Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

1) регулированием частоты вращения магнитного поля

(3.55)

достигаемым либо изменением частоты /ь либо изменением числа пар полюсов р двигателя; 2) изменением скольжения двигателя s при (о0 = const. В первом случае КПД двигателя остается высоким, а во втором случае КПД снижается тем больше, чем больше скольжение, так как мощность скольжения теряется в цепи ротора двигателя*

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

менной частотой вращения, полупроводниковые преобразователи частоты и др.). Этот способ регулирования применяют в уста­ новках для бурения (электробуры), для привода быстроходных станков и др. С развитием полупроводниковых преобразовате­ лей все более перспективным становится индивидуальное ча­ стотное регулирование частоты вращения двигателей.

Если пренебречь относительно небольшим падением напря­

где w1 и kwi — число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора двигателя.

Существенное изменение потока Ф при регулировании ча­ стоты вращения нежелательно, так как увеличение Ф против номинального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование двигателя, умень­ шение максимального момента и увеличение тока ротора при том же значении момента. Поэтому, если необходимо сохранить неизменным максимальный момент двигателя, целесообразно поддерживать Ф =const. При этом из соотношения (3.56) сле­ дует, что одновременно с регулированием частоты пропорци­ онально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. под­ держивать

Отступление от этого правила целесообразно только в том случае, когда момент статического сопротивления быстро умень­ шается с уменьшением частоты вращения (например, приводы центробежных насосов и нагнетателей). При этом более быст­ рое уменьшение напряжения по сравнению с частотой улучшает энергетические показатели двигателя, и в то же время умень­ шение максимального момента, с точки зрения перегрузочной способности, не опасно. К достоинствам частотного регулиро­

вания относятся большой диапазон (10—12) и плавность регу­ лирования. Недостатком частотного регулирования является от­ носительная громоздкость и высокая стоимость преобразова­ тельной установки.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар по­ люсов используют только для короткозамкнутых двигателей, так как при этом требуется изменять число пар полюсов только обмотки статора. Для изменения числа пар полюсов двигателя

С этой целью обмотку каждой фазы переключают с последова­ тельного на параллельное соединение, в результате чего число полюсов вдвое уменьшается, а синхронная частота вращения увеличивается в 2 раза. Практически пересоединение осущест­ вляют переключением со звезды на двойную звезду или с тре­ угольника на двойную звезду.

Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными. Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 ча­ стоты вращения, причем двухскоростные двигатели изготовля­ ются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1, трехскоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с пере­ ключением пар числа полюсов в отношении 2:1, четырехскоро­

Изменение числа пар полюсов — экономичный и широко при­ меняемый способ регулирования частоты вращения асинхронцых короткозамкнутых двигателей. Его недостаток — ступенча­ тый характер изменения частоты вращения и ограниченный диа­ пазон регулирования. Масса и стоимость многоскоростных двигателей несколько больше, чем односкоростных асинхронных двигателей такой же мощности.

Для асинхронных короткозамкнутых двигателей возможно также регулирование частоты вращения уменьшением питаю­

скорости). Однако в связи с пониженными энергетическими показателями эти способы регулирования применяются только для двигателей очень малой мощности.

Частоту вращения асинхронных двигателей с фазным рото­ ром можно регулировать с помощью резисторов в цепи ротора (см. рис. 3.7, а). Этот способ имеет те же недостатки, что и способ регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока^ включением резистора в цепь якоря (см. рис. 3.8, кривые

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем увеличения его скольжения всегда связано с выделением

162

в цепи ротора двигателя значительной электрической мощности скольжения:

которая при регулировании резисторами в них теряется. Полез­ ное использование мощности скольжения возможно, если вме­ сто реостата присоединить к контактным кольцам двигателя приемник электрической энергии в виде подходящей для этой цели вспомогательной электрической машины. Эта машина бу­ дет работать в режиме двигателя и оказывать воздействие на регулируемый асинхронный двигатель, развивая напряжение на

Рис. 3.14. Схемы электромеханического и электрического каскадов асинхрош ного двигателя с машиной постоянного тока

зажимах его ротора, так как при вращении вспомогательной ма­ шины в ее якоре индуктируется' э. д. с.

Реализация рассмотренного способа регулирования частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором осущест­ вляется в каскадных соединениях с машинами постоянного тока.

На рис. 3.14, а показана схема каскада асинхронного дви­ гателя АД, вращающего производственный механизм ПМ, с ма­ шиной постоянного тока независимого возбуждения МПТ. Цепь якоря МПТ присоединена к контактным кольцам асинхронного двигателя через полупроводниковый выпрямитель В, соединен­ ный по трехфазной мостовой схеме.

Выпрямитель преобразует переменный ток частоты сколь­ жения f2 = sfi в цепи ротора АД в постоянный ток в цепи якоря МПТ. Регулированием тока возбуждения в обмотке ОВ МПТ изменяют э. д. с., вводимую в цепь ротора АД, и, следова­ тельно, частоту его вращения.

В схеме (см. рис. 3.14, а) машина постоянного тока МПТ расположена на валу асинхронного двигателя АД. Она преоб­ разует мощность скольжения АРМ2 , потребляемую из цепи ро­ тора АД, в механическую мощность, которая через вал двига­

теля АД вместе с механической мощностью Р2 двигателя пере­ дается производственному механизму ПМ. Такой каскад назы­ вается электромеханическим. Если при регулировании частоты вращения обеспечить полное использование мощности АД(Р

также остается при всех частотах вращения постоянной и рав­ ной номинальной мощности. Поэтому электромеханический кас­ кад называют иногда каскадом с постоянной мощностью. Не­ обходимая номинальная мощность вспомогательной машины каскада МПТ зависит от максимального скольжения smax, до которого снижают скорость АД,

(3.60)

т. е. от диапазона регулирования АД.

Рассмотренный каскад допускает регулирование частоты вращения вниз от синхронной в диапазоне 1,4—2. Дальнейшее увеличение диапазона регулирования нецелесообразно вследст­ вие значительного увеличения мощности МПТ.

На рис. 3.14, б показана схема каскада, которая отличается от схемы рис. 3.14, а тем, что МПТ соединена механически со

мощью ВМ, работающей в режиме генератора, обратно в сеть переменного тока. Такой каскад называется электрическим. В этом каскаде производственному механизму ПМ передается только механическая мощность двигателя АД:

которая при Pi « Р н= const уменьшается пропорционально ча­ стоте вращения. Момент на валу ПМ при этом остается посто­ янным, поэтому такой каскад иногда называют каскадом с по­ стоянным моментом.

Каскады позволяют экономично и плавно регулировать ча­ стоты вращения асинхронного двигателя, однако наличие вспо­ могательных машин и преобразователей повышает стоимость установки II усложняет условия ее эксплуатации. Каскады це­ лесообразно применять только для привода мощных производ­ ственных механизмов, требующих регулирования частоты вра­ щения.

Рассмотренные каскадные соединения в случае использова­ ния в них татько патупроводнпковых вентилей (вместо машин МПТ н ВМ) называют также вентильными каскадами. Кас­ кадные схемы нашли применение в регулируемом асинхронном электроприводе буровых насосов.

164

В электроприводах механизмов, требующих плавного регу­ лирования частоты вращения в относительно небольшом диа­ пазоне (1,5—2), находят применение электромагнитные муфты скольжения. Для расширения диапазона регулирования частоты вращения применяется система автоматического регулирования тока возбуждения муфты с обратными связями. В последние годы они применяются почти во всех отраслях техники в диа­ пазоне мощностей от нескольких ватт до десятков тысяч кило­ ватт. В нефтяной промышленности электромагнитные муфты находят применение главным образом в буровых установках.

Рис. 3.15. Электромагнитная муфта скольжения (а) и ее механические ха­ рактеристики (б)

В зависимости от характера связи между входным и выход­ ным элементами электромагнитные муфты разделяются на: муфты механической связи (фрикционные), муфты электроме­ ханической связи (ферропорошковые) с электромагнитным уп­ равлением и муфты со связью через магнитное поле (муфты скольжения).

Фрикционные электромагнитные муфты в нефтяной и газо­ вой промышленности применения не нашли.

В приводе буровых установок электромагнитные муфты при­ меняются в качестве электротормоза буровой лебедки, для опе­ ративного соединения приводного вала лебедки двигателем, со­ членения двигателей (в первую очередь, внутреннего сгорания) с групповой трансмиссией, в качестве пусковой муфты в при­ воде лебедки от постоянно вращающихся двигателей (синхрон­ ных или асинхронных с короткозамкнутым ротором), для опе­ ративного соединения бурового насоса с приводом, ограничения момента, передаваемого на ротор, регулирования частоты вра­ щения ротора и числа двойных ходов бурового насоса, для ав­ томатизации подачи долота в процессе .бурения.

Электромагнитная муфта скольжения (ЭМС) (рис. 3.15) со­ держит две концентрически расположенные вращающиеся

165

части — 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 цилин­ дрическим, сплошным стальным или шихтованным. В послед­ нем случае он всегда имеет трехили многофазную обмотку.

Индуктор, на котором расположена обмотка возбуждения 3, изготовляется сплошным стальным, он образует полюсную си­ стему. Постоянный ток к обмотке возбуждения 3 подводят че­ рез контактные кольца 5. Конструкции якорей различны так же, как различны и конструкции полюсной системы индуктора.

При вращении приводным двигателем ведущего вала 6 и от­ сутствии тока в обмотке возбуждения 3 ведомый вал 1 оста­ ется неподвижным. При включении постоянного тока в обмотку возбуждения 3 возникает магнитный поток, который наводит

вякоре 2 переменную э. д. с., и в якоре 2 возникает ток.

Врезультате 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. Величина вращающего момента зависит от частоты вращения якоря относительно ин­ дуктора и значения тока возбуждения 1Ъ. Частота вращения ве­

домого вала п2 зависит от тока возбуждения муфты и момента сопротивления на этом валу.

Так как только при скольжении имеются токи в якоре муфты и возникает вращающий электромагнитный момент, то частота вращения ведомого вала п2 всегда меньше, чем ведущего П\. Из-за наличия скольжения во всех режимах работы такие муфты называют электромагнитными муфтами скольжения или, реже, асинхронными. Механические характеристики ЭМС с мас­ сивным якорем в основном мягкие, однако с увеличением мощ­ ности ЭМС их жесткость увеличивается.

Для получения тормозных свойств достаточно закрепить не­ подвижно одну из частей муфты (обычно индуктор). Вторая 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 (скольжение также равно нулю). Энергия торможения выделяется в якоре, который следует интенсивно охлаждать.

Электромагнитные муфты и тормоза скольжения иногда на­ зывают индукционными.

В электромагнитной порошковой муфте (ЭПМ) (рис. 3.16, а) слой ферромагнитного порошка в зазоре 5 между ведущей 4 и ведомой 6 частями представляет собой пластичную среду с со­ противлением сдвигу, зависящим от магнитной индукции. Это свойство использовано в ЭПМ для передачи движения от ве­

166

дущего элемента 4 к ведомому 6. Ферромагнитный порошок, за­ полняющий рабочий зазор 5, повышает магнитную проницае­ мость зазора в 4—8 раз в зависимости от состава наполнителя и значения магнитной индукции в зазоре, создаваемой обмоткой возбуждения 1. При повышении тока возбуждения увеличива­ ются магнитная индукция в рабочем зазоре (заполненном по­ рошком), тангенциальная сила, необходимая для сдвига веду­ щей части относительно ведомой, и, следовательно, вращающий момент, передаваемый муфтой. Если момент сопротивления, приложенный к ведомой части, превосходит рабочий момент ЭПМ, происходит проскальзывание. При этом скольжение и

Рис. 3.16. Электромагнитная порошковая муфта с неподвижной обмоткой воз­ буждения:

а — устройство; б — механическая характеристика; в — зависимость момента от тока воз­ буждения; 1 — обмотка возбуждения; 2 — неподвижный магнитопровод; 3 — воздушный зазор; 4 — ведущая часть; 5 — рабочий зазор, заполненный порошком; 6 — ведомая часть; 7 — линия магнитной индукции

время, в течение которого скольжение допустимо, определяются теплорассеивающей способностью муфты, нагревостойкостью изоляции обмотки возбуждения и окисляемостью ферромагнит­ ной смеси, а также допустимой температурой работы подшип­ ников.

Для получения тормозных свойств достаточно закрепить не­ подвижно одну часть ЭПМ, а другую связать с валом, который необходимо тормозить. В момент торможения включается об­ мотка возбуждения, что вызывает затягивание ферромагнит­ ной смеси в рабочий зазор и появление тангенциальной силы, тормозящей ведущий вал. Энергия торможения выделяется в ферромагнитной смеси и деталях, прилегающих к рабочему зазору, которые необходимо интенсивно охлаждать.

Механическая характеристика ЭПМ (рис. 3.16, б) устой­ чива; момент, передаваемый ЭПМ при неизменном токе воз­ буждения, практически не зависит от частоты вращения. Если же при некоторой частоте вращения и токе возбуждения на­ грузку на валу сцепленной ЭПМ увеличивать, то при превы­ шении моментом сопротивления максимального момента ЭПМ

167

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 ча­ сти резко уменьшается до нуля (рис. 3.16, в).

Технические характеристики электромагнитных муфт и тор­ мозов для буровых установок отечественного производства при­ ведены в гл. 7 (табл. 7.6).

С и н х р о н н ы й д в и г а т е л ь . Частоту вращения синхрон­ ного двигателя практически можно регулировать только изме­ нением частоты питающего напряжения. Обычно синхронные двигатели имеют сравнительно большую мощность и питаются от сетей промышленных предприятий совместно с другими по­ требителями. Поэтому регулировать частоту тока здесь прак­ тически невозможно. Исключение составляют маломощные син­ хронные двигатели автоматических устройств и случаи питания синхронного двигателя от автономного генератора с регулируе­ мой частотой тока. При регулировании частоты вращения син­ хронного двигателя изменением частоты тока практически нет потерь, если не считать собственных потерь в обеих машинах.

Успехи в области полупроводниковой техники привели к созданию мощных статических преобразователей частоты и на их базе вентильных двигателей. Вентильным двигателем назы­ вается синхронный двигатель, питаемый от преобразователя ча­ стоты со звеном постоянного тока, управляемого в функции положения ротора. Вентильный двигатель имеет механические характеристики двигателя постоянного тока, управляемого из­ менением напряжения питания якоря. Разработанный для при­ вода бурового насоса вентильный двигатель имеет диапазон регулирования 20:1.

§ 19. Конструктивные исполнения и эксплуатационные свойства электродвигателей

Большое разнообразие производственных механизмов и раз­ личные условия окружающей среды, в которых они работают, привели к необходимости создания многих конструктивных форм двигателей. Поэтому возможность самого различного кон­ структивного выполнения электродвигателя и, следовательно, его универсальная приспособляемость к производственному ме­ ханизму и к месту установки являются одним из существенных

преимуществ электродвигателя по сравнению с другими типами двигателей.

Для большинства механизмов применяются двигатели с гори­ зонтальным расположением вала и установкой двигателя ря­ дом с производственным механизмом. Однако в зависимости от положения вала двигателя и его свободного конца, числа и вида

168

подшипников, способа его установки и крепления существует 55 форм исполнения двигателей, поэтому во многих случаях для упрощения кинематической схемы применяют, например, двигатели с вертикальным валом и фланцевым креплением кор­ пуса двигателя непосредственно на корпусе производственного механизма. Среди конструктивных исполнений двигателей осо­ бое место занимают встраиваемые двигатели. Это асинхронные короткозамкнутые двигатели, состоящие из трех отдельных ча­ стей— пакета статора с обмоткой, ротора (без вала) и вен­ тилятора. Эти двигатели предназначены для наиболее компакт­ ного соединения с производственным механизмом. Отдельные части встраиваемых двигателей монтируются внутри соответст­ вующих полостей механизма, а валом для них служит вал ра­ бочего органа механизма.

Часто среда, в которой должен работать двигатель, содер­ жит пыль, влагу, газы, пары кислот, взрывоопасные смеси. На­ личие в воздухе большого количества пыли приводит к быст­ рому загрязнению обмоток и ухудшению условий теплоотдачи в окружающую среду. Влага, газы, пары кислот разрушают электроизоляционные материалы обмоток двигателей. Появле­ ние искры в двигателе может вызвать взрыв в производственном помещении. Поэтому в двигателях предусматриваются меры для защиты от влияния окружающей среды, а также для защиты персонала от прикосновения к токоведущим и движущимся частям,

В зависимости от способа защиты от воздействия окружаю­ щей среды изготовляются двигатели открытого, защищенного, закрытого и взрывозащищенного исполнений.

Открытым называется двигатель, в конструкции которого не предусмотрено специальных защитных приспособлений.

Защищенные двигатели разделяются на три категории:

1)защищенные от случайных прикосновений к вращающимся

итоковедущим частям и попадания посторонних предметов внутрь двигателя; 2) защищенные от капель, падающих сверху;

3)защищенные от брызг, падающих под углом 45° к вертикали.

с независимой вентиляцией (продуваемые); 3) герметически закрытые с корпусом, снабженным уплотнениями, препятст­ вующими попаданию внутрь влаги при полном погружении двигателя в воду на 4 ч.

Конструктивные исполнения взрывозащищенных двигателей и их применение рассмотрены в гл. 6.

Степени защиты персонала от прикосновения к токоведу­ щим и движущимся частям электрооборудования, заключен­ ного в оболочку, от воздействия окружающей среды согласно ГОСТ 14254—69 обозначаются буквами IP (International Protection) и двумя цифрами. Первая цифра обозначает степень

169

защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и дви­

Вторая цифра характеризует степень защиты электрооборудова­ ния, расположенного внутри оболочки, от проникновения воды. Так, открытые двигатели имеют степень защиты IPOO, защи­ щенные от IР 10 до IP44, водозащищенные — от IP55 до IP66. Чем больше соответствующая цифра, тем выше степень за­ щиты.

В нефтяной промышленности широко распространены дви­ гатели, закрытые герметично и предназначенные для длитель­ ной работы в жидкости (буровой раствор, нефть, нефтепро­ дукты). Такие двигатели называются погружными (исполнение IP68).

В сухих помещениях применяют только двигатели откры­ того и защищенного от прикосновений исполнения. Во влажных или сырых помещениях, где нет конденсации влаги, используют двигатели тех же исполнений, что и для сухих помещений, но с влагостойкой изоляцией. В особо сырых помещениях, где воз­ можна конденсация влаги в виде капель, устанавливают каплеили брызгозащищенные двигатели с влагостойкой изоляцией. В помещениях пыльных или пыльных и сырых допускается применять только закрытые двигатели. Если в помещении име­ ются пары кислот, применяют закрытые обдуваемые или про­ дуваемые двигатели с кислотоупорной изоляцией.

Электрические двигатели, а также другие виды изделий

ствия климатических факторов в соответствии с исполнением и категорией изделия. Электродвигатели и другие изделия элек­ тротехнической промышленности выпускаются в климатических исполнениях, указанных в табл. 3.1.

Таблица' 3.1 Изделия, предназначенные для эксплуатации на суше, реках и озерах

* Предусматриваются исполнения для сухого (ТС), влажного (ТВ) или сухого н влажного тропического климата (Т).

170