Типы приводов и их характеристики

Рис. 16. Зависимость крутящего момента турбомуфты с постоянным наполнением                          от частоты вращения двигателя:

1, 2, 3, 4, 5 и 6 —кривые крутящих моментов  при относительных частотах вращения  двигателя соответственно 1; 0,9; 0,8; 0,7; 0,4 и 0,3

Как видно из графика, при частоте вращения 30—40 % от номинальной крутящий момент на вторичном валу незначителен; в ряде случаев он может быть недостаточен для привода во вращение ненагруженной трансмиссии. Запуск ДВС при применении с регулируемых турбомуфт может осуществляться без отключения трансмиссии. При заторможенной турбомуфте ее максимальный крутящий момент может в несколько раз превосходить номинальный, поэтому турбомуфту следует подбирать так, чтобы в случае внезапных перегрузок трансмиссии и резком снижении частоты вращения не происходило остановки двигателя.

Электродвигатели переменного тока обладают пускорегулировочными характеристиками, не отвечающими требованиям основных исполнительных механизмов буровой установки. Для улучшения характеристик привода применяют турбомуфты. На рис. 17 приведены характеристики синхронного (линия Мдс) и асинхронного (линия Мда) электродвигателей. Для работы с этими двигателями турбомуфта должна быть подобрана так, чтобы ее пусковая характеристика при u=0 (парабола ос) пересекала кривую крутящего момента двигателя Мда в точке с, соответствующей максимальному моменту двигателя Мд mах. В этом случае для пуска может быть использован максимальный момент двигателя, а не по кривой 0d, так как в точке d момент значительно меньше Мд mах. Характеристика входа турбомуфты для выбранного передаточного отношения (например, н=0,9, парабола ob) должна пересекать кривую II крутящего момента М2 в точке 2, где момент имеет номинальное выбранное значение.

Кривые I—VII характеризуют изменение крутящих моментов М2 на выходном валу турбомуфты с различным наполнением при частоте вращения двигателя nд=const. Как видно из графика, если система охлаждения муфты достаточно эффективна, то возможна длительная ее работа при частоте вращения (точки а, 1, 2, 3, 4) ниже номинальной на 15—20 % при номинальном крутящем моменте Мн. Изменение крутящих моментов на трансмиссии привода, как и в ранее рассмотренных случаях, имеет вид ломаной линии 1—2—3—4. При минимальной частоте вращения и номинальной нагрузке привод может работать кратковременно, и он должен быть остановлен в случае достижения максимально допустимой температуры рабочей жидкости, которая обычно устанавливается на 20- 30 °С выше, чем для длительного режима.

 

                      Рис. 17. Характеристика совместной работы электродвигателя переменного тока при n1 = const и турбомуфты с регулируемым наполнением:  I -100%; II - 80%;                       III - 70%;      IV - 60%; V-35%; VI-25%; VII -15%

В силовых приводах с электродвигателями переменного тока и турбомуфтами для отключения двигателей применяют фрикционные муфты. На рис. 18 приведена схема привода бурового насоса с механогидравлической трансмиссией. Для отключения двигателя и улучшения пусковых характеристик в трансмиссии установлены фрикционная муфта и регулируемая турбомуфта.

 

Рис. 18. Схема привода бурового насоса от электродвигателя с                    механогидравлической трансмиссией, nд=const:

1 — буровой насос; 2— клиноременная передача; 3 — трансмиссионный вал; 4 - фрикционная муфта; 5 — первичный вал; 6 — резервуар рабочей жидкости турбомуфты; 7 —турбомуфта с регулируемым наполнением; 8 — синхронный электродвигатель;                        9 - холодильник

Силовой агрегат синхронный электродвигатель — турбо муфта с регулируемым наполнением бурового насоса показан на рис.19, а на рис. 20 приведена его пусковая характеристика. Буровой насос подключен прямо к скважине без пусковых задвижек. Пуск двигателя осуществляется при опорожненной турбомуфте (точка а), затем начинается пассивный разгон бурового насоса (до точки 6), потом активный до получения полного давления насоса Рmах. Таким образом, привод от электродвигателей переменного тока с нерегулируемой частотой вращения при совместной работе с регулируемой турбомуфтой может обеспечить только плавность пуска и не обеспечивает длительного режима работы насосов и ротора. Поэтому силовые агрегаты электродвигатель переменного тока — регулируемая турбомуфта можно использовать в буровых установках для бурения неглубоких скважин с легкими условиями бурения на электрифицированных нефтепромыслах. 

 

 

 

Рис. 19. Силовой агрегат АЭГ600 синхронный электродвигатель — регулируемая турбомуфта:

7 — синхронный электродвигатель; 3 — турбомуфта; 3 — напорный бак; 4 — теплообменник; 5—пульт управления; 6 —ферма; 7 — трубопроводы; 8 — фрикционная муфта; 9 — шкив; 10 — рама; 11 — подрамник

Рис. 20. Пусковая характеристика привода насоса от агрегата электродвигатель — турбомуфта с регулируемым наполнением: n1 , n2 и n3 — частоты вращения валов соответственно двигателя, турбинного колеса, турбомуфты; Рн — давление на выходе насоса, МПа; Тп и Та — периоды пассивного и активного разгона трансмиссии

Полуавтоматические трансмиссии с электродинамическими муфтами скольжения (ЭМС) применяют для тех же целей, что и трансмиссии с турбомуфтами, однако характеристика и динамические свойства электродинамических муфт отличаются от свойств турбомуфт.

 

СОВМЕСТНАЯ И ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для увеличения надежности и маневренности, повышения коэффициента использования установленной мощности в буровых установках часто применяют групповые или индивидуальные многодвигательные приводы. Электродвигатели (не более четырех) блокируют как параллельно, так и последовательно для передачи мощности на один вал приводов лебедок или насосов. ДВС блокируют только параллельно (от двух до четырех) в общем приводе агрегатов (лебедка, насосы и ротор).

Для группового привода необходимо, чтобы двигатели равномерно нагружались и каждый двигатель мог бы отдавать полную мощность. Это условие должно выполняться в процессе работы при различных частотах вращения трансмиссии. Однако оно трудновыполнимо, потому что внешние характеристики двигателей всегда отличаются одна от другой вследствие различного количества энергии, подводимой к каждому двигателю. Это объясняется тем, что характеристики устройств, регулирующих подачу энергии, всегда различны и зависят от отклонения размеров деталей, степени, их износа и др. Даже синхронные электродвигатели, имеющие теоретически одну частоту вращения, в результате проскальзывания полюсов и колебаний тока не могут работать параллельно на один вал без муфт скольжения.

На рис. 21 показаны совмещенные характеристики двух ДВС, работающих на общую трансмиссию. В первом случае (рис. 21, а) двигатели отрегулированы так, что на холостом ходу при частоте вращения nх (точка a12) мощности обоих двигателей одинаковы: Nx1 = Nx2. При работе же под нагрузкой при рабочей частоте вращения nр мощности их неодинаковы: N1 >N2 (точки b1 и b2), и суммарная мощность двух двигателей может не равняться сумме их номинальных мощностей. Во втором случае (рис. 21, б) двигатели отрегулированы так, что при рабочей частоте вращения nр двигатели развивают одинаковую мощность (точка b12) N1 = N2. При работе на холостом ходу при частоте вращения nх каждый из двигателей будет развивать различную мощность Nx1>Nx2 (точки а1 и а2), и на всех других режимах двигатели не будут нагружены одинаково. В групповых приводах буровых установок, если несколько ДВС работают на одну общую трансмиссию, то всегда при жесткой блокировке суммарная мощность нескольких двигателей не равна сумме их номинальных мощностей:

N∑=α∑Nдi, где α — коэффициент суммирования мощности, зависящий от точности регулирования системы управления и питания двигателей (для двух ДВС α=0,8-0,95; для трех ДВС α=0,7-0,92, для четырех ДВС α = 0,6-0,8); Nдi — мощность каждого двигателя.

Поэтому в один привод не блокируют более четырех ДВС в связи с понижением их суммарной мощности. То же наблюдается и при электродвигателях переменного тока, однако индивидуальной регулировки они не допускают. В случае блокирования жесткой передачей нескольких асинхронных двигателей для передачи их мощности на общий вал происходит их неравномерная нагрузка при одинаковой частоте вращения.

Если в трансмиссии применяют устройства, допускающие скольжение (электрические муфты, турбопередачи и др.), то частоты вращения каждого двигателя будут различные и суммарная мощность привода в этом случае

 N∑=η∑Nдi ,где η — к.п.д. устройства, допускающего скольжение.

 

Рис. 21. Совмещенные внешние характеристики двух ДВС, работающих на общую механическую трансмиссию: а — на холостом ходу; б — при работе под нагрузкой; 1 и 2 —внешние характеристики первого и второго ДВС

Устойчивая работа двигателей и трансмиссии обеспечивается в том случае, если на части кривой характеристики двигателя его момент Мд равен моменту сопротивления Мс. Устойчивый режим соответствует точке пересечения линий Мд и Мс (рис. 22).

Условие устойчивого режима определяется неравенством

 

(ω — угловая скорость).

На рис. 22 приведены характеристики работы двигателей. Устойчивая работа (рис. 22, а) характеризуется тем, что при изменении момента сопротивления от Мс′ до Мс" ускоряющий момент Мд — Мс уменьшается; в результате увеличивается угловая скорость. Из рис. IV.30, б видно, что изменение режима нагрузки от Мс′ до Мс" при замедлении вращения невозможно, так как Мc">Мд, а при изменении режима нагрузки от Мс' до Мс" ускоряющий момент увеличивается и происходит неограниченный разгон двигателя. В связи с этим установившийся режим в пределах рабочего диапазона частот вращения двигателя в таком случае невозможен без изменения количества подаваемой двигателю энергии. Устойчивость работы двигателей зависит от свойств регулятора и способности его изменять количество подводимой энергии в соответствии с характером изменения момента сопротивления.

Рис. 22. Характеристики работы двигателя:

а — устойчивая; б — неустойчивая