Лекции См.Если нет в ответах. Учебное пособие для студентов специальности 140604 Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов
 Скачать 4.39 Mb.
|
2.3.2. Индукционные электромагнитные муфты.Индукционная электромагнитная муфта является разновидностью муфты скольжения и отличается конструкцией якоря, который выполнен из массивного стального сердечника. В этом сердечнике при вращении якоря в магнитном поле будут наводится большие вихревые токи. Взаимодействие этих токов с полем индуктора создает вращающий момент. По конструкции проще и надежнее муфты скольжения, но они имеют более низкий КПД, т.к. часть энергии идет на нагрев массивного якоря вихревыми токами. Свойства индукционных муфт аналогичны свойствам муфт скольжения. 2.3.3. Электропорошковые муфты.Устройство электромагнитной порошковой муфты (ЭПМ) показано на рис. 4, а. В воздушном зазоре между двумя вращающимися частями муфты (ведущей 1 и ведомой 2) помещен железный ферромагнитный зернистый порошок 3, смешанный с сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторное масло) наполнителем. Сердечник индуктора 4 с обмоткой возбуждения 5 неподвижен и конструктивно отделен от ведущей части воздушным зазором 6. Следовательно, ни на ведущей, ни на ведомой частях ЭПМ нет обмоток, что повышает надежность муфты из-за отсутствия скользящих контактов. Принцип работы ЭПМ заключается в следующем. Когда в обмотку возбуждения 5 индуктора 4 подается ток Iв, то образуется магнитное поле, силовые линии которого замыкаются через сердечники подвижной 1 и неподвижной 2 частей муфты, и зазор 3 с наполнителем между ними. Под действием магнитного поля ферромагнитные зерна и располагаются вдоль силовых линий, т.е. поперек воздушного зазора. Вязкость среды между ведущей и ведомой частями резко возрастает. Появляется тангенциальная сила, обеспечивающая сдвиг ведомой части муфты относительно ведущей и создание вращающего момента. Чем больше ток возбуждения, тем больший момент может передать муфта (рис. 4, б).  а) б) в)   Р п, об/мин ис. 4. Электромагнитные порошковая муфта и тормоз: а – конструктивная схема; б – зависимость момента муфты от тока возбуждения; г – механическая характеристика электромагнитного порошкового тормоза ТЭП-4500. Если момент сопротивления на ведомом валу превысит максимальный момент развиваемый муфтой, то начнется проскальзывание ведомой части относительно ведущей, что приведет к нагреву порошка и при температуре около 300 ºС его объем резко увеличится и может произойти заклинивание муфты. Поэтому электромагнитные муфты следует интенсивно охлаждать. Механическая характеристика ЭПМ является жесткой, и момент, передаваемый ЭПМ при неизменном токе возбуждения, практически не зависит от частоты вращения. Для получения тормозных свойств достаточно закрепить неподвижно одну из частей ЭПМ, а другую связать с валом, который необходимо тормозить. В момент начала торможения включается обмотка возбуждения, что вызывает затягивание ферромагнитной смеси в зазор и появление тангенциальной силы, тормозящей вал. Энергия торможения выделяется в виде тепла, поэтому электропорошковый тормоз необходимо интенсивно охлаждать. У электромагнитного порошкового тормоза при изменении частоты вращения вала от 0 до 100 об/мин момент практически не меняется. Дальнейшее увеличение частоты вращения вала приводит к уменьшению тормозного момента на 20-30 % из-за действия центробежных сил на частицы порошка (рис. 4, в). 2.4. Электропривод буровых лебедок.2.4.1. Общая характеристика режима работы электропривода БЛ. Кроме подъема и спуска колонны бурильных труб (КБТ) с помощью буровой лебедки часто осуществляют свинчивание и развинчивание труб, их перенос и установку, подъем и опускание незагруженного элеватора, а также подачу долота на забой. В современных буровых установках применяют вспомогательные двигатели для выполнения вспомогательных работ. В этом случае буровая лебедка используется только для подъема и спуска КБТ. Причем для подъема КБТ служат приводные двигатели лебедки, а для спуска электромагнитные тормоза индукционного или электропорошкового типа или приводные двигатели в режиме динамического или рекуперативного торможения. Подъем КБТ состоит их отдельных циклов, число которых равняется числу свечей. За время одного цикла происходит подъем на высоту одной свечи (25-37м.), затем ее отвинчивают, переносят и устанавливают, после чего цикл повторяется. Процесс перемещения бурильных труб на одну свечу характеризуется наличием трех периодов. 1. Разгон колонны в течение времени tр, т.е. увеличение скорости от нуля до некоторого установившегося значения. 2. Равномерное движение с установившейся скоростью Vуст в течение времени tу. 3. Замедление колонны, т.е. уменьшение скорости от установившегося значения до нуля с посадкой на клинья в течение времени tз, tв – время вспомогательных операций).   Рис. 5. Диаграммы скорости и момента. По мере подъема КБТ ее вес (Q) дискретно уменьшается и соответственно изменяется момент статического сопротивления (Мс) на валу приводного электродвигателя. Причем в период разгона КБТ момент Мр на валу электродвигателя будет больше статического момента Мс за счет дополнительного усилия для преодоления инерции при разгоне. При замедлении колонны момент Мз будет меньше статического момента на величину динамического момента при торможении. Так как время работы привода лебедки при подъеме КБТ прерывается паузами для отвинчивания, переноса и установки труб, спуска крюка с незагруженным элеватором, режим работы привода лебедки повторно-кратковременный, с относительной продолжительностью включения 25-40%. Диаграммы скорости и момента представлены на рис. 5. 2.4.2. Требования к электроприводу буровой лебедки. Электропривод буровой лебедки (БЛ) должен обеспечивать процесс подъема колонны бурильных труб за минимальное время и с наименьшими потерями энергии. Для обеспечения процесса подъема колонны труб в оптимальном режиме двигатель должен развивать такой момент и иметь такую мощность, чтобы их было достаточно для преодоления сил трения и подъема полного веса колонны при работе на низшей передаче редуктора, а также двигатель должен выдерживать частые включения и отключения для обеспечения повторно-кратковременного режима работы. Для этого применяются: реостатный пуск асинхронных двигателей с фазным ротором, пуск двигателей на холостом ходу с последующим подключением нагрузки с помощью электромагнитной муфты, пуск двигателей постоянного тока плавным повышением напряжения. Интенсивность ускорения в процессе разгона при подъеме колонны зависит от пусковой характеристики электропривода и определяется превышением момента, развиваемого двигателем в процессе пуска, над моментом сопротивления. Наибольшая величина превышения ограничивается максимальным моментом, который может развить двигатель. Для обеспечения быстрого с максимально допустимым ускорением разгона колонны двигатель БЛ должен обладать высоким пусковым моментом в процессе всего разгона и высокой перегрузочной способностью. Для асинхронных двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, кратность максимального момента должна быть не менее λ=2,5…2,8. Это может быть обеспечено включением реостатов в цепь фазного ротора. Для подъема колонны весом Q со скоростью Vуст потребуется мощность: Рп=Q·Vуст. При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления на валу двигателя мощностью Pд, наибольшая производительность лебедки и полная загрузка привода может быть достигнута, если по мере подъема труб, скорость подъема увеличивается, то есть выполняется условие:  ,где Мб – момент сопротивления на валу барабана лебедки; ωб – угловая скорость барабана лебедки; η – кпд передач от двигателя к барабану лебедки. Таким образом электропривод БЛ должен обеспечивать многоступенчатое регулирование скорости вращения. Передаточные числа, число передач и диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие Рд = Рном = const и механическая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности, которой в координатах Мб, б соответствует кривая 1 (рис. 6). В случае если скорость подъема колонны регулируется с помощью четырехскоростной (I, II, III, IV) трансмиссии и в качестве привода используется синхронный двигатель, у которого скорость не зависит от момента, вместо непрерывной параболы в координатах М, ω получаем четырехступенчатую ломаную абвгдежз, проходящую ниже кривой 1.   Рис. 6. Зависимость скорости подъема колонны от нагрузки на крюке. Таким образом, потребляемая от двигателя мощность при любом весе колонны (кроме точек а, в, д, ж) будет меньше номинальной и двигатель будет практически всегда недогружен. При этом КПД и коэффициент мощности двигателя будут ниже номинальных, что приведет к повышению потерь электрической энергии как в двигателе, так и в питающей сети. Если двигатель БЛ будет иметь механическую характеристику как у асинхронного двигателя с некоторым наклоном рабочего участка, то при снижении веса на крюке скорость двигателя будет несколько возрастать. При этом будет расти и скорость подъема колонны и вместо горизонтальных участков аб, вг, де, жз получим кривые, приближающиеся к кривой 1 (показаны пунктиром). При этом нагрузка двигателя будет приближаться к номинальной. Таким образом, при ступенчатом регулировании скорости подъема колонны с помощью трансмиссий для оптимизации режима нагрузки, двигатель должен иметь мягкую механическую характеристику. Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для выполнения условия постоянства мощности двигателя можно также бесступенчато с помощью электропривода с широким диапазоном регулирования частоты вращения. При этом, чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода. При наличии электропривода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения возможно уменьшение ступеней механической передачи. В отечественной и зарубежной практике широкое применение нашел двухдвигательный привод. Такой привод обеспечивает работу с пониженной производительностью в случае выхода из строя одного из двигателей, а также позволяет отключить один из двигателей при снижении нагрузки, что дает экономию электрической энергии. Однако два двигателя половинной мощности тяжелее и дороже, чем один двигатель большей мощности. Кроме того требуется устройство для равномерного распределения нагрузки между двумя двигателями, работающими на один вал. Для большей части современных буровых установок экономически целесообразно применение однодвигательного варианта. Многодвигательный вариант привода БЛ удобен для облегчения условий транспортировки блоков и в других случаях. В выпускаемых ранее буровых установках ЭП лебедки осуществлялся АД с фазным ротором. Применение короткозамкнутых АД и СД ограничивается тем, что эти двигатели не допускают большой частоты включения, а системы их управления не позволяют получать простыми схемами плавный разгон, реверсирование и снижение частоты вращения привода. В ряде буровых установок для привода лебедки используются СД в сочетании с электромагнитными муфтами, работающие в режиме постоянного вращения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напряжение 6 кВ, что позволяет исключить промежуточную трансформацию напряжения. В дальнейшем следует ожидать повышения рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ. Для электропривода буровой лебедки в отечественных буровых установках находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором серий АКБ и АКСБ, синхронные двигатели СДЗБ, СДБО, двигатели постоянного тока П2, МПП и др. В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки наиболее целесообразным может оказаться электропривод постоянного тока. Такой электропривод можно выполнить безредукторным и его можно использовать в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока используется в системе регулирования скорости, выполненной по схеме ТП-Д, в буровых установках БУ2500ЭП, БУ6500 и в морских БУ. 2.4.3. Выбор мощности двигателя буровой лебедки. Электродвигатели БЛ выбирают по мощности и конструктивному исполнению, а затем проверяют по нагреву методом эквивалентного момента и по максимальному моменту на перегрузку. Для привода БЛ применяют двигатели для работы в повторно-кратковременном режиме с переменной продолжительностью цикла и переменным моментом статического сопротивления на валу. Поэтому на первом этапе, по основным параметрам буровой лебедки, по приближенной формуле, определяют мощность двигателя Рд.л. Затем, выбрав двигатель БЛ и рассчитав его действительную нагрузочную диаграмму, выполняют проверочный расчет мощности методом эквивалентного момента или тока. При расчете мощности двигателя учитывают грузоподъемность на крюке, установившуюся скорость подъема крюка с номинальной нагрузкой, а также кпд подъемной установки и коэффициент возможной перегрузки двигателя, который устанавливается в пределах 1,3-1,45. Для предварительного определения требуемой мощности (кВт) двигателя наиболее простой является формула:  ,где Qн – номинальная грузоподъемность на крюке, кН; υкр – установившаяся скорость подъема крюка с номинальной нагрузкой, соответствующая оптимальному значению мощности, м/с; ηпу – 0,7÷0,8 – КПД подъемной установки от вала двигателя до крюка при номинальной грузоподъемности; kп = 1,3÷1,45 – коэффициент возможной перегрузки двигателей. Рассчитав по приближенной формуле мощность двигателя и пользуясь нагрузочной диаграммой, определяют эквивалентный момент двигателя Мэд, который должен быть меньше номинального момента двигателя, выбранного предварительно. На каждой передаче редуктора должно выполняться условие:  .Если данное условие не выполняется, можно выбрать двигатель следующего габарита, либо уменьшить число свеч, поднимаемых на той передаче, где не выполняется это условие. Проверка электродвигателя на перегрузочную способность производится на каждой из передач редуктора по условию: Мдmax>Mcmax. Значение максимального момента сопротивления Mcmax определяется как момент сопротивления от начального (наибольшего) веса колонны на каждой передаче. Следует иметь ввиду, что при разгоне колонны момент сопротивления на валу двигателя дополнительно увеличивается на величину динамического момента (рис. 5, б). Если для привода лебедки применен двигатель постоянного тока с регулированием частоты вращения изменением магнитного потока, а также, если продолжительность периодов пуска двигателя составляет существенную часть времени цикла, то проверку двигателя следует производить по формуле эквивалентного тока, более сложной, но дающей более точные результаты, чем формула эквивалентного момента. При двухдвигательном приводе каждый двигатель выбирается половинной мощности, с обязательной проверкой возможности подъема одним двигателем инструмента максимального веса на первой передаче лебедки. Таким образом, к электроприводу буровой лебедки, работающему в режиме подъема КБТ, предъявляются следующие требования: 1. Он должен иметь возможность регулирования скорости в режиме постоянной мощности и иметь необходимый диапазон регулирования скорости. 2. Должен иметь достаточную перегрузочную способность для выполнения операций, связанных с ликвидацией аварий и расхаживанием колонны обсадных труб. 3. Должен обеспечивать работоспособность в повторно-кратковременном режиме с изменяющейся от цикла к циклу относительной продолжительностью включения. 2.4.4. Электропривод буровой лебедки в режиме подъема. 1. Электропривод БЛ на базе асинхронного двигателя с фазным ротором. ЭП буровой лебедки ранее выпускавшихся буровых установок оснащен АД с фазным ротором и релейно-контактными системами переключений ступеней сопротивлений в цепи ротора. Для уменьшения числа ступеней в последней ступени использован активно-индуктивный контур. Структурная схема электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис. 7. Электропривод содержит приводной асинхронный двигатель АД с пусковыми реостатами ПР, редуктор Р, буровую лебедку БЛ и электротормоз ЭТ.  Рис. 7. Структурная схема асинхронного электропривода с фазным ротором. Пуск и разгон АД после включения разъединителя QS и реверсивного контактора Q1, Q2 производится под нагрузкой. При этом для успешного разгона необходимо, чтобы в процессе всего разгона момент, развиваемый двигателем, был больше статического момента сопротивления, причем на такую величину, чтобы обеспечить разгон за заданное время. Для обеспечения высокого пускового момента в цепь ротора включаются пусковые реостаты ПР, а также дроссель (катушка индуктивности)L. Кроме трех пусковых реостатов в каждую фазу в цепь ротора введен невыключаемый реостат R4. Процесс пуска двигателя начинается при всех включенных реостатах, т.е. по механической характеристике 1 (рис. 8). При этом двигатель имеет пусковой момент Мп1 (точка «а»). Пусковой момент Мп1 составляет обычно не более 60% от Ммакс. Это необходимо для снижения механических ударов при выборе зазоров и люфтов в трансмиссиях. На участке аб двигатель разгоняется по 1-ой характеристике.  Ммакс Мс М   Рис. 8. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором. К моменту достижения точки «б» выбираются все зазоры и люфты и должен начаться подъем колонны. Поэтому в момент достижения точки «б» автоматически включаются контакты К1 и реостаты R1 оказываются закороченными (выключенными). При этом рабочая точка с характеристики 1 переходит на характеристику 2 в точке «в». Точке «в» соответствует достаточно большой развиваемый двигателем момент, которого достаточно для трогания колонны с места и разгона по характеристике 2. В точке «г» автоматически включаются контакты К2, что приводит к выключению реостатов R2. Рабочая точка переходит на характеристику 3 в точку «д». В схеме остаются только реостаты R3 и R4. Когда в цепи ротора останутся только дроссель и невыключаемые реостаты R4, процесс разгона по характеристике 4 продолжается до тех пор, пока момент Мi, развиваемый двигателем, не снизится до статического момента сопротивления Мс на валу, обусловленного весом колонны, то есть до точки «з», где процесс разгона заканчивается и начинается этап подъема колонны с установившейся скоростью. Дроссель L в цепи ротора служит для снижения бросков момента, а также бросков тока ротора и статора при переходе с одной характеристики на другую. Частота тока ротора f2 изменяется в процессе разгона от f1=50 Гц при пуске до 1…2 Гц при номинальных оборотах. При снижении частоты f2 постепенно снижается индуктивное сопротивление и плавно растет ток ротора, что и приводит к снижению бросков тока и момента при переключении с одной характеристики на другую. Ротор асинхронного двигателя связан с валом лебедки через четырехступенчатый редуктор Р, который служит для ступенчатого изменения скорости подъема колонны. |