Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfсети могут быть весьма разветвленными и в зависимости от их конфигурации имеют различного вида защиту. Наибольшее рас пространение получила максимальная токовая защита. Принцип устройства и схемы включения такой защиты рассматривались выше. Для защиты сетей особое значение имеет избирательность действия защиты — отключение только поврежденного участка сети.
Избирательное действие защиты последовательно включен ных участков сети достигается не только установкой соответ ствующих токов срабатывания максимальных токовых реле, но главным образом соответствующим подбором выдержек времени защит, когда выдержки времени увеличиваются в направлении от наиболее удаленного потребителя к источнику питания. Вре мя срабатывания каждой ступени должно быть выбрано таким, чтобы при отключении поврежденного участка защита остальных неповрежденных участков не успела сработать.
Всякое аварийное отключение линий электропередачи в той или иной мере нарушает технологический процесс бурения и до бычи, может вызвать аварию и выход из строя производствен ного оборудования. В ряде случаев короткие замыкания могут быть вызваны попаданием на провода воздушных линий случай ных предметов — веток деревьев, птиц, проволок при запусках бумажных змеев и т. п. В подобных случаях режим короткого замыкания носит проходящий характер. Возникающая при этом электрическая дуга, как правило, сжигает попавшие на провода предметы, чем и устраняется короткое замыкание проводов ли нии. Кроме того, замыкания на линиях могут возникнуть также и в результате грозовых разрядов. Электрическая дуга, возник шая по той или иной причине, сопровождается резким возраста нием токов, что приводит к автоматическому отключению линии электропередачи максимальной защитой и, следовательно, к пе рерыву питания потребителей. После отключения электрическая дуга исчезает и в большинстве случаев никаких существенных повреждений на линии не остается. Поэтому для предотвращення перерыва в питании электроэнергией промышленных пред приятий большинство линий оборудуется устройствами, обеспе чивающими их автоматическое повторное включение (АПВ) че рез 0,5—*1,5 с после отключения максимальной защитой. В от дельных случаях, например при недостаточной грозоупорности линий, применяется двукратное АПВ.
Существует несколько достаточно совершенных схем, по ко торым выполняются электрические устройства АПВ. Рассмот рим принцип действия устройства АПВ на простейшей принци пиальной схеме (рис. 2.21). При коротком замыкании на отхо дящей линии контакты токового реле защиты КЛ замыкают цепь отключающего электромагнита YA2 выключателя QF. Послед ний отключает линию. При этом замыкаются блок-контакты
Рис. 2.21. Принципиальная схема автоматического повторного включения
QF : 1, благодаря чему привод выключателя приходит в состояние готовности к включению. С этого момента начинает действовать устройство АПВ. Соответствующее реле /(/, например реле ми нимального напряжения, реагирующее на отсутствие напряжения на линии, замыкает цепь питания промежуточного реле К2. Реле К2 замыкает цепь включающего электромагнита YA1, и выклю чатель QF снова включается. Для дистанционного включения и отключения выключателя QF служат кнопки SB1 и SB2.
Рассмотренная схема АПВ применима к линиям с выключа телями, снабженными дистанционным управлением.
Система АПВ, кроме устранения перерыва в снабжении элек троэнергией, сокращает время горения и, следовательно, снижа ет разрушительное действие электрической дуги, так как линия отключается почти мгновенно после возникновения дуги. Приме нение АПВ позволяет во многих случаях отказаться от постоян ного обслуживающего персонала на подстанциях.
Потребители I категории, для которых перерывы в питании недопустимы, должны быть обеспечены резервным питанием. Включение резервного питания осуществляется автоматически, как только произойдет аварийное отключение рабочей линии или трансформатора. Промежуток времени между отключением и включением должен быть не более 1 с. Включение резервного питания через 1 с после отключения основного источника пита ния (ИП) практически не нарушает работы большинства токо приемников. АВР на промышленных предприятиях используют для автоматического включения секционного выключателя ГПП, в которой осуществляется раздельная работа питающих линий и трансформаторов.
Рассмотрим одну из наиболее простых схем АВР (рис. 2.22). По этой схеме при аварийном отключении выключателя QF1 автоматически включается выключатель QF2. В качестве реле, дающего импульс на включение выключателя QF2 резервного источника питания, служит обычное электромагнитное реле вре-
71
1Рабочий ИП |
иг |
РезервныйИП |
I |
|||
г- *т” |
и |
р |
|
QF2 |
||
1 |
|
и |
|
|
|
|
|
|
+ + |
-D |
-- |
|
|
|
|
КТ |
|
|
|
|
I--------- |
|
|
\ -------- |
|
1--------- |
f |
F m . 2 Ж Принципиальная схема автомэтического включения ре- sepia
мши КТ- При включенном состоянии выключателя QF1 рабо чего МП через блок-контакты QF1:1 производится питание ка тушки реле КТ- Замыкающие контакты реле КТ при этом закрытьк При отключении выключателя QF1 его блок-контакты Q F t; 2 замыкаются и через контакты реле КТ, которые еще на ходятся в замкнутом состоянии, подают питание к включающе му электромагниту YA выключателя QF2. При отключении вы ключателя QFt его блок-контакты QF1:1 разрывают цепь ка тушки реле КТ- Последнее с выдержкой времени размыкает свои контакты ш цепи включающего электромагнита YA выключате ля QF2- Выдержка времени должна быть достаточной для того, чтобы надежно включился резервный выключатель QF2.
Кожр&жцт т щ т т |
|
|
1.. Ш^якдаппь зишиютш юшипщшса |
|
шкшшшгтапьшэй |
тадашиадиий.. |
т |
шшргакеншщ, дшгавдшшпгешей, |
2>. Какшвй шйщачдаите ®шшй)Чйп№яи4 ш ш |
||
Ф щ а д и г е н й 'й Ф ш й ш э д с и и и ? Ш ф р е 'ш |
ш |
я г а э д ю й я р ч ш ш е теаш вч ш аш |
©«драдаг э(ш ашй[{йПГ1й1.
&. Как даадаифщ1адчшгя ицрюдощи шшшчшфшй шшвяшаг© шшпршкшвш
до зиврад, шжт&т зящтяЗд
ЙСашв® «айшачййий ад»й1рш®шшмк чгд ашш»#)(гг1{ртмгятг)рсгш ТПМЕИ ф ШШЩрЯШЮЕ-
ШЬ, wasmm. здющрямеаш® шшотшвщ, до шшдмаю ®м©и]рашгоя злга алшшратгвд?
&.№ к®torn крпгерш а шйЭяршг шдйшик тграшюфйцща^
Ф.Шкрчиштгте оэшшищ& тпрЕЙшиющ, шд^1ьтди®«11Ш£ & ршс^югй зашить.
Жфкдаа хашакп^ркзпмш ш угттшйггшва шаш^гншгшш тгааиашк теше РТГ~4(Ф
тт-ш ъ
$. ЛИрвэдщть ©дашаэдь юшкпш м ш ш ш ш 'шшшмх затвдтг ш шашшш-
тоо^ йшшшм т .
$1. Йуаиаие вдвда заиняти щтттт да® шшюкаюшдак шдюашк тцрашафацрмшор® щ адашцраддаишшийй ш щ ш т т л ш ш е ВШй В?
Ш. Каш®Щ1 <аэдюиййие щршщшш рашшшаш® |
до аотг- |
«врщртюс ш ааиодшиадяс траФфгршоршшк шадлшшдаш: аюфлюпрФшшшРЗ1
Глава 3 ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
3.1. Основные сведения об электроприводе
Электропривод — это электромеханическая система, состоя щая из электродвигательного, преобразовательного, передаточ ного и управляющих устройств, предназначенная для приведе ния в движение исполнительного органа рабочей машины и управления этим движением.
Примерами рабочих машин могут служить буровая лебедка, насос, исполнительными органами которых являются соответ ственно барабан и рабочее колесо.
Функциональная схема электропривода показана на рис. 3.1. Основная задача электродвигателя Д в приводе — преобра зование электроэнергии источника питания ИП в механи ческую энергию вращающего вала, которая передается испол нительному органу рабочей машины РМ. В современном элект
роприводе двигатель приводит |
рабочую |
машину |
через |
|
передаточное |
устройство ЛУ, |
понижающее |
(редуктор) либо |
|
повышающее |
(мультипликатор) |
частоту вращения. |
Важным |
|
элементом электропривода служит преобразователь Л, который преобразует параметры электрической энергии (напряжение, частоту переменного тока и др.), что необходимо для регулиро вания частоты вращения двигателя. Управляющее устройство УУ служит для управления преобразованием электроэнергии в механическую и обеспечения необходимого качества технологи ческого процесса.
Как следует из рис. 3.1, управление осуществляется воздей ствием на Л и Д управляющих сигналов, вырабатываемых УУ. Управляющие сигналы могут формироваться с учетом толь ко задающего сигнала £/3, либо и других сигналов, поступающих от РМ и других элементов привода. На рис. 3.1 показан част ный случай, когда на УУ поступает управляющий сигнал от РМ.
Широкое распространение электропривода обусловлено сле дующими причинами: простота и легкость распределения, а так же преобразования электрической энергии; хорошие регулиро вочные характеристики электродвигателей, позволяющие наи лучшим образом приспособить электропривод к требованиям технологического процесса; высокий к. п. д.
Преимущества электропривода по сравнению с другими ви дами привода (например газотурбинным, дизельным) состоят в следующем:
экологические преимущества, поскольку электродвигатель со вершает работу без выделения газов и шума;
73
Рис. 3.1. Функциональная схема электропривода
преобразование электрической энергии в механическую осуществляется с малыми потерями, причем к. п. д. электродви гателя в широком диапазоне изменения нагрузки изменяется незначительно;
допускаются значительные кратковременные перегрузки (в 2—3 раза);
возможности выполнения электродвигателей, защищенных от пыли, газа и влаги;
большой диапазон мощностей и номинальных скоростей электродвигателей позволяет в ряде случаев отказаться от ме ханических передач между отдельными звеньями рабочей ма шины.
Применение электропривода способствует повышению каче ства продукции, снижению себестоимости, высвобождению ра бочих, избавлению людей от тяжелого и утомительного труда. Около 60% всей вырабатываемой электрической энергии идет на преобразование ее в механическую, т. е. используется элект роприводом.
Для технологических установок нефтяной промышленности характерна большая энергонасыщенность, концентрация на одной площадке большого числа крупногабаритных электродви гателей.
Например, в |
буровой установке «Уралмаш-15000», пред |
|
назначенной для бурения скважин до глубины |
15 000 м, сум |
|
марная установленная мощность электрических |
машин дости |
|
гает 44 МВт, на |
отдельных нефтеперекачивающих станциях |
|
Западной Сибири — 70 МВт.
3*2. Динамика электропривода
Во время работы любого механизма возникает противодей ствующее усилие. Например, при вращательном бурении возни кает противодействующее усилие, обусловленное трением и сопротивлением разрушению горных пород. Это усилие зависит от физико-механических свойств буримых пород н режима буре ния. Такую силу называют статической силой сопротивления
а момент, вызываемый ею, — статическим моментом сопро тивления А1С. Электродвигатель при бурении должен преодоле вать этот момент, потребляя из сети электроэнергию.
74
Рис. 3.2. |
Момент сопротивления на |
а |
б |
валу рабочей машины: |
|
|
|
а — момент |
сопротивления на валу буро |
|
|
вой лебедки; б — характеристики реактив |
|
|
|
ного (/) и активного (2) моментов сопро |
|
|
|
тивления |
|
|
|
Статический момент сопротивления, возникающий только при движении и всегда направленный против движения, назы вают реактивным. Большая часть рабочих машин (насосы, ком прессоры, роторы буровых установок вращательного бурения и др.) имеет реактивный момент сопротивления.
Статический момент, направление которого не зависит от направления движения, называют активным.
Например, при подъеме и опускании колонны бурильных труб вес колонны направлен вниз и создает статический момент MG= GDQ/2, направление которого при вращении против часовой стрелки (подъем колонны) и по ней (опускание колонны) не изменяется (рис. 3.2,а).
К механизмам с активным моментом относятся механизмы, преодолевающие силы тяжести.
Согласно первому закону Ньютона вращение равномерно (ш = const) при М =М С, если М >М С, получаем ускорение элект родвигателя и механизма, а если М<СМС— замедление.
Таким образом, при неравномерном вращении всегда име ется некоторая разность между вращающим моментом двигате
ля М и моментом сопротивления Мс, т. е. |
|
Мд„„ = М - М с, |
(3.1) |
где Мдин — динамический момент, Н-м.
Очевидно, при равномерном вращении Мдин=0, при ускоре нии Мдин>0 , а при замедлении Мдин<0. Уравнение (3.1) назы вают основным уравнением движения электропривода для вращательного движения.
Динамический момент можно выразить через момент инер
ции |
|
-Мдин = Jdtojdt, |
(3.2) |
где dtofdt — угловое ускорение, 1/с2; / — момент инерции всех движущихся частей, приведенный к скорости вала двигателя, кг* м2.
75
С учетом (3.2) основное уравнение движения электропривода примет вид
|
М — Мс = Jdaldt. |
(3.3) |
|
Решив уравнение (3.3), можно |
определить |
время пуска, |
|
торможения и реверсирования электропривода. |
|
||
Вращающий момент электродвигателя определяют по фор |
|||
муле |
|
|
|
|
М = 103 Р/© = |
9550 Pjn, |
(3.4) |
где Р — мощность |
на валу электродвигателя, кВт; со = я/г/30 = |
||
= /г/9,55 — угловая |
скорость вала, 1/с; п — частота |
вращения ва |
|
ла, об/мин. |
|
|
|
В основное уравнение движения электропривода входит мо мент сопротивления, приведенный к валу двигателя. Определе ние статического момента сопротивления на валу двигателя по Моменту сопротивления на валу механизма называется приве дением момента. Если рабочая машина приводится от элект родвигателя через редуктор (рис. 3.3), то в соответствии с зако ном сохранения энергии при понижении скорости в i раз во столько же раз увеличится момент. С учетом к. п. д. получим
момент на валу рабочей машины Mc(p'M)= M ctrj, откуда |
|
Мс = АГс<Р-и>/(£т)). |
(3.5) |
Момент инерции сплошного цилиндрического тела, вращаю щегося вокруг своей оси, определяется по формуле
/ = mD2/4, |
(3.6) |
где тп— масса тела, кг; D — диаметр инерции тела, м. Следует различать диаметр инерции D и геометрический диаметр тела
Dr. Они связаны между собой соотношением D = Drf l 2. Чем больше момент инерции /, тем дольше длятся пуск, торможение и реверсирование двигателя.
Момент инерции механизма приводится к скорости вала дви гателя из уравнения баланса кинетической энергии. Если рабо
чая машина приводится в движение через |
редуктор, то момент |
|
1 |
2 |
3 |
Рис. 3.3. Кинематическая схема механизма:
/ — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — рабочая машина
76
инерции |
приведенный к |
валу двигателя, |
определяется из |
соотношения |
у |
|
|
|
= /(p.M)/t-2> |
(3.7) |
где / — момент инерции исполнительного органа рабочей маши ны, кг*м2.
Для тела массой т , движущегося поступательно (например, колонна бурильных труб) со скоростью v, приведенный момент инерции определяется по формуле
/' = т у 2/©2.
Общий момент инерции электропривода равен моменту инер ции двигателя и сумме всех приведенных к валу двигателя мо ментов инерции.
3.3. Механические характеристики электродвигателей и исполнительных органов рабочих машин
При выборе электродвигателей необходимо, чтобы их элект ромеханические свойства соответствовали технологическим тре бованиям рабочей машины. К электромеханическим свойствам относится, в первую очередь, механическая характеристика.
Механической характеристикой электродвигателя |
называют |
|||
зависимость между частотой вращения |
вала и моментом п= |
|||
= f(M). Вместо частоты |
вращения вала |
п |
можно |
записать |
со=f(M ), так как эти величины пропорциональны: |
|
|||
со = |
пп/30 = п/9,55. |
|
(3.8) |
|
М е х а н и ч е с к и е |
х а р а к т е р и с т и к и |
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 н е з а в и с и м о г о и п а р а л
л е л ь н о г о |
в о з б у ж д е н и я . |
Двигатели |
постоянного тока |
независимого |
и параллельного |
возбуждения |
характеризуются |
тем, что их магнитный поток постоянен. Действительно, их об мотки возбуждения включены в электрическую сеть или под ключены к независимому источнику (рис. 3.4), а ток возбужде ния / в не зависит от тока якоря / а. Для изучения свойств дви гателя запишем основные формулы, известные из курса «Элект ротехника»:
электромагнитный момент (Н-м)
|
М = С/аФ, |
(3.9) |
где С — конструктивная |
постоянная; / а — ток якоря, А; |
ф — |
магнитный поток полюса, Вб; |
|
|
электродвижущая сила |
(э. д. с.) обмотки якоря, В |
|
Е = |
СФси = СеФп, |
(3.10) |
где Се— конструктивная постоянная;
77
а |
<Г |
в |
Рис. 3.4. Схемы двигателей постоянного тока независимого (а) и параллельно» го возбуждения (б) и механическая характеристика (в) двигателя независи мого возбуждения
сила тока в обмотке якоря, А |
|
|
/ а = (£/ — E)fRa, |
(3.11) |
|
где R&— полное сопротивление якорной цепи, Ом; |
U — напря |
|
жение сети, В; |
|
|
частота вращения якоря, об/мин |
|
|
п = |
(U — IaRa)/C eO. |
(3.12) |
Заменив в формуле (3.12) |
силу тока в якоре выражением / а= |
|
=М /СФ, получим уравнение механической характеристики |
||
п = UlCeO— MRJCeCO2. |
(3.13) |
|
Формула (3.13) представляет собой линейную |
зависимость |
|
частоты вращения якоря от момента. Первое слагаемое в фор муле (3.13) U/CeФ называют частотой вращения при идеальном
холостом ходе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
го |
М е х а н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и а с и н х р о н н о |
|||||||||
д в и г а т е л я . У асинхронных двигателей частота вращения |
||||||||||
ротора меньше частоты вращающегося магнитного |
поля стато |
|||||||||
ра. Напишем основные соотношения для асинхронного |
двига |
|||||||||
теля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Синхронная частота вращения (частота вращения магнитно |
|||||||||
го поля статора) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
щ = 60Л/Р- |
|
|
|
|
(3.14) |
|
|
Для |
промышленной |
частоты |
тока |
fi = 50 |
Гц |
синхронная |
|||
частота |
П\ имеет следующие значения, |
|
зависящие |
от |
числа |
|||||
пар полюсов р: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
р . . |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
9 |
333 |
12 |
|
пи об/мин |
3000 |
1500 |
1000 |
750 |
|
600 |
500 |
250 |
||
со,, |
1/с |
314 |
157 |
104,5 |
78,5 |
|
62,8 |
52,3 |
34,8 |
2 6 ^ |
78
Скольжение |
|
s = {ni — n2)/rii, |
(3.15) |
где n2— частота вращения ротора. |
|
В режиме идеального холостого хода |
s = 0, в номинальном |
режиме в зависимости от типа двигателя |
s = 0,024-0,06, а в ре |
жиме короткого замыкания 5= 1. Режим короткого замыкания соответствует началу пуска двигателя, когда ротор неподви
жен («2= 0), а обмотка статора |
присоединена |
к источнику |
пи |
||
тания. |
|
|
|
|
|
Номинальное скольжение |
(«1 — пИ)/пи |
|
|
||
|
5Н= |
(3.16) |
|||
где « н — номинальная частота вращения ротора. |
|
|
|||
Частота вращения ротора |
|
|
|
|
|
|
пг « |
«1 (1 — s). |
(3.17) |
||
Номинальный момент двигателя |
|
|
|||
|
Мя = 9550 P„//z„. |
(3.18) |
|||
Максимальный (критический) момент двигателя |
|
||||
|
Мшах = |
Шн, |
(3.19) |
||
где ‘к=М та&х1Мв — перегрузочная |
способность |
(приводится |
в |
||
каталогах электродвигателей). |
|
|
|
||
Критическое скольжение |
(соответствующее Мщах) |
|
|||
|
s KP = s„ |
+ |
yV — 1). |
(3.20) |
|
Для |
расчета механической характеристики |
крупных асин |
|||
хронных |
двигателей (мощностью более 100 кВт) пользуются |
||||
упрощенной формулой Клосса: |
|
|
|
||
|
М = 2Afmax/(s/sKp “Ь s Kp/s). |
(3.21) |
|||
Иногда требуется рассчитать характеристику только в ее рабочей части, где она почти прямолинейна. В этом случае при меняют формулу
М = MHs/sH. |
(3.22) |
|
Механическая характеристика асинхронного |
двигателя |
(рис. |
3.5) имеет две граничные точки идеального холостого хода |
(М = |
|
= 0, s = 0) и короткого замыкания (М =М пуСк, s = 1). Кроме гра ничных точек, характерными являются промежуточные точки, со ответствующие номинальному режиму (Мн, 5 Н) и максимальному
моменту (Мтах, 5 1ф) .
М е х а н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и с и н х р о н н о г о д в и г а т е л я . У синхронного двигателя ротор и магнитное поле
79