Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

Фрикционные электромагнитные муфты в нефтяной и газо­ вой промышленности применения не нашли. В приводе буровых установок электромагнитные муфты применяются в качестве электротормоза буровой лебедки, для оперативного соединения приводного вала лебедки с двигателем, сочленения двигателей (в первую очередь внутреннего сгорания) с групповой транс­ миссией; в качестве пусковой муфты в приводе лебедки от по­ стоянно вращающихся двигателей (синхронных или асинхрон­ ных с короткозамкнутым ротором); для оперативного сое­ динения бурового насоса с приводом, ограничения момента, передаваемого на ротор, регулирования частоты вращения ро­ тора, регулирования числа двойных ходов бурового насоса; для автоматизации подачи долота в процессе бурения.

Электромагнитная муфта скольжения (рис. 26, а) (ЭМС) со­ держит две концентрически расположенные вращающиеся ча­ сти — якорь 2 и индуктор 4, механически не связанные между собой. Одна из частей ЭМС закреплена на ведущем валу 6, а другая — на ведомом 1. Якорь обычно выполняется цилиндри­ ческим, сплошным стальным или шихтованным. В последнем случае он всегда имеет трехили многофазную обмотку. Индук­ тор, на котором расположена обмотка возбуждения 3, изготов­ ляется сплошным стальным и образует полюсную систему. По­ стоянный ток к обмотке возбуждения 3 подводят через кон­ тактные кольца 5. Конструкции якорей различны, так же как различны и конструкции полюсной системы индуктора.

При вращении приводным двигателем ведущего вала 6 с ча­ стотой п\ и отсутствии тока в обмотке возбуждения 3 ведомый вал 1 остается неподвижным.

При включении постоянного тока в обмотку возбуждения 3 возникает магнитный поток, который наводит в якоре 2 пере­ менную э. д. с. и в якоре 2 возникает ток.

В результате взаимодействия тока якоря 2 с магнитным по­ током полюсов индуктора 4 возникает электромагнитный мо­ мент, под действием которого ведомый вал 1 начинает вра­ щаться в ту же сторону, что и ведущий. Вращающий момент зависит от частоты вращения якоря относительно индуктора и значения тока возбуждения / в. Частота вращения ведомого вала п2 зависит от тока возбуждения муфты и момента сопро­ тивления на этом валу (рис. 26, б).

Так как только при скольжении имеются токи в якоре муфты и возникает вращающий электромагнитный момент, то частота вращения ведомого вала п2 всегда меньше, чем у ведущего П[. Вследствие скольжения во всех режимах работы такие муфты называют электромагнитными муфтами скольжения или реже — асинхронными. Механические характеристики ЭМС с массив­ ным якорем в основном являются мягкими, однако с увеличе­ нием мощности ЭМС их жесткость увеличивается.

Для получения тормозных свойств достаточно закрепить не­ подвижно одну из частей муфты (обычно индуктор). Вторая

71

часть (обычно якорь) связывается с валом, который следует тормозить. В момент торможения включается ток возбуждения. Так как скольжение при этом максимально, тормозной момент достигает двух-трехкратного номинального момента муфты. По мере снижения частоты вращения тормозной момент снижается и к концу торможения становится равным нулю (так как сколь­ жение также равно нулю). Энергия торможения выделяется (рассеивается) в обмотке якоря, который следует интенсивно охлаждать. Электромагнитные муфты и тормоза скольжения иногда называют индукционными.

В электромагнитной порошковой муфте (ЭПМ) (рис. 27, а) слой ферромагнитного порошка в зазоре 5 между ведущей 4 и

6

P m . 26s Устройство (а) н механическая характеристика (б) электромагнит­ ной муфты скольжения

ведомой 6 частями представляет собой пластичную среду с со­ противлением сдвигу, зависящ им от м агнитной индукции. Э то

мость зазора в 4— 8 раз в зависимости от состава наполнителя и значения м агнитной индукции в зазоре, создаваемой обм откой

в рабочем зазоре, увеличивается тангенциальная сила, необхо­ дим ая для сдвига ведущ ей части относительно ведомой, и, сле­

ходит рабочий момент Э П М , происходит проскальзывание. П р и этом допустимое скольж ение и время, в течение которого сколь­

вая м агнитная линия 7 показана пунктиром .

Ш

Для получения тормозных свойств достаточно закрепить неподвижно одну из частей ЭПМ, а вторую связать с валом, который необходимо тормозить. В момент начала торможения включается обмотка возбуждения, что вызывает затягивание ферромагнитной смеси в рабочий зазор и появление тангенци­ альной силы, тормозящей ведущий вал. Энергия торможения выделяется в ферромагнитной смеси и деталях, прилегающих к рабочему зазору, которые необходимо интенсивно охлаждать.

г

Рис. 27. Устройство (а), механиче­ ская характеристика (б), зависи­ мость момента от тока возбуждения

(в) электромагнитной порошковой муфты и механическая характерис­ тика (г) электромагнитного порош­ кового тормоза ТЭП-4500

Механическая характеристика ЭПМ (рис. 27, б) является устойчивой, и момент, передаваемый ЭПМ при неизменном токе возбуждения, практически не зависит от частоты вращения. Если же при некоторой частоте вращения и токе возбуждения нагрузку на валу сцепленной ЭПМ увеличивать, то при превы­ шении моментом сопротивления максимального момента ЭПМ произойдет стопорение ведомого вала. При уменьшении тока возбуждения до некоторого значения синхронное вращение ве­ дущей и ведомой частей ЭПМ сохраняется; при дальнейшем уменьшении тока возбуждения частота вращения ведомой части резко падает до значения, равного нулю (рис. 27, в).

У электромагнитного порошкового тормоза при изменении частоты вращения вала от нуля до 100 об/мин момент практи­ чески не изменяется. Дальнейшее увеличение частоты вращения вала влечет за собой уменьшение тормозного момента на 20— 30 % вследствие действия центробежных сил на частицы по­ рошка (рис. 27, г) .

73

зельным и электрическим приводами, относительно просто ре­ шить вопросы автоматизации управления приводом лебедки с возможностью форсирования переходных процессов, что обес­

навливаются между приводными двигателями и трансмиссией. При производстве спуско-подъемных операций приводной дви­ гатель работает в режиме постоянного вращения на естествен­ ной характеристике.

Лебедку пускают включением электромагнитной муфты путем подачи тока в обмотку возбуждения. Система управления может быть выполнена автоматической или полуавтоматиче­ ской с возможностью оперативного вмешательства бурильщика. Формирование необходимых динамических характеристик может быть получено регулированием тока возбуждения.

Привод с электромагнитными муфтами обеспечивает непре­ рывный переход от натяжения талевой системы к подъему ин­ струмента, остановку колонны бурильных труб на заданной вы­ соте, полную загрузку приводных двигателей и равномерное рас­ пределение нагрузки между ними.

Вкачестве вспомогательных тормозов буровых лебедок на­ шли применение гидравлические и электрические тормоза. Иногда для торможения могут быть использованы приводные двигатели лебедки. Наиболее целесообразным типом вспомога­ тельного тормоза буровой лебедки является электромагнитный тормоз.

Вэлектромагнитных индукционных и порошковых тормозах вся энергия торможения превращается в тепло, для отвода ко­ торого предусматривается водяное или реже воздушное охлаж­ дение. Относительно простая конструкция, отсутствие фазной обмотки, плавность торможения, удобство и легкость управле­ ния тормозным моментом позволяют считать электромагнитные тормоза наиболее перспективными тормозными устройствами для буровых лебедок.

Электромагнитные тормоза обычно сочленяются с валом ба­ рабана лебедки с помощью шинно-пневматических муфт. Си­ стема водяного охлаждения устанавливается рядом или выно­ сится за пределы буровой площадки. Станция управления элек­ тромагнитным тормозом может быть расположена в любом удобном месте на буровой установке или за ее пределами. Уп­ равление тормозом производится с пульта бурильщика и при необходимости может быть связано с рукояткой механического тормоза.

Процессом торможения при спуске инструмента управляют,

изменяя силу тока возбуждения электромагнитного тормоза. Си­ стема управления так же, как и в электромагнитных муфтах, может быть выполнена автоматической или полуавтоматиче­ ской с возможностью оперативного вмешательства бурильщика.

75

Б У -80Б рЭ , БУ -2500БрЭ использую т синхронные электродвига ­

новкн с электром агнитной муфтой и тормозом м ожет быть б у ­ ровая установка БУ -2500БрЭ . В этой установке привод буровой

ровых насосов. И х описание и технические характеристики п р и ­ ведены в § 8. Вал этого двигателя сочленен с трансмиссией, от

регулируется автоматически с помощ ью раздельных регуля ­ торов.

Схема управления электродвигателем (рис. 28) обеспечивает пуск двигателя С Д и вхождение его в синхронизм , а та кж е ав­ томатическое регулирование силы тока возбуж дения двигателя.

лучает питание от однофазного тиристорного возбудителя ТВ, содерж ащ его блок силовых тиристоров, блок управления пре­ образователем и трансф орматор.

Управление возбуждением двигателя при пуске и втягива ­

76

нии в синхронизм осуществляется узлом синхронизации УС, со­ стоящим из разрядного резистора, тиристоров и ряда вспомога­ тельных элементов. Основным управляющим элементом явля­ ется магнитный усилитель МУ, на обмотки управления которого подаются сигналы обратных связей.

В схеме применены положительная обратная связь по силе тока статора двигателя, отрицательная обратная связь по на­

реле времени РВ включает контактор К и начинается асинхрон­ ный пуск синхронного двигателя. Одновременно пускатель ПВ подает питание на возбудитель ТВ, однако он заперт, и посто­ янного тока в ОВСД нет. Это происходит потому, что по раз­ рядному резистору, входящему в состав устройства синхрони­ зации УС, течет переменный ток. Напряжение, пропорциональ­ ное этому току, снимается с устройства синхронизации УС,

77

пульсы, открывающие транзисторные ключи на 100—150 мкс. Поскольку векторы напряжений UBc и UА сдвинуты на 90°, в мо­ мент открывания ключа запоминающий конденсатор оказыва­ ется подключенным к амплитудному значению напряжения UАг а в случае ДАТ — к напряжению, прямо пропорциональному ак­ тивной составляющей тока статора СД. Зафиксированное зна­ чение напряжения на запоминающем конденсаторе действует до следующего срабатывания ключа.

Необходимая сила тока возбуждения СД зависит от уровня напряжения питающей сети и нагрузки СД. Соответствующий закон регулирования тока возбуждения выбирается логическим устройством переключения каналов ЛУПК. Выходное напряже­ ние устройства ВУ зависит от уровня напряжения питающей сети и нагрузки на валу СД. Уровень напряжения на выходе ВУ влияет на фазу импульсов системы импульсно-фазового управ­ ления СИФУ, изменяющей угол отпирания тиристоров возбуди­ теля ТВ и, следовательно, силу тока возбуждения СД.

Когда напряжение сети становится ниже установленного ми­ нимального уровня, срабатывает датчик ДН1, осуществляется кратковременная форсировка (устройство УФ) тока возбужде­ ния. Если напряжение питающей сети ниже номинального, но превышает значение, при котором наступает форсировка, произ­ водится регулирование на поддержание постоянства напряже­ ния сети. В этом случае ток возбуждения двигателя поддержи­ вается постоянным и равным номинальному.

При увеличении напряжения сети выше номинального дат­ чик ДН2 через сравнивающее устройство СУ воздействует на ЛУПК и регулируется ток двигателя по активной составляю­ щей. При этом, поскольку напряжение питающей сети выше но­ минального, СУ выдает сигнал на ЛУПК о переходе на регули­ рование по активному току (канал ДАТ — ЛУПК — ВУ). В этом случае ток возбуждения зависит от нагрузки, что создает воз­ можность путем выбора нужного коэффициента усиления по ка­ налу ДАТ обеспечить устойчивость работы приводного синхрон­ ного двигателя лебедки.

При холостом ходе СД АРВ устанавливает неизменный ток возбуждения, равный (0,6—0,7) iBH, определяемый из условия устойчивости работы двигателя и минимума потерь электро­ энергии. В периоды максимальной нагрузки, достигающей дву­ кратного значения, сигнал от ДАТ становится наибольшим и. проходит через ЛУПК сквозным каналом на выход регуля­ тора, определяя ток возбуждения двигателя вне зависимости от уровня напряжения питающей сети. Это обеспечивает на­ дежную и устойчивую работу синхронного двигателя в момент включения максимальной нагрузки.

Схема управления возбуждением электромагнитной муфты ЭМС-750 (рис. 30) обеспечивает плавное приложение момента нагрузки к валу синхронного двигателя и достаточно интенсив­ ный разгон барабана лебедки. Обмотка возбуждения муфты ОВ

79-