§ 2. Характеристики двигателей силовых приводов

Х арактеристики двигателей внутреннего с г о р а п и я. В буровых установках применяют двигателя вну­ треннего сгорания, эксплуати­ рующиеся на тяжелых сортах топлива или газа. Двигатели, работающие на легких сортах ^600 топлива (бензинеили керосине), Ч не применяются ввиду их нсэко- ^ комичности. е

гею

Соответствие ДВС заданным g условиям работы определяется I его внешней характеристикой ⁵ и конструкцией. В н е ш н'е и или механической ха­рактеристикой ДВС называется изменение мощности, крутящего момента и расхода топлива в зависимости -от скорости вра­щения коленчатого вала.

900 1100 /300 1500 1700 Сноросто вращения п,о5/мин

Рис. XVII-1. Внешняя и частная ха­рактеристики дизеля.

М — крутящий момент; N — мощность-

JV „ —частная характеристика; G —-рас- per*^ t

ход топлива.

В ДВС для восстановления равновесия между изменив­шимся моментом сопротивления и моментом двигателя требуется воздействие на источник энер­гии специальных регуляторов, которые изменяют соответствен­но подачу горючего.

ДВС могут работать при изменении весового соотношения коли­чества воздуха и топлива сравнительно в небольшом диапазоне — от 15 : 1 (бедная смесь) до 11 : 1 (богатая смесь).

24

371

Если подача топлива ограниченная и будет применяться бедная смесь, двигатель не развивает своей полной мощности и такую харак­теристику называют частичной.

Приемистость и приспособляемость двигателей определяются конструкцией системы подвода топлива и воздуха и моментом инер­ции вращающихся частей шатунно-поршневой группы.

У быстроходных двигателей шатунно-кривошипную группу облег­чают, благодаря чему эти двигатели имеют большую приемистость, чем тихоходные.

Чем выше коэффициент собственной приспособляемости дйига-теля, тем устойчивее его работа при переменных режимах нагрузки, что особенно важно для двигателей, приводящих в движение буровые лебедки.

На рис. XVII-1 показаны внешняя и частная характеристики ДВС. Как видно из графика, при изменении скорости вращения на ±20% момент практически остается постоянным, в этом случае ДВС не перегружаются. ДВС с такой характеристикой используют непосредственно в приводе насосов, эксплуатирующихся без средств искусственной приспособляемости, а в приводе лебедки и ротора, требующих большого диапазона регулирования, — только со сред­ствами искусственной приспособляемости,

Характеристики электродвигателей

Под внешней или механической характеристикой электродви­гателя подразумевают изменение крутящего момента в зависимости

250

о т изменения скорости вра­щения, напряжения, частоты тока и магнитного потока в якоре.

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

1. Абсолютно жесткая (прямая!); скорость при из­ менении момента постоянна. Такой характеристикой об­ ладают синхронные электро­ двигатели.

О 25 50 75 100 125

Относительная спорость вращения, %

Рис. XVII-2. Механические характери­стики электродвигателей.

2. Жесткая (кривая 2); с увеличением момента ско­ рость снижается незначитель­ но. Такой характеристикой обладают асинхронные дви­ гатели и двигатели постоянного тока параллельного и независимого возбуждения.

3. Гибкая (кривая 3); при небольшом увеличении момента про-

372

исходит значительное изменение скорости. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбу­ждения.

Скорость электродвигателя и развиваемый им момент изменяются автоматически без воздействия каких-либо внешних регуляторов. Автоматическим регулятором является иротивоэлектродвижущая сила самого -двигателя.

Характеристика асинхронных двигате­лей. В асинхронных двигателях:

крутящий момент М пропорционален квадрату напряжения, и поэтому привод весьма чувствителен к его колебаниям;

Относительная

Рис. XVII-3. Внешние характеристики электро­двигателей.

1 — синхронного; 2 — асинхронного с короткозамкну-тьш ротором; з, 3' и 3" — асинхронного с фазным рото­ром; -I — асинхронного с дросселем.

критическое скольжение S_K прямо пропорционально активному сопротивлению ротора, обратно пропорционально частоте сети и суммарной индуктивности статориои и роторной обмоток от потоков рассеяния и не зависит от напряжения сети;

максимальный крутящий момент Л/"_шат пропорционален квадрат^.*-напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты тока сети, в результате чего асинхронный электропривод весьма чувствителен к колебаниям параметров сети.

Для силовых приводов буровых установок, питающихся от обще­промышленных сетей при . допускаемом колебании напряжения 4-5 и —10%, максимальный момент может уменьшаться до 0,8 от указанного в каталогах. При пусках электродвигателей напряжение в сети падает ниже этих пределов. Поэтому к асинхронным двига­телям предъявляется требование высокой перегрузочной способности даже во время падения напряжений и больших пусковых моментах при относительно небольшом значении пусковых токов.

На рис. XVI1-3 показаны внешние характеристики электро­двигателей переменного трехфазного тока-

373

Асинхронный электродвигатель с ко-р о т к о з а м к н у т ы м ротором запускается непосред­ственно при включении в сеть без промежуточных пусковых уст­ройств. Такие электродвигатели могут применяться для привода насосов и ротора; для привода лебедки они применяются только с турботрапсформаторами или электромагнитными муфтами сколь­жения.

Электродвигатель с фазным ротором имеет контактные кольца, что позволяет вводить в цепь ротора добавочное сопротивление, по величине которого определяют некоторые искус­ственные характеристики (кривые 3, 3' и 3" на рис. XVII-3), исполь­зуемые при регулировании скорости вращения во время пуска.

Введение добавочного активного сопротивления увеличивает полное сопротивление роторной цепи, благодаря чему снижается пусковой ток, возрастают пусковой момент и критическое сколь­жение .

Максимальный момент остается неизменным. Регулирование ак­тивного сопротивления в роторной цепи осуществляется так, чтобы переключения с одной реостатной характеристики на другую про­исходили при расчетных значениях моментов переключения. По окончании пуска сопротивление в цепи ротора уменьшается и дви­гатель начинает эксплуатироваться при рабочих параметрах. Для смягчения рабочих характеристик добавочное сопротивление в цепи ротора не выключается.

Процесс пуска может быть автоматизирован по времени, по току, а также в функции тока с корректировкой по времени.

Для буровых лебедок применяют автоматизацию пуска в функции времени. Увеличение числа ступеней улучшает плавность пуска, однако при этом увеличивается масса, усложняется и удорожается пусковая аппаратура.

При использовании индуктивного сопротивления в цепи ротора, несмотря на некоторое снижение величины максимального момента, получают лучшие результаты.

Индуктивное сопротивление выполняет функцию автоматического -регулятора тока ротора. В начале разгона двигателя, когда частота тока ротора близка к частоте сети, сопротивление дросселя велико и ограничивает силу пускового тока. По мере разгона частота тока в роторе понижается, сопротивление дросселя уменьшается и ток за весь период пуска остается примерно постоянным.

В электродвигателях с фазным ротором могут применяться си­стемы управления, в которых дроссель насыщения с внутренней обратной связью в сочетании с активными сопротивлениями сим­метрично включается в цепь ротора.

В процессе пуска индуктивное сопротивление изменяется под влиянием силы и частоты тока ротора, а при автоматическом упра­влении — также и результирующего тока управления. Величины активных сопротивлений в процессе пуска не изменяются. Харак­теристика такого двигателя показана на рис. XVII-3, кривая 4.

374

СЕ1нхронный электродвигатель (кривая 1 на рис. XVI1-3) имеет постоянную скорость вращения, которая может регулироваться только изменением частоты питающего напря­жения; момент, развиваемый двигателем, пропорционален первой степени напряжения; перегрузочная способность двигателя может быть повышена увеличением возбуждения.

Пусковые характеристики синхронного двигателя определяются пусковой характеристикой, короткозамкнутой обмоткой ротора, которая придает синхронному двигателю в режиме пуска свойства асинхронного короткоеамкнутого двигателя. Эксплуатационные пре­имущества синхронных двигателей определяются его способностью отдавать в сеть реактивную мощность, необходимую для повышения cos ф. Однако абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя и невозможность запуска под нагрузкой ограничивают его использование.

К недостаткам синхронных двигателей следует отнести также большой пусковой ток, однако при достаточно мощных промысловых сетях и подстанциях осуществляют их прямой пуск. Основные дан­ные синхронных двигателей аналогичны данным асинхронных.

Конструкции двигателей защищаются от попадания влаги, пыли и грязи и выполняются прочными, допускающими установку на открытом воздухе.

Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока применяются в буровых уста­новках для бурения скважин большой глубины, когда к приводу предъявляются требования глубокого и плавного регулирования скорости вращения, точной остановки, повышенной плавности раз­гона и торможения и других режимов со сложным изменением меха­нической характеристики.

Так как на нефтяных промыслах отсутствуют сети постоянного тока, в буровых установках электродвигатели постоянного тока применяются только с автономным приводом в сочетании с генера­торами постоянного тока, вращаемыми двигателями внутреннего сгорания. Такой привод называется электромашинной передачей постоянного тока.

Скорость вращения двигателей постоянного тока можно регу­лировать путем изменения напряжения в якоре или тока возбужде­ния двигателя. Поскольку для изменения напряжения на зажимах якоря в электромашинной передаче необходимо изменять -ток воз­буждения генератора, управление двигателей постоянного тока всецело осуществляется в целях возбуждения, т. е. в цепях сравни­тельно малой мощности.

В зависимости от способа возбуждения характеристики двига­телей постоянного тока различные. Различают три основных способа возбуждения двигателей постоянного тока. На рис. XVII-4 при­ведены механические характеристики при различных способах возбуждения.

375

При параллельном возбуждении (кривая 7, рис. XVI1-4) с изме­нением нагрузки магнитный поток не изменяется, поэтому пределы регулирования и характеристика определяются величиной сопро­тивления цепи якоря.

При последовательном (сериесном) возбуждении (кривая 2, рис. XVII-4) магнитный поток зависит от тока нагрузки; в этом случае механическая характеристика будет зависеть от магнитного потока и сопротивления в цепи якоря.

О 100 200 300 4QQ 50Q 600 700 800 900

Скорость вращения бала зпектродЪиъателя п, oS/мин '

Рис. XVII-4, Характеристики электродвигателей по­стоянного тока с различными способами возбужде­ния.

1 — параллельным; 2 — последовательным; з — смешанным; 4 — к. п. Д. двигателя с последовательным возбуждением.

При смешанном (кривая 5, рис. XVII-4) возбуждении суммарный магнитный поток, действующий в электродвигателе, определяется двумя составляющими: постоянной, создаваемой обмоткой парал­лельного возбуждения, и переменной, создаваемой обмоткой после­довательного возбуждения.

В буровых установках применяют электродвигатели с последо­вательным или смешанным возбуждением.

Характеристики газотурбинных двигателей

Газотурбинные двигатели обладают хорошей приемистостью, большой надежностью и высокой естественной приспособляемостью.

Газотурбинные двигатели бывают двухвальными (рис. XVII-5, а), о дневальными (рис. XVII-5, б) и комбинированными.

376

В двухвальном газотурбинном двигателе турбина высокого давле­ния приводит во вращение компрессор, а силовая турбина низкого давления находится на отдельном валу и в нее поступает газ из турбины высокого давления.

Рис. XVII-5. Схемы газотурбинных установок.

а — двухвалыгый; б — о дневальный; 1 — компрессор; 2 — турбина; Я — турбина второй ступени; 4 — исполнительный ме­ханизм.

Независимость питания газом турбин позволяет изменять харак­теристику двигателя в широких пределах. В одновальных газовых турбинах компрессор и турбина располагаются па одном валу. При увеличении внешней нагрузки снижается скорость вращения и уменьшается количество газа, пи­тающего турбину, в результате чего снижается мощность и умень­шается крутящий момент.

Комбинированный газотурбин­ный двигатель состоит из гене­ратора газа со свободнодвижу-щимися поршнями и одновальной газовой турбины. Генератор га­за имеет поршневой компрессор, поршни которого непосредственно соединены с поршнями двухтактного дизеля. Снижаемый в порш-

О 0,25 0,5 0,75 W

Относительная скорость вращения вала

Рис. XVII-6. Характеристики газотурбинных двигателей.

и JV₃ —

Mt и JV, — крутящий момент и мощность одвовального двигателя; М₂ и N₂ — то же двухвального;

N₂ то же комбинированного двигателя.

левом компрессоре воздух через всасывающие окна подается в цилиндр дизеля, куда подводится топливо. Отработанные газы

377

из дизеля при большом давлении подаются через продувочные окна в газовую турбину, передающую мощность на исполнитель­ный механизм.

На ряс. XVII-6 представлены характеристики газотурбинных дви­гателей. Двухвальный двигатель обладает большим коэффициентом естественной приспособляемости, чем одновальный, и имеет большую приемистость. Одновальные обладают меньшим диапазоном есте­ственного регулирования. Наибольший диапазон регулирования и высокий коэффициент ее естественной приспособляемости имеют комбинированные газотурбинные двигатели, так как питание газом турбины не зависит от ее скорости вращения.

Приемистость газотурбинных двигателей зависит от схемы, кон­структивного исполнения и программы регулирования подачи топлива.

Теоретически время переходных периодов может быть определено при помощи уравнений термодинамики. Практически у двигателей без регенератора время перехода от холостого хода к полной на­грузке составляет несколько секунд, что является вполне приемлемым для двигателя силового привода буровой установки.

Двух- и одновадьные газотурбинные установки характеризуются эффективным к. п. д., имеющим более низкое значение (0,12—0,27) по сравнению с к. п. д. двигателей внутреннего сгорания (0,36— 0,38). Комбинированные газотурбинные установки имеют более высокий к. п. д., чем одно- и двухвалыше, и по значению близкий к к. п. д. дизелей (0,35—0,38). На холостом ходу и при незначитель­ных нагрузках к. п. д. двух- и одновальных установок очень низок, что служит препятствием для широкого применения их. в буровых установках.

Имеется ряд путей повышения к. п. д. газотурбинных двигателей, например использование тепла отходящих газов для техноло­гических нужд и т. д.