Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

гателя понижается также пусковой момент, что является не­ достатком пуска при пониженном напряжении. Эти способы применимы в том случае, если возможен пуск двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Пуск при пони­ женном напряжении необходим чаще всего для мощных дви­ гателей высокого напряжения.

Иногда мощность асинхронного короткозамкнутого двига­ теля ненамного отличается от мощности питающего трансфор­ матора или генератора переменного тока. В этом случае не­ обходимо определить предельную мощность асинхронного ко­ роткозамкнутого двигателя, подключаемого к трансформатору или генератору. При этом учитывают влияние следующих факторов:

механическое воздействие пусковых токов на обмотки трансформатора (или генератора);

потери напряжения в обмотках трансформатора (или гене­ ратора) и в питающей двигатель сети, приводящие к сниже­ нию пускового и максимального моментов двигателя.

Степень влияния каждого из этих факторов зависит от кон­ кретных условий пуска и параметров двигателя и трансформа­ тора (частота пусков, пуск под нагрузкой или без нее, рабо­ тал ли трансформатор с нагрузкой до пуска двигателя, пита­ ется ли от трансформатора осветительная нагрузка, кратность пускового тока КПД и cos ср двигателя, напряжение короткого замыкания трансформатора).

Расчеты показывают, что мощность асинхронного короткозамкнутого двигателя, пускаемого под нагрузкой от полного напряжения сети, не должны превышать 20—30% от мощно­ сти трансформатора, если от него питается только силовая на­ грузка. Если же от трансформатора питается и осветительная нагрузка, то мощность запускаемого двигателя не должна пре­ вышать 5—10% от мощности трансформатора.

Пуск переключением обмотки статора двигателя со звезды на треугольник может быть применен в случаях, когда выве­ дены все шесть концов обмотки статора и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в треугольник. При пуске обмотка статора включается в звезду, а при достижении нормальной частоты вращения переключается в треугольник. Этот способ ранее широко применялся при пуске двигателей напряжением до 1000 В, однако с увеличением мощности се­ тей потерял свое прежнее значение.

Если асинхронный двигатель питается от автономного источ­ ника переменного тока (генератора либо преобразователя ча­ стоты), применяют пуск плавным подъемом частоты или на­ пряжения. При этих способах пуска по мере разгона двигателя

151

бсжных насосов, питаемых от тиристорных преобразователей

частоты.

Рассмотрим влияние снижения напряжения на пуск асин­ хронного двигателя. Пониженное напряжение £/, при котором еще обеспечивается необходимый пусковой момент, будет опре­ деляться из выражения

(3.49)

где Afn — пусковой момент при номинальном напряжении;

щий МщЦМъ^1,4, под нагрузкой МС=М Н.

Рассмотрим влияние снижения напряжения на нродолжи- чтш&ет пуска, Время разгона от s = l до s = 0 при постоян­ ном избыточном моменте приближенно определяется следую­ щим выражением:

где Тщ= ^ектромехашчеекая постоянная времени-элежтро- прнведа;; Шц - номинальный момент двигателя..

Время разгона при любом напряжении в долях временил раз­ гона при пошпом напряжении:

жеита танряжения значительно возрастает.. Так* раюшатшшвая

разнога ш35 раза.. ЕНри шухвде даиигателявтакоспую ((Мш=©))„

т

могут быть использованы следующие способы пуска: без на­ грузки с помощью разгонного двигателя; частотный пуск, при­ меняемый в специальных установках при питании обмотки ста­ тора синхронного двигателя от источника электроэнергии с плавно регулируемой частотой в диапазоне от нуля до номи­ нального значения; асинхронный пуск под нагрузкой, аналогич­

а его обмотку возбуждения при этом питать постоянным током, ротор не будет вращаться, так как при неподвижном роторе усилие, возникающее в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора, будет изменять свое направление с ча­ стотой 100 Гц.

Если же довести ротор синхронного двигателя до частоты вращения, близкой к синхронной (подсинхронная), то частота изменения знака вращающего момента, определяемая величиной скольжения ротора относительно вращающегося поля статора, будет мала и ротор двигателя может разогнаться до синхрон­ ной частоты вращения (втянуться в синхронизм).

Для разгона синхронного двигателя до подсинхронной ча­ стоты вращения служит пусковая обмотка, аналогичная об­ мотке ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя, обра­ зованная стержнями, заложенными в полюса ротора.

При включении обмотки статора синхронного двигателя в сеть его обмотка возбуждения действует как вторичная об­ мотка трансформатора, первичной обмоткой которого является обмотка статора. Вследствие того, что обмотка возбуждения имеет много витков, индуктируемое в ней напряжение может оказаться опасным как для изоляции, так и для обслуживаю­

т

щегО персонала. Во избежание этого на период пуска обмотку возбуждения замыкают на так называемый разрядный рези­ стор, который выбирают таким образом, чтобы напряжение на обмотке возбуждения не превышало безопасного для изоляции

напряжения 1 000—2 000 В.

С точки зрения уменьшения напряжения на зажимах об­ мотки возбуждения наилучшим является замыкание ее нако­ ротко, поскольку в этом случае напряжение на ее зажимах равно нулю. Однако такое соединение можно применять лишь в исключительных случаях. Токи, индуктированные в обмотке возбуждения, взаимодействуя с полем статора, создают допол­ нительный (одноосный) момент, действующий согласно с мо­ ментом пусковой обмотки при частотах вращения до полусинхронной и встречно — при частотах выше полусинхронной. При закороченной обмотке возбуждения одноосный момент может снизить пусковой момент двигателя настолько, что он начнет устойчиво работать при частоте вращения, близкой к полусин­ хронной. Замыкание обмотки возбуждения на разрядный ре­ зистор значительно снижает одноосный момент.

Обычно синхронные двигатели СД имеют на своем валу возбудитель В в виде генератора постоянного тока параллель­ ного возбуждения. При пуске по схеме рис. 3.12, б обмотка воз­ буждения двигателя ОВ замкнута контактами контактора КВ на разрядный резистор РР. После включения контактора Л под действием асинхронного момента, создаваемого пусковой об­ моткой, двигатель СД разгоняется до подсинхронной частоты вращения. В конце асинхронного пуска срабатывает частотное реле, обмотка которого (на рис. 3.12, б не показана), подклю­ ченная к резистору РР, включает контактор цепи возбуждения КВ. Последний своими контактами отключает разрядный ре­ зистор и подает постоянный ток в обмотку возбуждения дви­ гателя. Если момент двигателя на этой частоте вращения при подключенном возбуждении (втягивающий момент) оказыва­ ется достаточным для ускорения привода до синхронной час­ тоты вращения, двигатель втягивается в синхронизм и продол­ жает работать в синхронном режиме.

Условия втягивания в синхронизм будут тем благоприятнее, чем меньше скольжение, при котором подается ток в обмотку возбуждения, а также чем меньше момент статического сопро­ тивления на валу двигателя момента инерции ротора двигателя и приводимого механизма. Практически скольжение, при кото­ ром происходит надежное втягивание в синхронизм, должно быть меньше 0,05.

При синхронной частоте вращения момент, создаваемый пу­ сковой обмоткой, равен нулю, так как проводники обмотки не пересекают магнитные силовые линии и ток в них равен нулю.

Пуск по схеме рнс. 3.12, б отличается определенной слож­ ностью. Поэтому в последнее время все чаще применяют схему

154

с наглухо подключенным возбудителем и без разрядного резис­ тора (рис. 3.12, в). При этом якорь возбудителя выполняет роль разрядного резистора, и в его цепи протекает при пуске пере­ менный ток, который, однако, не причиняет ему вреда. При частоте вращения ротора, равной 60—70% от синхронной ча­ стоты, возбудитель, возбуждаясь, возбуждает синхронный дви­ гатель, благодаря чему при приближении к синхронной частоте вращения двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 3.12, в, происходит в менее благоприят­ ных условиях. Во-первых, двигатель возбуждается слишком рано и при этом возникает дополнительный тормозящий мо­ мент на валу. Во-вторых, сопротивление якоря недостаточно для значительного уменьшения одноосного момента. Тем не ме­ нее данная схема (см. рис. 3.12, в) обеспечивает надежное втя­ гивание двигателя в синхронизм, если момент сопротивления на валу при подсинхронной частоте вращения не превышает (0,4— 0,5)Мп. Путем совершенствования пусковой обмотки двигателя можно достичь надежного втягивания в синхронизм при мо­ менте статического сопротивления, равном номинальному мо­ менту двигателя. Пуск по этой схеме по своей простоте при­ ближается к пуску асинхронного двигателя.

Обычно производят прямой асинхронный пуск синхронных двигателей путем включения обмотки статора на полное на­ пряжение сети. При тяжелых условиях пуска (большая потеря напряжения в сети и опасность перегрева пусковой обмотки) осуществляют реакторный или автотрансформаторный пуск при пониженном напряжении, как и в случае короткозамкнутых асинхронных двигателей.

Внекоторых случаях возможен частотный пуск, когда дви­ гатель питается от отдельного источника питания и частота его тока плавно поднимается от нуля. При этом синхронный дви­ гатель приходит в синхронное вращение уже при достаточно малой частоте.

Впоследние годы внедряются системы возбуждения син­ хронных двигателей с питанием обмотки возбуждения от сети

переменного тока через тиристорные выпрямители. Схема уп­ равления при достижении подсинхронной скорости двигателя обеспечивает отпирание тиристоров и подачу тока в обмотку возбуждения.

Обычно ток подводится к обмотке возбуждения синхронного двигателя через кольца и щетки. Вследствие низкой надежно­ сти щеточного контакта применяют бесщеточные возбудитель­ ные устройства, содержащие синхронный возбудительный обра­ щенный генератор с вращающейся обмоткой переменного тока и вращающийся неуправляемый выпрямитель с разрядным ре­ зистором. Обмотка возбуждения синхронного двигателя при­ соединена наглухо к выпрямителю. Управление током возбуж­ дения синхронного двигателя осуществляется путем изменения

155

тока в обмотке возбуждения синхронного возбудителя, распо­ ложенной на его неподвижных полюсах. Конкретные схемы бес­ щеточных возбудителей рассмотрены в гл. 7 и 9.

Регулирование частоты вращения двигателей

Об щи е п о л о ж е н и я . Регулированием частоты враще­ ния называется ее принудительное изменение в зависимости от требований производственного процесса. В условиях автомати­ зации и механизации процессов бурения, добычи и транспорта нефти и газа необходимо обеспечить регулирование частоты вращения многих механизмов в заданных пределах. В настоя­ щее время доказано, что регулирование частоты вращения способствует увеличению производительности труда, улучшению качества продукции и экономии электроэнергии. В качестве примера механизмов, для которых требуется регулировать ча­ стоту вращения, можно привести буровые насосы, станки-ка­ чалки, центробежные нагнетатели.

Регулирование частоты вращения механизма можно осу­ ществить изменением передаточного числа механических или гидравлических передач, либо воздействием на параметры элек­ трических цепей двигателя. Последний способ находит все большее распространение, однако часто оказывается целесооб­ разным сочетание механических и электрических способов регу­ лирования.

Основные показатели, применяемые для сравнения различ­ ных способов регулирования частоты вращения двигателя: диапазон регулирования (отношение максимальной рабочей ча­ стоты вращения к минимальной), направление, в котором ре­ гулируется частота вращения (увеличение или уменьшение ча­ стоты вращения по отношению к номинальной), плавность ре­ гулирования (отношение частот вращения двигателя на двух соседних ступенях регулирования), допустимая нагрузка двига­ теля при различных частотах вращения, экономичность (КПД, эксплуатационные и первоначальные затраты), стабильность ра­ боты на искусственной характеристике.

Регулирование частоты вращения представляет собой не только техническую, но и экономическую задачу. Поскольку регулируемый электропривод, как правило, требует больших первоначальных и эксплуатационных затрат, чем нерегулируе­ мый, повышение производительности труда и экономия элек­ троэнергии при правильно выбранном регулируемом приводе должны компенсировать указанное увеличение затрат.

Вопрос о нагрузке, допустимой при продолжительной ра­ боте на регулировочных характеристиках, очень важен при вы­ боре способа регулирования и определения необходимой мощ­ ности двигателя. Главным критерием при решении этого воп-

ш

роса является нагрев двигателя, который зависит от потерь энергии в нем. Поскольку последние определяются силой тока якоря (ротора) двигателя, то для косвенной оценки нагрева используют силу тока. При этом в качестве допустимого тока, с точки зрения нагрева двигателя при его продолжительной работе, принимают номинальную силу тока.

Таким образом, в первом приближении можно считать, что при работе на регулировочных характеристиках будет дли­ тельно допустим такой момент сопротивления на валу двига­ теля, при котором сила тока якоря (ротора) не превзойдет но­ минальную, а в пределе будет ей равна.

Как известно, момент двигателя, равный в установившемся режиме моменту статического сопротивления, определяется про­ изведением магнитного потока на ток якоря (ротора). Если в процессе регулирования частоты вращения магнитный поток не изменяется и равен номинальному значению и условия ох­ лаждения двигателя неизменны, то и ток якоря не будет изме­ няться. Поэтому момент статического сопротивления на валу двигателя может быть при всех частотах вращения постоянным и равным номинальному. Допустимая же мощность, равная про­ изведению допустимого момента статического сопротивления на частоту вращения, будет изменяться прямо пропорционально частоте вращения. Такое регулирование называется регулиро­ ванием с постоянным моментом.

Сохранение постоянного допустимого Момента статического сопротивления на валу возможно лишь для двигателей с неза­ висимой вентиляцией, у которых условия охлаждения не зави­ сят от частоты вращения. У двигателей с самовентиляцией по­ нижение частоты вращения влечет за собой ухудшение условий охлаждения. Поэтому для таких двигателей допустимый мо­ мент статического сопротивления на валу должен снижаться (приблизительно 0,5% снижения момента на каждый процент снижения частоты вращения).

Если при регулировании частоты вращения двигателя из­ меняется его магнитный поток, а ток якоря (ротора) должен быть неизменным по условиям нагревания, прямо пропорци­ онально потоку будет изменяться и допустимый момент ста­ тического сопротивления на валу двигателя. Частота вращения будет обратно пропорциональна магнитному потоку, поэтому мощность на валу двигателя при указанном режиме остается приблизительно постоянной. Такое регулирование называется регулированием с постоянной мощностью.

Таким образом, при регулировании с постоянной мощностью увеличение частоты вращения должно сопровождаться умень­ шением момента статического сопротивления на валу двигателя по гиперболическому закону. У двигателей постоянного тока уменьшение момента статического сопротивления должно быть еще большим, поскольку при высоких частотах вращения необ­

157

ходимо снижать допустимый ток якоря, так как в этом случае

мулы (3.23), регулировать частоту вращения двигателя неза­ висимого возбуждения можно путем изменения одной из трех величин: сопротивления в цепи якоря, потока возбуждения или напряжения, подводимого к якорю.

Регулирование частоты вращения путем введения в цепь якоря дополнительного сопротивления осуществляется доста­ точно просто (см. рис. 3.6, линия 2).

Регулирование частоты вращения изменением сопротивления резистора в цепи якоря возможно только вниз от номинальной частоты. Причем диапазон регулирования при номинальной на­ грузке на валу не превышает 2,5—3. При малых нагрузках на валу двигателя даже такой ограниченный диапазон регулирова­ ния не может быть достигнут, поскольку для создания большого падения напряжения в добавочном резисторе потребовался бы реостат с большим сопротивлением, а характеристики двига­ теля получились бы слишком мягкими.

К недостаткам рассматриваемого метода регулирования ча­ стоты вращения относятся уменьшение жесткости характери­ стик, значительные потери мощности при регулировании и сложность осуществления бесступенчатого регулирования.

Потерн мощности при регулировании введением резистора в цепь якоря if при постоянном моменте пропорциональны от­ носительному изменению скорости, поэтому, если частота вра­

мой из сети. Несколько более благоприятные энергетические соотношения получаются при реостатном регулировании двига­ телей, вращающих механизмы с вентиляторным моментом (Ме=Ь>2).

Частоту вращения двигателя независимого возбуждения ре­ гулируют путем изменения магнитного потока введением в цепь обмотки возбуждения дополнительного резистора. Поток ослаб­ ляется и регулирование осуществляется с постоянной мощно­ стью вверх от номинальной частоты вращения. Возможный диапазон регулирования 1,5—4, причем предельная частота вра­ щения ограничивается механической прочностью якоря и усло­ виями коммутации тока (см. рис. 3.6. линия 3).

Регулирование магнитным потоком с точки зрения потерь энергии экономично, так как изменяется ток возбуждения, сила которого составляет 1—10% от номинальной силы тока якоря; однако габариты и стоимость двигателей с регулированием ча­ стоты вращения ослаблением поля выше, чем двигателей об­ щего применения.

Для привода механизмов с широким диапазоном регулиро­ вания частоты вращения применяют схемы с регулированием

153

Напряжения на зажимах обмотки якоря двигателя. Изменение напряжения, а следовательно, и частоты вращения обычно про­ изводят в сторону понижения от номинального значения, при­ чем регулирование происходит с постоянным моментом, так как магнитный поток двигателя остается неизменным (см. рис. 3.6, линия 4).

При этом способе регулирования напряжение может быть изменено, если якорь питается от отдельного управляемого генератора (система генератор— двигатель) или от управляе­ мого выпрямителя, выполненного на базе полупроводниковых приборов. Подобные системы регулирования применяются в раз­

тель (переменного тока, внутреннего сгорания и пр.), вращаю­ щий с постоянной частотой генератор постоянного тока. Щетки генератора непосредственно присоединены к щеткам двигателя постоянного тока, который служит приводом производственного механизма. Обмотки возбуждения генератора и двигателя независимо питаются от источника постоянного тока (возбуди­ тель на валу первичного двигателя). Ток возбуждения генера­ тора можно регулировать практически от нуля при помощи рео­ стата, включенного по потенциометрической схеме. Реверсиро­ вание двигателя можно осуществить изменением полярности обмотки возбуждения генератора при помощи переключателя.

В этой схеме двигатель постоянного тока не нуждается в пу­ сковом реостате, поскольку пусковой ток ограничивают соот­ ветствующим изменением напряжения генератора.

Регулируя напряжение генератора, можно получить любые частоты вращения двигателя от нуля до номинальной. Прак­

Дальнейшее расширение диапазона регулирования в рассматри­ ваемой системе возможно путем ослабления магнитного потока двигателя. Применением специальных регуляторов и введением обратных связей можно увеличить диапазон регулирования в си­ стеме генератор—двигатель до 100—150 и выше.

Недостатком системы генератор — двигатель является высо­ кая стоимость установки из-за дополнительных машин для ре­ гулирования. Общая установленная мощность машин агрегата более чем в 3 раза превышает мощность регулируемого двига­ теля. Наличие дополнительных машин приводит к уменьшению общего КПД установки.

Вместо генератора в качестве источника регулируемого на­ пряжения постоянного тока может быть применен тиристорный преобразователь переменного тока в постоянный, выпрямленное напряжение которого можно регулировать изменением фазы напряжения управления. Системы с тиристорными преобразо­

159