Электрооборудование нефтяной промышленности

Рис. 3.5. Механическая характеристика асинхрон­ ного двигателя

Рис. 3.6. Механическая

(а) и угловая (б) харак__ теристики синхронного М двигателя

статора вращаются с одинаковой частотой. Механическая ха­ рактеристика синхронного двигателя имеет вид горизонтальной прямой, т. е. частота вращения ротора не зависит от нагрузки (рис. 3.6, а).

Основные соотношения для синхронного двигателя: частота вращения ротора

Е — э. д. с., индуктированная в обмотке статора; Хс— индуктив­ ное сопротивление синхронной машины; 0 — угол сдвига фаз между э. д. с. статора и напряжением сети, или, что то же са­ мое, между осью результирующего магнитного поля двигателя и осью его полюсов.

Зависимость M=f(6) называют угловой характеристикой.

Как следует из формулы (3.24), момент двигателя изменяется по синусоидальному закону (рис. 3.6, б). С увеличением нагруз­ ки момент возрастает и при 0 = 90° достигает максимального значения, зависящего от напряжения и тока возбуждения (э. д. с. можно считать прямо пропорциональной току возбуж­ дения) .

60

Обычно номинальное значение угла 0Н= (25ч-30°), поэтому перегрузочная способность двигателя Мтах/Мн= 1,84-2,5. Чтобы двигатель не вышел из синхронизма при перегрузках или сни­ жении напряжения, временно можно увеличить ток возбужде­ ния, т. е. использовать форсированный режим.

Из изложенного следует, что все электродвигатели, за ис­ ключением синхронного, имеют «падающую» механическую характеристику, т. е. с увеличением момента на валу двигателя его частота вращения уменьшается. В зависимости от степени изменения частоты вращения механические характеристики дви­ гателей подразделяются на абсолютно жесткие, жесткие и мяг­ кие.

Абсолютно жесткую характеристику имеют синхронные дви­ гатели, поскольку их частота вращения вала не зависит от момента сопротивления.

При жесткой характеристике изменению момента сопротив­ ления от нуля до номинального значения соответствует незначи­ тельное (до 10%) изменение частоты вращения вала двигателя. Такие характеристики свойственны асинхронным двига­ телям и двигателям постоянного тока параллельного и незави­ симого возбуждения.

Мягкой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения. У этих двигателей с уве­ личением момента частота вращения вала сильно падает.

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 р а б о ч и х м а ­ шин. Механической характеристикой рабочей машины называ­ ют зависимость момента сопротивления исполнительного органа рабочей машины от частоты вращения. Поскольку принцип действия рабочих машин различен, механические характери­ стики имеют различную форму.

Механическая характеристика буровой лебедки при неизмен­ ной длине буровой колонны изображается вертикальной прямой линией 1 (рис. 3.7), так как при постоянном весе груза Мс постоянен и не зависит от скорости. Такую же характеристику имеют все машины, совершающие работу подъема, формоизме­ нения материала или преодолевающие трение (краны, порш-

Рис. 3.7. Механические харак­ теристики исполнительных ор­ ганов рабочих машин

невые насосы при неизменной высоте подъема жидкости и др.). Мощность таких машин растет линейно с частотой вращения.

Вентиляторы, центробежные насосы создают статический •момент сопротивления в результате трения о воздух или жид­ кость. При этом сила трения пропорциональна квадрату частоты вращения, поэтому механическая характеристика имеет форму параболы (кривая 2). Характеристики таких машин называют вентиляторными. У них потребляемая мощность растет пропор­ ционально кубу частоты вращения.

Существует также группа машин, момент сопротивления которых изменяется по линейному закону (прямая 5), а мощ­ ность пропорциональна квадрату частоты вращения. Такую характеристику имеет генератор постоянного тока независимого возбуждения, работающий на постоянное сопротивление на­ грузки.

=UfR&y который опасен по следующим причинам:

1)возникает сильное искрение на коллекторе, которое мо­ жет перейти в круговой огонь;

2)перегревается обмотка якоря;

чтобы в момент пуска /пуСк= (2—2,5)/н. Меньшим ток выбирать нецелесообразно, так как пуск может слишком затянуться. Обычно пусковые реостаты имеют несколько ступеней сопро­ тивлений (рис. 3.8,а). Чем больше число ступеней, тем плавнее пуск, но при этом усложняется схема управления. Секции ре­ остата замыкаются поочередно (обычно автоматически) в тот момент, когда пусковой ток уменьшится до некоторого значения /*. Момент замыкания каждой секции выбирается согласно рас­ чету или данным эксперимента.

Пусковая диаграмма (рис. 3.8,6) представляет собой сово­ купность нескольких механических характеристик, изображаю­ щих на графике пуск двигателя. Начало пуска соответствует

82

Рис. 3.8. Пуск двигателя постоянного тока независимого возбуждения

точке б, разгон — отрезкам прямых бв, гд, еа\ точки в, д соот­ ветствуют моментам замыкания секции реостата, а отрезки вг, де — возрастанию момента. Если пуск осуществляется с номи­ нальной нагрузкой, то он заканчивается в точке а.

Ограничить пусковой ток (момент) можно также плавным поднятием напряжения на якоре до номинального значения UB (рис. 3.8,в). Выбирая скорость нарастания напряжения на яко­

никающие при пуске асинхронных двигателей, близки к пробле­ мам пуска двигателей постоянного тока. Общим является факт протекания большого пускового тока, что опасно в отношении перегрева обмоток статора и ротора. При пуске также снижа­ ется напряжение сети, отрицательно влияющее на работу дру­ гих потребителей. Существует несколько способов пуска асин­ хронных двигателей.

Для двигателей с фазным ротором применяется реостатный

реактора или автотрансформатора, включенного в цепь статора, пуск с плавным подъемом частоты (и напряжения).

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором с помощью реостата в цепи ротора аналогичен реостатному пуску двигате­ ля постоянного тока. При этом уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент (до определенного предела увеличения сопротивления в цепи ротора). Физически это объ­

3.9,а). Как известно, частота тока в роторе асинхронного дви­

этом большая часть тока ротора проходит через активное сопро­ тивление. По мере разгона электропривода уменьшаются час­ тота тока в роторе и индуктивное сопротивление дросселя. При малых скольжениях индуктивное сопротивление дросселя ста­ новится настолько малым, что большая часть тока ротора про­ ходит через дроссель. При правильном выборе сопротивлений Rl, R2, X можно получить механическую характеристику двига­ теля, показанную на рис. 3.9, б. Наличие постоянно вклю­ ченного контура из сопротивлений в цепи ротора увеличивает скольжение двигателя в установившемся режиме на 7— 10%. Такую схему используют в электроприводе буровой лебедки и ротора отечественных буровых установок БУ-75БрЭ, БУ-43-76 и «Уралмаш-4000БЭ».

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще

Прямой пуск, при котором обмотка статора двигателя под­ ключается на номинальное напряжение сети, широко применя­ ется в нефтяной промышленности. Современные асинхронные короткозамкнутые двигатели по возникающим при пуске элект­ родинамическим усилиям и условиям нагрева допускают прямой пуск. Поэтому такой способ пуска всегда возможен, если сеть достаточно мощная и пусковые токи не вызывают недопустимо

84

больших потерь напряжения в сети (не более 10%). Пусковые свойства асинхронных короткозамкнутых двигателей можно характеризовать коэффициентом качества пуска, который пред­ ставляет собой отношение кратности пускового момента к кратности пускового тока, т. е.

к. п. д. и коэффициент мощности этих двигателей ниже двига­ телей обычного исполнения.

При прямом пуске асинхронного короткозамкнутого двигате­ ля под нагрузкой его мощность должна составлять (20—30) % мощности трансформатора, если от него питается только сило­ вая нагрузка и (5— 10)%, если от трансформатора питается осветительная нагрузка.

Если прямой пуск от сети короткозамкнутого двигателя не­ возможен, то применяют один из способов пуска при понижен­ ном напряжении (через автотрансформатор или реактор). Сна­ чала двигатель разгоняется при пониженном напряжении, а затем после достижения установившейся частоты вращения по­ дается полное напряжение.

Пуск двигателя плавным подъемом частоты и напряжения применяется в том случае, когда асинхронный двигатель пита­ ется от управляемого источника переменного тока (тиристорно­ го преобразователя частоты). При таком пуске по мере разгона двигателя увеличивают частоту тока, а напряжение увеличива­ ют таким образом, чтобы пусковой ток оставался все время неизменным. Подобный способ пуска находит применение для погружных электродвигателей центробежных насосов.

П у с к с и н х р о н н ы х д в и г а т е л е й . Для синхронных двигателей могут быть использованы асинхронный пуск, частот­ ный пуск от источника с плавно изменяющейся частотой и на­ пряжением.

В настоящее время основным способом пуска синхронных двигателей служит асинхронный пуск при полном или понижен­ ном напряжении (рис. 3.10).

Современные синхронные двигатели имеют пусковую об­ мотку, представляющую собой часть беличьего колеса и закла­ дываемую в пазы полюсных наконечников ротора. При пуске обмотка возбуждения ротора замкнута на резистор R. После того как двигатель разгонится под действием асинхронного момента, возникающего в пусковой обмотке, обмотка возбуж-

85

ты вращения многих рабочих машин изменением параметров двигателя (сопротивления, индуктивности, числа пар полюсов) или источника питания (напряжения, частоты).

В качестве примера рабочих машин, для которых требуется регулирование частоты вращения, можно привести буровые ле­ бедки, буровые насосы, станки-качалки, компрессоры и др.

Регулировочные свойства электроприводов оцениваются следующими показателями.

ший— 100:1. Это зависит от возможностей самого двигателя, способа регулирования частоты вращения и системы его уп­ равления.

Плавность регулирования характеризуется коэффициентом плавности Кпп=щ!пг-и где /г* — частота вращения на некоторой t-й ступени; /гг- 1— меньшая частота вращения на предыдущей ступени регулирования. Например, двухскоростной асинхронный двигатель имеет коэффициент плавности /СП =2. Это соответст­ вует очень низкой плавности. Двигатель постоянного тока мо­ жет иметь коэффициент плавности, близкий к единице.

Стабильность частоты вращения при изменении нагрузки за­ висит от жесткости механической характеристики. У двигателей

частота вращения уменьшается незначительно. Синхронный дви­ гатель обладает абсолютной стабильностью.

Экономичность регулирования частоты вращения часто оп­ ределяет способ регулирования. Включение резисторов в цепь якоря или ротора вызывает бесполезные потери электрической энергии. Регулирование частоты вращения двигателя постоян­ ного тока изменением напряжения на якоре, хотя и связано с небольшими потерями электрической энергии, но требует доро­ гого и сложного оборудования.

Направление регулирования частоты вращения может быть в большую или меньшую сторону относительно номинального значения.

Допустимая нагрузка на двигатель в процессе регулирования задается в паспорте в виде номинальной мощности и тока. Мощность двигателя ограничена нагревом, зависящим от потерь в двигателе, его конструкции, размеров, применяемых материа­ лов, вентиляции.

В процессе регулирования частоты вращения мощность и момент, развиваемые двигателем, могут изменяться, но в любом случае они не должны превышать номинального значения. Рас­ смотрим зависимость между частотой вращения двигателя, допустимыми мощностью « моментом на валу.

87

Рис. 3.11. Режимы регулирова­ ния частоты вращения электро­ двигателей

в

п

Из формулы Р=Мл/9550, где Р — мощность двигателя, сле­ дует, что если М =М В, то при номинальной частоте вращения мощность, развиваемая двигателем, будет номинальной. При этом двигатель будет нагреваться до допустимой температуры. Если нужно регулировать частоту вращения при постоянном моменте (рис. 3.11, участок аб), то с ее увеличением допусти­ мая мощность растет прямолинейно (участок 0 г) до номиналь­ ного значения. Если частоту вращения требуется еще увеличить* то нужно снижать момент (участок бв), чтобы мощность оста­ лась допустимой.

Таким образом, электропривод в процессе регулирования частоты вращения может работать в двух режимах: 1) при по­ стоянном моменте, 2) при постоянной мощности. Первый режим целесообразен для буровых насосов, второй — буровых лебедок.

Существует группа рабочих машин (вентиляторы, центро­ бежные насосы), у которых регулирование частоты вращения вверх от основной недопустимо, так как мощность пропорцио­ нальна кубу частоты вращения, что может привести к большим перегрузкам.

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 д в и г а т е ­

способов регулирования частоты вращения двигателей постоян­ ного тока: изменением сопротивления в цепи якоря; изменением магнитного потока и подводимого напряжения.

На рис. 3.12, а показана схема регулирования частоты вра­ щения указанными способами.

Как следует из формулы (3.13), чем больше сопротивления

частота вращения идеального холостого хода по при включении резистора Rn не изменится. Чем больше /?д, тем меньше жест­ кость механической характеристики. На рис. 3.12,6 изображены

способа регулирования — надежность и простота, недостатки —

88

6

р

V7- 1 -

Рис. 3.12. Регулирование частоты вращения двигателя по­ стоянного тока независимого (параллельного) возбуждения

неэкономичность, обусловленная бесполезным нагревом добавоч­ ных резисторов; необходимость многоступенчатого реостата и громоздкой аппаратуры управления для получения плавного регулирования; уменьшение жесткости механических характе­ ристик и стабильности частоты вращения; возможности регули­ рования частоты вращения только вниз от основной.

Регулирование частоты вращения ослаблением магнитного потока осуществляется изменением сопротивления RB (рис. 3.12,а). Как следует из формулы (3.12), с уменьшением магнит­ ного потока частота вращения увеличивается. При этом увели­ чивается также частота вращения идеального холостого хода. На рис. 3.12, в показаны естественная (при номинальном маг­ нитном потоке) и искусственная (при ослабленном магнитном потоке) механические характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования прост, экономичен, так как ток возбуждения сравнительно мал и потери энергии в регулировочном реостате незначительны. Диапазон регулирова­ ния D = 2: 1, но может достигать и больших значений. Недостат­ ком этого способа является возможность регулирования только

89