1.10. Вентильные электродвигатели

При эксплуатации установок погружных центробежных насосов (УЭЦН) АД исчерпали свои возможности и в определенных режимах отбора жидкости возникают технологические проблемы. Значительно лучшими функциональными, ресурсными и энергетическими характеристиками обладают насосы КП ЭЦН ВД на основе вентильных двигателей (ВД) с ротором на постоянных магнитах. Преимущества ЭП ЭЦН на основе ВД: регулирование частоты вращения ВД с низким значением пусковых токов и ХХ, низкие значения требуемых скоростей охлаждающей жидкости, возможность работы с малым отбором и нестабильной подачей, высокий ресурс при эксплуатации в периодическом режиме. Станция управления (для Ритэкс-01 мощность до 64 кВт, максимальный ток до 200 А, КПД – 98 %, cos  = 0,95) питает обмотку статора по алгоритму, регулирующему частоту вращения в широком диапазоне 500–3500 об/мин. Технические характеристики самого мощного (маломощного) ВД 125-117В5 (12-103В5): мощность 2000 (12) кВт, ток 39 (14) А, КПД 93,5 % (90,5), длина 7037 (1271) мм, масса 506 (65) кг. Нагрузочные характеристики вентильных электродвигателей ВД-117 – на рис. 1.18.

Рис. 1.16

ЭП на основе вентильных двигателей для погружных винтовых насосов предназначены для замены 4-полюсных (n = 1500 об./мин.) и 6-полюсных (n = 1000 об./мин.) погружных АД в составе серийных УЭВН. Диапазон регулирования частоты вращения – до 1500 об/мин. ВД комплектуется станцией управления Ритэкс-01. При работе с частотой вращения n < 500 об/мин, напряжение на ВД подается напрямую от станции управления, при частоте n > 500 об/мин – через трансформатор ТМП63/856.

В таблице 1.5 – характеристики ВВД 22-117 и стандартного ПЭД16-117/6.

Таблица 1.5.

Характеристики	ВВД 22-117	ПЭД16-117/6
Номинальная мощность, кВт	22	16
Номинальный момент, Нм	209,5	152,4
Отношение перегрузочного момента к Мн	2	1,8
Номинальный ток	22	23
КПД, cos	91; 0.99	70; 0.7
Габариты, мм; Масса,кг	117х3997; 278	117х5517; 460

1.11. Выбор двигателя для электропривода

Правильный выбор ЭД и особенно его номинальной мощности имеет большое значение, поскольку он определяет первоначальные затраты (капитальные вложения) и стоимость эксплуатационных расходов ЭП. В Российской федерации в 2005 г. произведено 336 млрд. кВтч. электроэнергии. Только ОАО «Татнефть» потребляет 3,5 млрд кВтч./год, причем до 80 % ее расходуется на электроприводы. Поэтому вопросы энергосбережения имеют чрезвычайно важное значение. Энергосбережение даже 10 % электроэнергии на регулируемых ЭП даст экономию энергии, достаточной для энергообеспечения 8 таких нефтяных компаний, как «Татнефть».

Сведения об ЭД различной мощности, частоты вращения и конструктивного исполнения содержатся в специальных каталогах Информэлектро, а также каталогах фирм-производителей. При выборе ЭД основываются на роде тока, требуемом номинальном напряжении, частоте вращения и номинальной мощности. Но в производственных условиях часто бывают заданными не все параметры и основное значение при этом имеет правильное определение мощности и типа ЭД.

Выбор начинают с наиболее простых и дешевых АДКЗ и далее переходят к дорогим и сложным ЭД постоянного тока. Чем выше номинальная частота вращения ЭД, тем меньше его габариты, масса и стоимость. Рабочие же машины, напротив, часто требуют пониженной частоты вращения. Для согласования ставят редуктор, что удорожает ЭП. При выборе ЭД учитывают также способ монтажа, защиту от воздействия окружающей среды и обеспечение охлаждения. Завершающим этапом является определение номинальной мощности ЭД и выбор его в каталоге. Номинальная мощность ЭД достаточно просто определяется при длительной работе с постоянной нагрузкой. Для этого необходимо иметь нагрузочную диаграмму, то есть зависимость момента или мощности на валу и график изменения частоты вращения во времени. Суммарный момент, развиваемый ЭД, определяется по формуле M – M_С = Jd/dt, однако непосредственным решением этого уравнения выбрать ЭД невозможно, поскольку в уравнение входит момент инерции ЭП, зависящий от параметров ЭД. Поэтому по каталогу предварительно выбирают мощность двигателя на основании нагрузочной диаграммы рабочей машины без учета динамического момента таким образом, чтобы мощность была на 15–20 % больше средней мощности, а затем строят нагрузочную диаграмму ЭП, то есть зависимость от времени момента с учетом динамического момента. Предварительно выбранный двигатель проверяют по нагреву, допустимым кратковременным перегрузкам и возможности пуска.

При одинаковых значениях мощности, напряжения и частоты вращения экономически более выгоден тот двигатель, у которого произведение КПД и коэффициента мощности:

 = _н соs _н (1.84)

имеет наибольшее значение. Такой ЭД при одинаковой нагрузке будет потреблять наименьший ток из сети. Работа двигателя сопровождается потерей части энергии, которая превращается в теплоту. Мощность потерь:

Р = Р(1 – )/, (1.85)

тем выше, чем большую мощность развивает ЭД на валу и чем ниже его КПД. Следовательно, с ростом нагрузки температура двигателя будет возрастать и может достичь опасных значений. На рис. 1.17. представлены графики нагревания и охлаждения (кривая 4) электродвигателя при малой (кривая 1) и большой (2) нагрузках, кривая 3 соответствует работе, когда двигатель уже имел начальное превышение температуры _нач. При этом особое значение имеет перегрев изоляции обмоток. Известно, что перегрев обмоток свыше допустимой температуры на 8–10 С снижает срок службы изоляции в 2 раза.

Рис. 1.17

Уравнение теплового баланса при постоянной нагрузке будет:

Рdt = Cd + Adt , (1.86)

где С – теплоемкость в (Втс)/0С, d – перегрев (в С), соответствующий элементу времени dt, за который выделяется энергия Рdt; А – теплопередача при нагревании, Вт/С. В данном уравнении первое слагаемое характеризует количество теплоты, затрачиваемой на нагрев двигателя, второе слагаемое – количество теплоты, отдаваемой в окружающую среду. При наступлении теплового равновесия с окружающей средой повышение температуры двигателя прекращается (d = 0), Установившееся превышение температуры будет _уст = Р/А. Каждой нагрузке ЭД соответствует своя установившаяся температура и очевидно, его можно нагружать только такой мощностью, при которой установившийся перегрев изоляции не превышает максимально допустимого значения. Эта мощность и называется номинальной.

Выбор мощности ЭД при продолжительной работе можно осуществить методом средних потерь. Считают, что двигатель нагревается одинаково, если средняя мощность потерь Р_ср за время цикла при переменной нагрузке равна мощности потерь при постоянной номинальной нагрузке

Р_ср = Р_Н. (1.87)

Данный метод целесообразно применять для ЭД, у которых вентилятор насажен на вал двигателя и его охлаждение зависит от частоты вращения.

Выбор мощности двигателя для кратковременного режима работы. Для данного режима используются ЭД продолжительного режима работы, если время работы t_к > 15 мин и ЭД для повторно-кратковременного режима если t_к < 1,5–2 мин. Задача выбора ЭД сводится к определению времени t_доп, при котором ЭД перегревается до допустимой температуры (допустимого перегрева _доп). Порядок расчета следующий:

- Выбирают двигатель с номинальной мощностью Р_н < Р_к, ориентируясь на перегрузку так, чтобы максимальный М_мах был на 15-20 % больше М_к.

- Определяют потери выбранного ЭД при номинальном режиме

Р_н = Р_н (1 – _н)/_н. (1.88)

- Определяют потери Р_к = Р_к (1 – _к)/_к, _к по каталогу.

- Вычисляют коэффициент тепловой перегрузки

р = Р_к /Р_н. (1.89)

- Определяют допустимое время работы ЭД с перегрузкой:

t_доп = Т_пln(p – 1)/p, (1.90)

где Т_п – постоянная времени перегрева двигателя. Если окажется, что t_к  t_доп, то выбранный ЭД пригоден для работы в кратковременном режиме.

Выбор мощности двигателя для повторно-кратковременного режима работы. Данный режим характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ %. Каждому стандартному значению ПВ соответствует значение номинальной мощности, с которой в этом режиме ЭД может работать, не перегреваясь. Таким образом, при повторно-кратковременных включениях электропривода один и тот же двигатель при различных значениях ПВ% допускает различные нагрузки. Чем больше ПВ %, т.е. чем больше длительность рабочего периода, тем меньше нагрузка двигателя.

Порядок расчета следующий:

- По нагрузочной диаграмме предварительно выбирают ЭД мощностью Р_ср.

- Строят нагрузочную диаграмму электропривода.

- Если график работы многоступенчатый, то методом эквивалентных величин его приводят к одноступенчатому, время паузы не учитывают.

- По нагрузочной диаграмме определяют фактическое значение ПВ % и (для рабочей части цикла) определяют М_экв и I_экв.по формулам:

__________________________

М_экв = (М₁²t₁ +… + М_n²t_n)(t₁ + … +t₂), (1.91)

__________________________

I_экв = (I₁²t₁ +… + I_n²t_n)(t₁ + … + t₂). (1.92)

- Эквивалентное значение М_экв и I_экв пересчитывается до ближайшего ПВ %:

М = М_экв(ПВ/ПВ_н). (1.93)

- По каталогу выбирают двигатель с номинальным моментом М_н или током I_н при ПВ_н таким образом, чтобы М_н > М или I_н > I.

Двигатель для перемежающегося режима работы выбирают, как и двигатель для повторно-кратковременного режима.

Для успешного пуска двигателя необходимо, чтобы его пусковой момент превышал момент статического сопротивления (что особенно важно для машин с большими моментами инерции). При выборе двигателя применяют ЭД с повышенным пусковым моментом к номинальному (М_пуск / М_н  1,8).