующих типов: асинхронные трехфазного переменного тока с короткозамкнутым или фазным ротором; синхронные трехфазного переменного тока; постоянного тока с различными схемами возбуждения.

На рис. 2 приведены механические характеристики электродвигателей. Различают три вида характеристик:

абсолютно жесткая (линия 1)—частота вращения при изменении момента постоянна; такой характеристикой обладают синхронные электродвигатели;

жесткая (кривая 2) — с увеличением момента частота вращения уменьшается незначительно; такой характеристикой обладают асинхронные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока параллельного и независимого возбуждения; 

 гибкая (кривая 3)—при большом изменении момента значительно изменяется частота вращения; такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока  последовательного возбуждения.

 При длительных  режимах работы электродвигатели  используются в пределах номинального  крутящего момента (точки А и A1), при кратковременных перегрузках двигатели могут развивать большие характеристики электромоменты (точка В).

Рис. 2. Внешние механические характеристики электродвигателей

 Частота  вращения электродвигателя и  развиваемый им момент могут  изменяться до определенного  предела автоматически без воздействия  каких-либо внешних регуляторов. В этом случае автоматическим регулятором является противоэлектродвижущая сила самого двигателя, которая увеличивается по мере возрастания нагрузки. Такую характеристику будем называть естественной. Естественные характеристики электродвигателей можно изменять при помощи регулирующих устройств, на которые воздействует оператор; такие характеристики называют искусственными.

Для правильного выбора двигателя силового привода важно знать, как будут изменяться его основные параметры, т. е. крутящий момент М, частота вращения п и мощность N, в зависимости от нагрузки и изменения напряжения и частоты тока в питающей сети. Электродвигатели, применяемые в буровых установках, работают на открытом воздухе и защищены от попадания газа, влаги, пыли и грязи, а иногда, например в морских буровых установках, требуется взрывобезопасное исполнение. 

Для асинхронных электродвигателей переменного трехфазного тока определяют номинальное скольжение

S=(nс –nн)/ nс , где nс = 60f/z — синхронная частота вращения, об/мин; f — частота тока, для промышленных сетей f=50 Гц; z — число пар полюсов; nн — номинальная частота вращения, об/мин.

Крутящий момент М пропорционален квадрату питающего напряжения, поэтому рассматриваемый привод весьма чувствителен к колебаниям напряжения в сетях. Крутящий момент обратно пропорционален квадрату частоты тока сети.

Для силовых приводов буровых установок с питанием от общепромышленных сетей переменного тока при допускаемом колебании напряжения от +5 до —10% максимальный момент может уменьшаться до 0,8 номинального, указанного в каталогах. При пуске электродвигателей сила тока увеличивается, напряжение в сети падает иногда ниже допустимых пределов. В связи с этим асинхронные двигатели должны обладать высокой перегрузочной способностью даже в период падения напряжения и возрастания пусковых моментов сопротивления. При относительно небольшой силе пускового тока эти двигатели должны развивать необходимый крутящий момент.

Рис. 3. Внешние характеристики асинхронных двигателей                                    переменного трехфазного тока

На рис. 3 приведены внешние характеристики асинхронных электродвигателей переменного трехфазного тока. Кривая 1 соответствует изменению силы потребляемого тока, кривая 2— изменению крутящего момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и номинальным моментом (точка А).

Электродвигатель с фазным ротором имеет контактные кольца, что позволяет при пуске вводить ступенчато в цепь ротора добавочные сопротивления, определяющие искусственные характеристики (кривые 3, 3', 3" и 3′" ). При введении добавочного активного сопротивления увеличивается полное сопротивление роторной цепи, благодаря чему снижаются пусковой момент и частота вращения. Максимальные моменты остаются неизменными (точки Б, Б1, Б2). Активное сопротивление в реостате роторной цепи регулируют так, чтобы переключение с одной реостатной характеристики на другую происходило при расчетных значениях моментов переключения. По окончании пуска сопротивление в цепи ротора уменьшают, и двигатель далее работает при параметрах, соответствующих двигателю с короткозамкнутым ротором (кривая 2).

Существуют конструкции электродвигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором и повышенным скольжением, в которых номинальный крутящий момент развивается при несколько большем скольжении (кривая 4, точка А1). Однако эти двигатели имеют низкий к. п. д. и требуют системы охлаждения. Их пусковая характеристика мало отличается от пусковой характеристики обычных короткозамкнутых двигателей. По этим причинам электродвигатели этого типа для привода главных исполнительных механизмов буровых установок не применяют.

Улучшение пусковых и рабочих характеристик, т. е. повышение диапазона регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей переменного тока, представляет собой сложную задачу и связано с необходимостью включать в цепь ротора различные устройства, которые либо поглощают много энергии (сопротивления, при которых к. п. д. снижается пропорционально скольжению), либо требуют сложной регулирующей аппаратуры, удорожающей силовой привод и снижающей его надежность. При повторно-кратковременном режиме работы эти двигатели ухудшают коэффициент мощности в сетях электроснабжения.

Синхронный электродвигатель отличается от асинхронного тем, что он снабжен генератором постоянного тока, служащим для намагничивания ротора. В связи с этим ротор вращается синхронно с частотой вращения, пропорциональной частоте тока и обратно пропорциональной числу пар полюсов. Частоту вращения можно регулировать только изменением частоты питающего напряжения. Момент, развиваемый двигателем, пропорционален первой степени напряжения. Перегрузочную способность двигателя можно повысить увеличением тока возбуждения.

Ротор синхронного двигателя снабжен короткозамкнутой обмоткой, и его пусковые характеристики определяются пусковой характеристикой этой обмотки, которая придает синхронному двигателю в начальный момент пуска свойства асинхронного короткозамкнутого двигателя. Для того чтобы этот двигатель начал работать как синхронный, частота вращения его ротора должна достичь частоты тока, что возможно только, если момент сопротивления трансмиссии незначителен, обычно менее 0,6 Мн. После того как ротор двигателя достигнет синхронной частоты вращения, двигатель приобретает синхронную характеристику. По этим причинам двигатель этого типа не может работать в приводах главных исполнительных механизмов буровых установок без соответствующих средств искусственной приспособляемости в трансмиссиях.

Большой недостаток синхронных электродвигателей — невозможность работы параллельно двух двигателей на один вал, что не только снижает надежность системы, но и увеличивает динамические нагрузки в трансмиссии, так как динамический момент ротора одного двигателя намного больше момента двух двигателей такой же суммарной мощностью.

К недостаткам этих двигателей относится большой динамический момент ротора, что при постоянной частоте вращения вызывает дополнительные динамические нагрузки в трансмиссии и при отсутствии амортизирующих упругих устройств в трансмиссии сильно сокращает срок ее службы. Кроме того, большая сила пускового тока, требующая мощных промысловых сетей для обеспечения прямого пуска, также является недостатком синхронных двигателей. Единственное эксплуатационное преимущество синхронного двигателя — его способность отдавать в сеть реактивную мощность, необходимую для повышения коэффициента мощности.

Электродвигатели постоянного тока обладают гибкой характеристикой, обеспечивающей глубокое и плавное регулирование частоты вращения и крутящего момента, плавность разгона при пусках и торможения при остановках. Благодаря этим свойствам значительно упрощаются трансмиссии и уменьшаются динамические нагрузки в них. Недостатком этих двигателей является необходимость иметь выпрямители переменного тока при питании их от промышленных сетей или иметь на буровой генераторную станцию постоянного тока.

Частоту вращения двигателей постоянного тока регулируют изменением напряжения в якоре или силы тока возбуждения двигателя. Поскольку для изменения напряжения на зажимах якоря электродвигателя необходимо изменять силу тока возбуждения, управление двигателем постоянного тока осуществляется в цепях возбуждения, т. е. в цепях сравнительно малой мощности, что упрощает пусковую аппаратуру и повышает надежность системы.

Характеристики двигателей постоянного тока зависят от способа возбуждения. Различают три основных способа возбуждения: параллельное, последовательное и комбинированное (смешанное).

На рис. 4 приведены механические характеристики электродвигателей постоянного тока при различных способах возбуждения и к. п. д. двигателя с последовательным возбуждением (кривая 4). При параллельном возбуждении (кривая 1) с изменением нагрузки магнитный поток не изменяется, поэтому пределы регулирования момента определяются сопротивлением цепи якоря. При последовательном возбуждении (кривая 2) магнитный поток зависит от силы тока при нагрузке; в этом случае на механическую характеристику влияют магнитный поток и сопротивление в цепи якоря. При смешанном возбуждении (кривая 3) суммарный магнитный поток, действующий в электродвигателе, определяется двумя составляющими: постоянной, создаваемой обмоткой параллельного возбуждения, и переменной, создаваемой обмоткой последовательного возбуждения.

Рис. 4. Характеристики электродвигателей постоянного тока с                                                  различными способами возбуждения:

А1, А2 и Аз — рабочие диапазоны регулирования частоты вращения электродвигателей соответственно с параллельным, смешанным и последовательным возбуждением

В буровых установках применяют электродвигатели с последовательным или смешанным возбуждением, которые должны обладать диапазонами регулирования частоты вращения и крутящего момента: для привода лебедки и ротора Rд=2-3, для привода насосов Rд =2,5-4,5. Мощность одного двигателя для привода лебёдки и насосов должна быть 300—1000 кВт, для ротора — 200—700 кВт. Диапазон регулирования крутящего момента двигателей постоянного тока ограничивается температурой нагрева обмотки, которая зависит от величины тока, конструкции двигателя, его системы охлаждения и длительности режима нагружения. Поэтому приведенные диапазоны являются ориентировочными. Двигатели постоянного тока могут работать в повторно-кратковременном режиме, развивая наибольший крутящий момент.

  На рис. 5, а приведена заводская характеристика двигателя постоянного тока номинальной мощностью 660 кВт при длительной работе, развивающего крутящий момент 5,8 кН • м при 1100 об/мин. При одних и тех же условиях охлаждения (рис.5, б) этот двигатель развивает различную мощность в зависимости от режима нагружения и времени действия нагрузки.

Рис. 5. Характеристики бурового двигателя постоянного тока с воздушным охлаждением:

а — зависимости крутящего момента М от частоты вращения n, силы тока I и напряжения возбуждения В: б — допустимое время действия различных нагрузок

Преимущества электродвигателей переменного тока в приводе буровых установок перед ДВС заключаются в том, что значительно упрощается конструкция трансмиссий и оснований установки и нет необходимости подвоза топлива.