Лекции См.Если нет в ответах. Учебное пособие для студентов специальности 140604 Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов
 Скачать 4.39 Mb.
|
3.2. Особенности конструкции ЭД станка-качалки.Используемые в электроприводе станка-качалки асинхронные электродвигатели с КЗ ротором серии 4А, 5А, АИР и др. имеют повышенный пусковой момент  , который обеспечивается за счет специальной конструкции обмотки ротора (это может быть или глубокопазная обмотка (10:1) или двойная беличья клетка), причем внутренняя клетка выполнена из меди, а наружная из латуни, имеющей большее удельное сопротивление, чем медь. Для повышения пускового момента используется эффект вытеснения тока на поверхность при пуске. После вытеснения тока на поверхность сечение проводника, по которому течет ток, уменьшается, при этом активное сопротивление обмотки ротора увеличивается и момент, развиваемый ЭД при пуске, возрастает, так как он пропорционален приведенному активному сопротивлению обмотки ротора. После разгона двигателя распределение тока по сечению проводника выравнивается, активное сопротивление уменьшается и момент становится равным номинальному. ;  .Кроме АД с КЗ ротором находятся в опытной эксплуатации синхронные двигатели, которые могут регулировать коэффициент мощности сети при работе в режиме перевозбуждения. 3.3. Выбор мощности ЭД станков-качалок.При выборе мощности ЭД возможны две задачи. Первая задача возникает при уточнении мощности ЭД станка-качалки. Такой случай возможен при отклонении дебита скважины от запланированного, а также при изменении режима работы скважины. В этом случае подбор ЭД целесообразно производить по нагрузочной диаграмме мощности или момента. Режим работы ЭД длительный с циклически изменяющейся нагрузкой. Для выбора мощности ЭД достаточно рассмотреть один цикл работы (одно качание) и привести переменную нагрузку к неизменной стандартной. При этом используется один из методов: метод эквивалентного момента, эквивалентной мощности или эквивалентного тока. Эквивалентную или эффективную мощность Рэ электродвигателя определяют по формуле:  ,где t1, t2 – время интервалов; Р1, Р2 – средние значения мощности в интервале. Требуемая номинальная мощность электродвигателя Рном определяется по условию:  .График нагрузки на валу двигателя может быть получен по показаниям ваттметра, установленного в одной из фаз статора двигателя. Вторая задача возникает при расчете мощности ЭД для вновь вводимой скважины. В этом случае для определения эффективной мощности нагрузки обычно используют формулы с учетом величины подачи насоса, глубины подвески насоса и технических параметров станка-качалки. Согласно формуле Б.М. Плюща и В. О. Саркисяна эффективная мощность электродвигателя определяется по формуле:  ,где G – масса столба жидкости над плунжером, определяемая полной площадью плунжера и высотой подачи жидкости; S – длина хода устьевого штока; n – число качаний в секунду; ηп – КПД передачи от вала электродвигателя к валу кривошипа (0,96-0,98); k1 – конструктивный коэффициент, зависящий от типа станка-качалки; k2 – расчетный коэффициент. Эффективную мощность электродвигателя можно определить по другой формуле: Рэ=1,7∙ko∙ka∙d2∙H∙S∙n∙10-7+Рс, где ko – относительный коэффициент формы кривой момента на валу двигателя, равный отношению фактического коэффициента формы кривой kф к коэффициенту формы для синусоиды (1,11),  ;ka – поправочный коэффициент, учитывающий влияние деформации штанг и труб; Н – глубина подвески насоса; Рс – постоянные потери в станке-качалке, не зависящие от нагрузки. Условие выбора мощности электродвигателя: Рном Рэ. Выбранный по условиям нагрева двигатель не во всех случаях будет удовлетворять требованиям работы в приводе станка-качалки. Он должен удовлетворять условиям пуска станка качалки и обеспечивать преодоление пиков нагрузочного момента при работе установки. При пуске станка-качалки ЭД должен развивать момент, обеспечивающий преодоление статического момента сопротивления и момента необходимого для разгона до установившейся скорости. Статический момент сопротивления при пуске превышает момент при установившемся режиме за счет увеличенных сил трения, обусловленных заеданием движущихся частей двигателя, выжиманием смазки, а также возможным наличием песчаных пробок. Протекание пускового процесса, обычно не превышающего 10 с, зависит от начального положения кривошипа и от того, как изменяется нагрузка после пуска, кроме того, начальный пусковой момент двигателя может уменьшаться при снижении питающего напряжения. Для нормальной работы СК (при хорошем уравновешивании) кратность максимального момента λ=Mmax/Мном должна находиться в пределах 1,8-1,9. Обычно значение λ у АД станков-качалок составляет 2,1-2,8, что обеспечивает надежную работу электропривода с перегрузками и при снижении напряжения в сети. 3.4. Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности электродвигателей станков-качалок. В паспорте двигателя СК энергетические показатели η и cosφ (КПД и коэффициент мощности) указываются для номинального режима для длительной постоянной по величине номинальной нагрузки. Однако даже при идеальном уравновешивании станка-качалки график нагрузки двигателя остается неравномерным, так как не уничтожаются пульсации нагрузки, определяемые законом изменения скорости точки подвеса штанг. Из-за этого КПД и коэффициент мощности АД снижаются против номинальных значений. Это обусловлено тем, что при ухудшении уравновешивания станка-качалки увеличивается коэффициент формы Кф нагрузочного графика. Коэффициент формы Кф равен отношению эффективной мощности Рэ к средней мощности Рср:  .КПД и коэффициент мощности зависят также от коэффициента загрузки двигателя Кз. Снижение энергетических показателей двигателя приводит к росту непроизводительных потерь мощности и энергии. Графики изменения КПД () и коэффициента мощности (cos) в функции нагрузки на валу двигателя называют рабочими характеристиками двигателя станка-качалки. Средние значения параметров за цикл качания называют циклическим КПД (ц) и циклическим коэффициентом мощности cosц. Для их вычисления существуют специальные формулы. Степень снижения циклических (эксплуатационных) и cos при различных Кз и Кф показана на рис. 24.  Рис. 24. Зависимость КПД и cos от коэффициента формы Кф и коэффициента загрузки двигателя Кз. При плохом уравновешивании Кф ≥ 4 и низкой загрузке (Кз ≤ 0,3) происходит резкое увеличение потерь электрической энергии в 3 и более раз. Поэтому при эксплуатации СК очень важно обеспечение выравнивания графика нагрузки двигателя и правильный подбор его мощности. 3.5. Особенности электроснабжения станков-качалок. Большая часть СК относится ко II категории надежности электроснабжения, так как прекращение электропитания не вызывает серьезных осложнений при их дальнейшей эксплуатации. Подача электропитания к станкам-качалкам обычно осуществляется по схеме глубокого ввода, т.е. повышенное напряжение 6 кВ подается по одной воздушной линии непосредственно к станку-качалке и трансформируется до 0,4 кВ. Для повышения надежности электроснабжения станков-качалок вводят автоматическое повторное включение линий, их кольцевание по схеме разомкнутого кольца. Имеющиеся линии целесообразно реконструировать так, чтобы длина одного плеча воздушной линии 6 кВ не превышала 6…8 км. Для обеспечения электроснабжения станков-качалок применяют комплектные трансформаторные подстанции КТПСК мощностью 25-250 кВА трех модификаций: первая модификация предназначена для питания одной скважины; подстанции 2-ой и 3-ей модификации – служат для питания двух или трех скважин.  а) б)  Рис. 25 Схемы питания глубиннонасосных установок при напряжениях распределительной сети 6 (а) и 0,38 (б) кВ. 3.6. Электродвигатели станков-качалок. Для привода станков-качалок наибольшее применение получили асинхронные короткозамкнутые двигатели в закрытом обдуваемом исполнении серии 4А с синхронной частотой вращения вала 1500 об/мин с повышенным пусковым моментом (  от 2 до 2,2). Повышенный пусковой момент достигается за счет специальной конструкции обмотки ротора.Научно-производственным объединением «Элмаш» разработана специальная модифицированная серия асинхронных двигателей для привода станков-качалок серии 5А, АИР и др. с синхронной частотой вращения ротора от 500 до 1000 об/мин. Отличительными особенностями этой модификации двигателей являются: низкооборотные асинхронные двигатели для привода низкодебитных нефтяных скважин; двухскоростные асинхронные двигатели повышенной мощности, позволяющие применять станки-качалки при любой дебитности скважин; увеличенные пусковые моменты при невысоких кратностях пусковых токов; усиленный подшипниковый узел со стороны свободного конца вала, позволяющий выдерживать повышенные шкивовые нагрузки; климатические исполнения У1 и ХЛ1; встроенная температурная защита. С целью повышения коэффициента мощности на подстанциях, питающих СК, начали эксплуатировать на СК электроприводы с синхронными двигателями СДБ и СДБПК мощностью от 1,5 до 20 кВт и с частотой вращения 1500 об/мин. Кратность пускового момента Кп=1,2÷1,8, кратность максимального момента Кmax ≥ 1,7, пусковой ток Iп=(3,5-5)Iн. Несмотря на небольшую кратность входного момента, двигатели СДБ привода станка-качалки надежно втягиваются в синхронизм в период минимума нагрузки (при ходе плунжера вниз). Эти двигатели при номинальной нагрузке работают с cosφ=1, а при снижении нагрузки генерируют реактивную мощность, отдавая ее в сеть, повышая результирующий коэффициент мощности сети. 3.7. Системы управления электроприводами станков-качалок. Для управления двигателем станка-качалки применяются блоки управления серии БГШ (достаточно простые и надежные) на токи 15, 20, 40 и 100 А. Более современными являются блоки с микропроцессорным управлением БУС-3, БУС-4, СУС и др. Блоки управления выполняют следующие функции: пуск и отключение двигателя в ручном режиме; автоматическое отключение электродвигателя при обрыве одной из фаз; отключение электродвигателя при перегрузках, сверх допустимого предела; отключение электродвигателя при КЗ в его обмотках или кабеле; отключение электродвигателя при исчезновении или глубоком снижении напряжения и автоматический пуск электродвигателя при восстановлении напряжения в питающей сети после его кратковременного исчезновения или понижения с помощью реле времени; отключение электродвигателя при аварийном состоянии скважины. 3.8. Проблема самозапуска станка-качалки. При одновременном запуске нескольких станков-качалок пусковые токи складываются, что приводит к снижению напряжения на двигателях из-за его потери в проводах. Поэтому для обеспечения нормальной работы системы электроснабжения станков-качалок применяют 2 способа автоматического повторного включения (АПВ) двигателей станков-качалок после исчезновения или снижения напряжения: индивидуальный; групповой. При индивидуальном АПВ после восстановления номинального напряжения сети двигатель вновь подключается к ней с некоторой выдержкой времени. Для разных групп двигателей, питающихся от одного источника, создаются разные выдержки времени для предотвращения наложения пусковых токов. Наибольшая выдержка времени зависит от типа реле времени и составляет 14 и 20 сек. При групповом АПВ при исчезновении или глубоком снижении напряжения отключаются магистрали, к которым подключен двигатель на питающей подстанции. АПВ осуществляется включением магистрали в определенной последовательности с разными выдержками времени. 3.9. О регулируемом электроприводе станков-качалок. Станки качалки чаще всего относятся ко второй категории надежности электроснабжения. Однако в работах со сложными условиями эксплуатации эти установки относятся к первой категории, т.к. повторный пуск скважины может быть осложненным из-за образования песчаных пробок. Необходимость установления оптимального режима отбора жидкости в начале и в конце эксплуатации нефтяной скважины требует применения на станках-качалках регулируемого электропривода. Следует также иметь ввиду, что при большом содержании песка в откачиваемой жидкости после пуска скважины возникает необходимость увеличивать частоту качания. В настоящее время в большинстве случаев режим работы станка-качалки регулируется изменением длины хода плунжера насоса за счет перестановки пальцев на кривошипе или изменением числа ходов при помощи сменных шкивов на валу приводного электродвигателя, что связано с трудоемкостью работ и необходимостью остановки станка-качалки. Это приводит к потерям нефти, а иногда к образованию песчаных пробок и заклиниванию плунжера. Кроме того, при таком изменении режима откачки жидкости часто нарушается уравновешенность станка-качалки. Для обеспечения эксплуатации станка-качалки с регулируемым режимом работы могут быть использованы различные схемы электропривода. Для регулирования частоты вращения можно использовать двигатели постоянного тока (ДПТ), многоскоростные АД, СД с коробками передач или СД с постоянными магнитами (вентильные двигатели), или АД с частотным регулированием скорости вращения. Возможные принципиальные схемы регулируемого электропривода станков-качалок изображены на рис. 26. На рис. а изображена система тиристорного электропривода постоянного тока, состоящая из согласующего трансформатора ТС, управляемого выпрямителя УВ на тиристорах и неуправляемого выпрямителя В для питания ОВ приводного двигателя и системы управления, которая может предусматривать регулирование частоты вращения в широком диапазоне, а также автоматизацию управления приводом по заданной программе или в функции от какого-либо параметра режима работы установки. Недостатком схемы является низкий КПД из-за потерь в трансформаторе и выпрямителе и высокая стоимость.  Рис. 26. Принципиальные схемы систем регулируемого электропривода станков-качалок. На рис. б изображен асинхронный вентильно-машинный электромеханический каскад, состоящий из АД с контактными кольцами и машины постоянного тока независимого возбуждения. В однокорпусном агрегате ротор АД и якорь машины постоянного тока с коллектором расположены на одном валу. Полюса машины постоянного тока и статор АД смонтированы на общей станине. Напряжение с обмотки ротора АД через контактные кольца подается через выпрямитель на якорь машины постоянного тока. Регулирование скорости вращения АД производится изменением тока возбуждения ДПТ. Входящая в электропривод станция управления обеспечивает регулирование частоты вращения от 430 до 1380 об/мин. На рис. в изображен асинхронный вентильный двухзонный каскад, обеспечивающий запуск и разгон двигателя до полусинхронной скорости посредством пускового реостата, а дальнейшее регулирование в диапазоне от 0,5 до 1,5 значения номинальной скорости осуществляется с рекуперацией энергии скольжения в питающую сеть через преобразователь частоты без выраженного звена постоянного тока в цепи ротора. Добавочная ЭДС регулируется изменением угла управления вентиля. На рис. г приведена схема силовой части регулируемого электропривода переменного тока по системе трехфазный тиристорный коммутатор – АД. Схема имеет диапазон регулирования D=1:1,5. Для получения необходимой жесткости характеристик и устойчивых значений пониженной частоты вращения предусмотрена обратная связь по скорости при помощи датчика скорости ДС, подающего сигнал на систему управления. Напряжение регулируется при помощи трехфазного тиристорного коммутатора ТК. На рис. д представлена система регулируемого тиристорного электропривода с импульсным управлением на базе АД с фазным ротором, которая предусматривает регулирование частоты вращения импульсным шунтированием сопротивления Rд в цепи выпрямленного тока ротора при помощи тиристорного коммутатора с гасящей цепью. Обратная связь по скорости обеспечивает достаточную жесткость характеристики в диапазоне регулирования частоты вращения D=1:2. Импульсный метод регулирования скорости производят периодически кратковременным изменением параметров двигателя. Требуемая скорость вращения обеспечивается в виде средней скорости. На рис. е представлена схема частотного управления АД с помощью преобразователя частоты со звеном постоянного тока и синусоидальной широкоимпульсной модуляцией выходного напряжения. УВ преобразует напряжение сети промышленной частоты в постоянное напряжение путем изменения величины угла управления тиристора, а управляемый инвертор УИ преобразует постоянное напряжение в трехфазное напряжение регулируемой частоты. Регулирование выпрямленного напряжения осуществляется при помощи СУУВ, а частота выходного напряжения задается блоком СУУИ. Перспективным для станков-качалок является регулируемый электропривод по системе полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный короткозамкнутый двигатель. В объединении «Татнефть» прошел производственные испытания преобразователь частоты с непосредственной связью. Недостатками этой разработки является недоиспользование мощности электродвигателя (60-70% установленной мощности) из-за принципиальной невозможности обеспечить на выходе частоту, близкую к частоте сети и сравнительно низкий коэффициент мощности. |