Электрооборудование нефтяной промышленности

вверх, т. е. магнитный поток можно только уменьшить. Одно­ временно с ослаблением магнитного потока, как это следует из формулы (3.9), необходимо уменьшать момент сопротивле­ ния. При этом ток якоря и, следовательно, нагрев двигателя не изменятся.

Регулирование частоты вращения изменением подводимогонапряжения осуществляется с помощью источника управляемо­ го напряжения. При уменьшении напряжения [см. формулу (3.12)] пропорционально уменьшается частота вращения иде­ ального холостого хода, при этом жесткость механической ха­ рактеристики не изменяется (рис. 3.12,г).

Напряжение, подаваемое на якорь двигателя, можно изме­

преобразователем. При таком способе регулирования частоты

обслуживания и низкую надежность.

При регулировании частоты вращения изменением сопротив­ ления в цепи якоря или подводимого к якорю напряжения при неизменном значении магнитного потока значение допустимого тока (момента) не изменяется, поэтому указанные способы обеспечивают регулирование частоты вращения в режиме по­

х р о н н ы х д в и г а т е л е й . Из формул (3.14) и (3.16) следу­ ет, что частоту вращения асинхронного двигателя можно регу­ лировать двумя способами:

1) регулированием частоты вращения магнитного поля пи

как мощность скольжения Mrtis/9550 теряется в цепи ротора двигателя.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей по первому способу требует источника с частотным регулирова­ нием напряжения питания (рис. 3.13, а).

Частоту напряжения, подаваемого на статор, можно регули­ ровать с помощью электромашинных или тиристорных преобра­ зователей частоты. С развитием полупроводниковой техники последние более перспективны и получают все большее рас­ пространение. Одновременно с изменением частоты напряже-

90

а

Рис. 3.13. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя измене­ нием частоты питающего напряжения

ния необходимо изменять также его уровень по закону Up/fp=

поток Ф и ток холостого хода /0, требуемый для создания маг­ нитного потока. При этом вследствие насыщения магнитной системы небольшое увеличение магнитного потока может при­

ется с уменьшением частоты вращения (например, приводы насосов и вентиляторов). При этом более быстрое уменьшение уровня напряжения по сравнению с частотой тока улучшает энергетические показатели двигателя. В то же время уменьше­

91

Механические характеристики асинхронного двигателя при

люсов используется только для короткозамкнутых двигателей, так как при этом достаточно изменить число пар полюсов толь­ ко обмотки статора. С увеличением числа пар полюсов частота вращающегося магнитного поля статора уменьшается [см. фор­ мулу (3.14)].

Выпускаются двигатели с двумя обмотками на статоре, изо­ лированными друг от друга, причем одна из них без переключе­ ния, а другая с переключением полюсов. В этом случае полу­ чаются трехскоростные двигатели. Если обе обмотки имеют переключение полюсов, то двигатели получаются четырехско­

характер изменения частоты вращения и ограниченный диапа­ зон регулирования. Массо-габаритные и энергетические показа­ тели многоскоростных двигателей хуже, чем у асинхронных двигателей нормального исполнения той же мощности.

Частоту вращения двигателей с фазным ротором можно ре­ гулировать изменением сопротивления в цепи ротора. При уве­ личении сопротивления повышается критическое скольжение, т. е. снижается критическая частота вращения, а максимальный момент при этом не изменяется, что дает возможность умень­ шать частоту вращения ротора. Регулирование частоты враще­ ния таким способом неэкономично, потери энергии в цепи рото­ ра пропорциональны скольжению. Плавность регулирования за­ висит от числа ступеней реостата, что усложняет цепь управ­ ления, увеличивает ее стоимость, снижает надежность. Стабиль­ ность частоты вращения при увеличении нагрузки уменьшается, диапазон регулирования невелик. Регулирование частоты вращения возможно только вниз от основной.

Глубокое регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем увеличения его скольжения связано с выделе­ нием в цепи ротора значительной электрической мощности скольжения, которая теряется на нагрев двигателя и резисторов. Можно использовать мощность скольжения, если к контактным кольцам ротора через выпрямитель присоединить двигатель постоянного тока, сочлененный с валом асинхронного двигателя. В этом случае при регулировании частоты вращения мощность скольжения будет возвращаться на общий вал. Частота враще­ ния регулируется изменением тока возбуждения двигателя по­ стоянного тока. Такие схемы называют каскадными. В связи с развитием полупроводниковой техники перспективно применение в каскадных схемах полупроводниковых вентилей вместо машин постоянного тока, при этом мощность скольжения возвращается

92

(рекуперирует) в электрическую сеть. Каскадные схемы нашли' применение в регулируемом асинхронном электроприводе буро­ вых насосов.

Р е г у л и р о в а н и е ч а с т о т ы в р а щ е н и я с и н х р о н ­ н ы х д в и г а т е л е й . Как следует из формулы (3.23), частота вращения синхронного двигателя регулируется изменением ча­ стоты питающего напряжения. Как и для асинхронного двига­ теля, при регулировании необходимо также одновременно с частотой изменять уровень напряжения.

Успехи в области полупроводниковой техники привели к соз­ данию мощных статических преобразователей частоты.

Синхронный двигатель, получающий питание от преобразо­ вателя частоты со звеном постоянного тока, управляемого в функции угла поворота ротора, называется вентильным. Меха­ нические характеристики вентильного двигателя аналогичны механическим характеристикам двигателя постоянного тока, управляемого изменением напряжения на якоре. Например, диа­ пазон регулирования частоты вращения вентильного двигателя, разработанного для привода бурового насоса, достигает 20.

3.6. Торможение электродвигателей

Для быстрой остановки двигателя его переводят в режим, при котором электромагнитный момент становится тормозящим. Различают три вида торможения: динамическое, рекуперативное и противовключение.

Т о р м о ж е н и е д в и г а т е л е й п о с т о я н н о г о т о к а

вращающийся якорь отключают от сети и замыкают на реостат, а цепь возбуждения остается включенной в сеть (рис. 3.14, а). Получается генератор независимого возбуждения. Под воздей­ ствием э. д. с. ток якоря изменяет направление, и генераторный электромагнитный момент тормозит вращение якоря до останов­ ки. Вместе со снижением скорости умнынаются э. д. с., ток и

Механическая характеристика двигателя в режиме динами­

дения / в.

93-

■ Рис. 3.14. Схема динамического торможения двигателя постоянного тока неза­ висимого возбуждения (а) и механические характеристики (б)

Динамическое торможение отличается простотой, плавностью и надежностью. Его применяют в электроприводе буровой ле­ бедки при опускании колонны бурильных труб.

Рекуперативное торможение (с возвратом энергии в сеть) возникает, когда э. д. с. якоря превысит напряжение сети. При

частота вращения якоря п превысит частоту «идеального холос­

ние применяется в электроприводе регулятора подачи долота. Торможение двигателя противовключением получается в том случае, если обмотки включены для одного направления вра­ щения, а якорь под воздействием внешнего момента или по инерции вращается в другом направлении вследствие измене­ ния направления тока во вращающемся якоре или в обмотке возбуждения. При этом изменяет знак момент, становясь тор­

мозящим.

Энергия, отбираемая из сети, и энергия вращающегося якоря преобразуется в теплоту, нагревающую элементы цепи якоря. Поэтому для ограничения тока обязательно включение реостата с большим добавочным сопротивлением R2.

'94

Механическая характеристика двигателя в режиме противовключения показана на рис. 3.14,6, прямая 3.

Рассмотрим процесс торможения двигателя противовключением.

Пусть двигатель вращается вхолостую с частотой По на есте­ ственной механической характеристике 1. Переключение поляр­ ности напряжения на зажимах якоря с одновременным введе­ нием добавочного сопротивления R2 приводит к переходу в режим, соответствующий точке а, так как частота вращения неможет измениться мгновенно. Теперь на якорь действует тор­ мозящий момент, частота вращения быстро падает до нуля. Если двигатель не отключить в момент, которому соответствует точка Ь, он начнет разгон в обратном направлении. Торможение противовключением обычно применяют для реверсивных при­ водов.

Т о р м о ж е н и е а с и н х р о н н ы х д в и г а т е л е й . Для динамического торможения асинхронного двигателя его статор отключают от сети переменного тока и присоединяют к источ­ нику постоянного тока (рис. 3.15, а). При этом у двигателя с контактными кольцами в цепь ротора включают реостат. С по­ мощью полупроводникового выпрямителя получают постоянный ток. Он создает в обмотке статора неподвижное магнитное поле, в котором вращается ротор. В обмотке ротора наводится э. д. с., создающая переменный ток. В результате взаимодействия маг­ нитного поля с током ротора возникает тормозящий момент.

Механические характеристики режима динамического тор­ можения приведены на рис. 3.15,6 (кривые 2, 3 при различных значениях тока /о).

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя проис­

Рис. 3.15. Схема динамического торможения асинхрон­ ного двигателя (а) и механические характеристики (б)

95-

переходит в режим генератора. Такой режим возникает при опускании груза под воздействием его активного момента или при переключении обмотки статора на большее число пар по­ люсов. Механическая характеристика этого режима соответст­ вует кривой 1 во втором квадранте (см. рис. 3.15, б).

Торможение противовключением в асинхронных двигателях достигается изменением чередования фаз статора. При этом вращающееся магнитное поле изменяет направление на обрат­ ное и на вращающийся по инерции ротор воздействует тормозя­ щий момент (рис. 3.15, б, кривая 4). Если после остановки ротора двигатель не отключить от сети, то начинается пуск в обратную сторону. Этот способ торможения, как и у двигателей постоянного тока, связан с большими потерями энергии в цепи ротора.

3.7. Определение времени пуска и торможения электропривода

Для построения нагрузочных диаграмм электропривода нужно определить время пуска и торможения. Их можно опре­ делить, интегрируя уравнение движения электропривода (3.3):

Однако аналитический расчет по формуле (3.30) связан с рядом трудностей, обусловленных тем, что момент сил сопро­ тивления Мс и момент двигателя в большинстве случаев явля­ ются сложными функциями частоты вращения, поэтому на практике широко пользуются приближенными графоаналитичес­ кими методами расчета. Рассмотрим один из них.

В уравнении (3.29) бесконечно малые приращения dt, dn заменяют малыми конечными приращениями At, Ап, а разность

Исходными данными для расчета служат механическая ха­ рактеристика двигателя и график момента сил сопротивления (рис. 3.16, а), по которым определяют график динамического

-96

деляют время пуска на каждом из участков. Время пуска (тор­ можения) электропривода равно сумме времени на каждом из участков

в зависимости от характера изменения момента. Точность конеч­ ных результатов тем больше, чем больше число интервалов

Ап{.

3.8. Общие сведения о выборе электродвигателя

Правильный выбор типа двигателя и особенно его номиналь­ ной мощности имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку он определяет первоначальные затраты (капиталь­ ные вложения) и стоимость эксплуатационных расходов элект­ ропривода.

Отечественная электротехническая промышленность выпус­ кает электродвигатели различных диапазонов мощностей, частот вращения, конструктивного исполнения. Сведения о них имеют­ ся в специальных каталогах ИНФОРМЭЛЕКТРО, где приво­ дятся номинальные данные о механической мощности двигателя, частоте вращения, напряжении, токе, к. п. д., а также о кратно­ сти (по отношению к номинальному) пускового тока, пускового и максимального моментов асинхронных двигателей. Кроме того, приводятся сведения о массо-габаритных и установочных размерах электродвигателя, его конструктивном исполнении.

При выборе электродвигателя определяют род тока, номи­ нальные напряжение, частоту вращения, конструктивное испол­ нение и номинальную мощность. В производственных условиях не всегда приходится решать весь комплекс этих вопросов. Часто бывают заданными род тока, напряжение, частота враще­ ния. Основное значение при этом имеет правильное определе­ ние мощности и конструктивного типа двигателя.

Т а б л и ц а 3.1 Примерные рекомендации по выбору электродвигателей

Прежде чем выбрать электродвигатель, необходимо четко знать рабочую машину, для которой его выбирают: будет ли двигатель с машиной работать длительно или кратковременно, с постоянной или регулируемой частотой вращения, как изме­ няется момент сопротивления и мощность при работе. Ответы на эти вопросы может дать построение нагрузочных диаграмм.

В ы б о р р о д а т о к а и н а п р я ж е н и я д в и г а т е л я . В основу этого выбора положены экономические соображения. Электродвигатели имеют высокую стоимость, так как являются сложными изделиями, в которых используются цветные металлы и другие ценные электротехнические материалы, рассчитанные на длительный срок службы (20 лет). Поэтому выбор начинают с «примерки» самых простых и дешевых двигателей — трехфаз­ ных асинхронных с короткозамкнутым ротором и до самых сложных и дорогих — двигателей постоянного тока (табл. 3.1).

Обычно выбор рода тока электродвигателя определяет и вы­ бор его номинального напряжения, которое стремятся брать равным напряжению источника электропитания технологическо­ го объекта. Понижение напряжения для двигателей с помощью трансформатора, применение выпрямителей для двигателей постоянного тока приводит к увеличению затрат на электрообо­ рудование.

В ы б о р н о м и н а л ь н о й ч а с т о т ы в р а щ е н и я д в и ­ г а т е л я . Чем выше номинальная частота вращения двигателя, тем меньше его габариты, масса и стоимость. Рабочие машины, напротив, часто требуют пониженной частоты вращения. Для согласования частот вращения двигателя и исполнительного

98

Рис. 3.17. Нагрузочные диаграммы и график изменения частоты вращения электродвигателя:

органа рабочей машины ставят редуктор, что удорожает элект­ ропривод. Вопрос о рациональном соотношении двигатель — редуктор решается конструктором при проектировании произ­ водственного механизма.

В ы б о р к о н с т р у к т и в н о г о и с п о л н е н и я д в и г а ­ т е л я . Конструктивное исполнение электродвигателей учиты­ вает три фактора: способ монтажа, защиту от воздействия окру­ жающей среды и обеспечение охлаждения. Конструктивное ис­

пом является определение номинальной мощности двигателя и выбор по ней в каталоге подходящего двигателя. Однако номи­ нальная мощность двигателя достаточно просто определяется при длительной работе с постоянной нагрузкой. В большинстве случаев момент, мощность и ток двигателя изменяются во вре­ мени. Для выбора двигателя необходимо иметь нагрузочную диаграмму, т. е. зависимость момента или мощности на валу механизма от времени (рис. 3.17, а) и график изменения частоты вращения во времени (рис. 3.17, б), по которому вычисляется ускорение (замедление) и динамический момент электроприво­ да. Суммарный момент, развиваемый двигателем, определяется по формуле (3.3). Однако непосредственным решением уравне­ ния (3.3) выбрать сразу двигатель невозможно, так как в это уравнение входит момент инерции электропривода, зависящий от параметров двигателя. Поэтому сначала предварительно выбирают мощность двигателя на основании нагрузочной диа­ граммы рабочей машины без учета динамического момента по каталогу таким образом, чтобы она была на 15—20% больше средней мощности, а затем строят нагрузочную диаграмму электропривода (рис. 3.17,в), т. е. зависимость от времени мо­ мента, развиваемого двигателем, с учетом динамического момента. Предварительно выбранный двигатель проверяют по

нагреву, допустимым кратковременным перегрузкам и возмож­ ности пуска.