книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

Как известно [64], зависимость вращающего момента асинхрон­ ного двигателя электробура от скольжения, напряжения на зажи­ мах и других параметров может быть выражена формулой

Здесь E\(S _ 0)— электро­

мента можно определить по формуле

Типичная кривая изменения вращающего момента двигателя электробура в зависимости от скольжения при неизменном напря­ жении на зажимах двигателя приведена на рис. 42.

При пуске двигатель развивает вращающий момент MaYск (при п = 0), изменяющийся при разгоне по кривой до некоторого зна­ чения Мщщ. По мере набора скорости вращающий момент дости­ гает максимального значения Мтах и затем снижается до тех пор, пока не станет равным моменту сопротивления на валу. Двигатель рассчитывается обычно для работы при Л4Ком, соответствующем но­ минальной мощности двигателя, указанной в его паспортных данных.

При длительной работе двигателя на номинальной мощности, как правило, нагрев обмотки статора близок к предельному, до­ пускаемому для примененной изоляции.

100

При нарушении равновесия момента сопротивления на валу и вращающего момента, развиваемого двигателем, вследствие увели­ чения момента сопротивления двигатель разовьет вращающий мо­ мент при некотором незначительном снижении скорости вращения и наступит другое равновесное состояние при большей мощности, развиваемой двигателем.

Если момент сопротивления возрастет до величины большей Мшах, двигатель остановится. При снижении момента сопротивле­ ния на валу скорость вращения вала электробура увеличивается и приближается к синхронной скорости вращения tii = 6öf/p, однако никогда ее не достигает, поскольку в двигателе и шпинделе всегда имеются механические потери, обусловливающие некоторый уро­ вень «внутреннего» момента сопротивления. Таким образом, при колебании момента сопротивления на валу электробура в пределах от нуля до Жщах скорость вращения его будет также изменяться в пределах от близкой к синхронной до некоторой величины, обус­ ловливаемой величиной скольжения SmaxЭта часть кривой мо­ мента называется рабочей. Наклон рабочей части кривой незначи­ телен. Он определяется обычно величинами скольжения при номи­ нальной нагрузке 5Н0« и максимальном моменте Smax. Практически это изменение вращающего момента в узком пределе изменения скорости вращения определяет жесткую характеристику электро­ бура.

В современных двигателях электробуров кратность вращающих моментов МтйХ/МЯОм — 22. Опрокидывающий момент Л4Шах полу­ чается при соответствующем значении скольжения Smax. Связь ме­ жду ними выражается формулой

По данным испытаний в некоторых двигателях электробура •Мтт = 0,6.Мном. Несмотря на это, электробуры легко набирают обороты. Это объясняется тем, что запуск электробура происходит без приложения осевой нагрузки, а суммарный маховой момент ро­ тора, шпинделя и долота ничтожно мал.

На рис. 42 прерывистой линией показан участок кривой враща­ ющего момента, который получается в результате расчета по фор­ муле (73) без учета влияния высших гармонических составляющих.

Максимальный вращающий момент (опрокидывающий момент) может быть вычислен по формуле

Из формул (73) и (76) следует, что вращающий момент дви­ гателя прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален величине, которая при повышении напряжения

101

вследствие насыщения магнитной системы машины также увеличи­ вается. Поэтому в двигателе электробура, в котором магнитная сиогема близка к насыщению, нельзя получить значительного уве­ личения вращающего момента при повышении напряжения на за­ жимах. Однако всегда целесообразно поддерживать напряжение на зажимах двигателя электробура не ниже номинального, так как уменьшение его приводит к снижению вращающего момента про­ порционально квадрату напряжения.

Учитывая изложенное, при работе электробура на больших глу­ бинах необходимо поддерживать на зажимах двигателя несколько повышенное напряжение (на 5—10%)- Это используется главным образом для компенсации потери напряжения при кратковремен­ ных перегрузках, когда вследствие увеличения тока возрастает по­ теря напряжения в токоподводе и уменьшается напряжение на за­ жимах машины.

Необходимое напряжение с учетом его падения в токоподводе устанавливается при помощи специального переключателя, смонти­ рованного на крышке силового трансформатора, питающего элект­ робур.

Круговая диаграмма

Взаимосвязь характеристик двигателя можно проанализировать при помощи круговой диаграммы. Для асинхронных двигателей их строят известными способами [39]. Однако так как характеристики двигателей электробуров существенно отличаются от характеристик обычных асинхронных двигателей, то и круговые диаграммы этих двигателей имеют свои особенности.

На рис. 43 приведена упрощенная круговая диаграмма, постро­ енная по опытным данным работы одного из двигателей электро­ бура. На диаграмме по оси ординат отложен вектор фазового на­ пряжения Uі; под углом к нему отложен вектор ОНо фазового тока 1'0 намагничивающего контура:

коэффициент мощности при холостом ходе двигателя. Ток / 0' имеет две составляющие:

ОНо

4hJJ\ ’

совпадающую по фазе с напряжением U\ и OG, смещенную на 90° по отношению к U\.

Ток IQ будет протекать в обмотке статора лишь в том случае,

если принудительно привести во вращение ротор двигателя со ско­ ростью вращения магнитного поля (n = ti\).

102

В двигателе без принудительного вращения и без нагрузки на валу сила тока несколько увеличится и сместится по фазе — это сила тока холостого хода /0, обусловливаемая мощностью, необхо­ димой для покрытия потерь в меди обмотки статора и в магнито­ проводной стали, механических потерь при холостом вращении ро­ тора и так называемых добавочных потерь. Конец вектора тока хо­

—ч

Рис. 43. Упрощенная круговая диаграмма двигателя электробура.

По мере увеличения нагрузки на валу двигателя конец вектора фазового тока / 1 будет скользить вверх по окружности. Точка D на окружности соответствует номинальной нагрузке при соответ­ ствующем номинальном токе /ном-

При дальнейшем увеличении нагрузки конец вектора тока будет скользить дальше до точки /C<s=i), соответствующей остановке ро­ тора. Значение тока /к при неподвижном роторе называется током короткого замыкания.

Вертикальная линия, опущенная из конца вектора тока /і на горизонтальную линию ОКи представляет собой активную состав­ ляющую тока / 1 . Следовательно, по этой же линии можно опреде­ лить в другом масштабе линию мощности.

По длине вертикальной линии, опущенной из точки D на линию ОКи можно определить в соответствующем масштабе мощность, подведенную к статору

cos cp.

103

Ось абсцисс (О/Сі) в круговой диаграмме называется линией подведенной мощности N і= 0.

Линия НоТ называется линией электромагнитной мощности

К Э М ~ 0 .

По длине отрезка dD в масштабе мощности можно найти элек­ тромагнитную мощность, передаваемую через воздушный зазор со статора на ротор.

Так как ІѴЭм = М(йі, то линия Н0Т в то же время является линией вращающих моментов М.

Линия Н0К называется линией полной механической мощности Л^мх = 0. Отрезок cD в соответствующем масштабе представляет пол­ ную мощность, развиваемую ротором.

Если учесть механические потери при вращении ротора и до­ бавочные потери, можно получить линию НК мощности на валу двигателя N2 = 0. Тогда по длине отрезка bD в масштабе мощности можно определить номинальную мощность на валу двигателя.

В результате большого насыщения магнитопровода величина тока холостого хода /о в двигателях электробуров составляет 60—• 75% /ном, в то время как для обычных асинхронных двигателей такой же мощности при той же скорости вращения ток холостого хода Іо составляет 30—45% Ін0м.

Вследствие повышенной силы тока холостого хода, как видно из круговой диаграммы, в зоңе малой мощности при незначитель­ ном возрастании тока быстро растет мощность, главным образом вследствие увеличения коэффициента мощности cos фо. В зоне мощ­ ности, близкой к номинальной, наблюдается некоторая пропорцио­ нальность между током и мощностью, развиваемой двигателем. В дальнейшем мощность возрастает медленнее при значительно большей скорости увеличения тока. После достижения двигателем максимальной мощности іѴ2тах она снижается при быстро расту­ щем токе.

Отрезком вертикальной линии ad в масштабе мощности опре­ деляются потери в намагничивающем контуре, отрезком gc — по­ тери в обмотках статора и ротора, причем gd — в обмотке статора и de — в обмотке ротора; отрезком cb — добавочные и механиче­ ские потери.

Таким образом, если отрезком aD в масштабе мощности опре­

Произведя геометрическое построение, исходя из подобия тре­ угольников, можно отсчитывать ц по шкале пг — п при помощи ли­ нии, проводимой через точку L и конец вектора тока Л, переме­ щающийся по окружности.

Если по круговой диаграмме, построенной для обычного асин­ хронного двигателя, проследить изменение к. п. д. двигателя при

104

перемещении конца вектора тока / 1 по окружности, то увидим, что максимальный к. п. д. двигателя получается при номинальном токе. Двигатели электробуров некоторых типов с повышенными ли­ нейными нагрузками А имеют максимальный к. п. д. при недо­ грузке на 10—15%. Уменьшение к. п. д. этих двигателей электро­ бура при номинальном режиме объясняется повышенной мощ­ ностью на единице его длины вследствие повышения удельных нагрузок на активные материалы.

Коэффициент мощности cos ср определяется графически как расстояние Oh, отсекаемое вспомогательной окружностью диамет­ ром 10 см от прямой, проведенной из точки О по направлению век­ тора тока. При перемещении конца вектора тока Д по окружности

По круговой диаграмме можно проследить за изменением ве­ личины вращающего момента и определить его максимальное зна­ чение. Для этой цели необходимо из центра окружности восстано­ вить перпендикуляр к линии электромагнитной мощности NgMи на пересечении продолжения перпендикуляра с окружностью тока Д найти точку г. Вертикальная линия, опущенная из точки z на ли­ нию Л/эм, т. е. на линию моментов, в соответствующем масштабе представляет собой величину максимального значения вращающего момента Мтах.

Перегрузочная способность двигателя определится как отно­ шение

Мтах __ lz

Мной _ d D •

По круговой диаграмме нельзя найти провал в кривой враща­ ющего момента, показанный на рис. 42.

В связи с тем что двигатели электробуров имеют большой ток холостого хода, по приведенной выше упрощенной круговой диа­ грамме нельзя определить точные значения cos ф и других па­ раметров.

Получение более точных значений рабочих параметров для дви­ гателей электробуров возможно при помощи круговой диаграммы, построенной по методу М. П. Костенко (рис. 44), учитывающей влияние увеличенного тока холостого хода. По этому методу

105

линия Н0С поворачивается относительно точки Н0 на угол а — = arctg2 ІоГі/Ui и несколько изменяется диаметр этой окружности:

U\ С\х\ + С\хі

Пусковые значения вращающих моментов по приведенным диа­ граммам несколько занижены. Для получения действительных зна­ чений строят обычно вторую окружность токов, диаметр которой вследствие уменьшения реактивности двигателя при пуске полу­ чается несколько больше диаметра окружности рассмотренных кру­ говых диаграмм. Методы построения этой окружности и определе-

Рис. 44. Уточненная круговая диаграмма двигателя электробура.

ние пусковых моментов является специальным вопросом в электро­ машиностроении.

Характеристики'холостого хода

В связи с тем что магнитная система двигателей электробуров близка к насыщению, повышение напряжения на зажимах двига­ теля сверх номинального ведет к быстрому возрастанию тока холостого хода двигателя электробура. На рис. 45 приведены ха­ рактеристики холостого хода двигателя электробура Э250-8. Из ри­ сунка видно, что при номинальном напряжении на зажимах дви­ гателя (1650 В) ток холостого хода составляет ПО А. Величина тока холостого хода двигателя электробура с присоединенным к нему маслонаполненным шпинделем незначительно отличается от величины тока холостого хода двигателя электробура без присое­ диненного шпинделя. Так как потери мощности при холостом вра­ щении маслонаполненного шпинделя (в нагретом состоянии) не-

106

значительны, практически ток холостого хода электробура можно принимать равным току холостого хода двигателя.

Незначительное повышение напряжения на зажимах двигателя ведет к быстрому возрастанию тока холостого хода. Так, увеличе-

N, кВт

Z00

т

120

so

ад

о

Рис. 45. Характеристики холостого хода двигателя элек­ тробура Э250-8:

1 — зависимость тока холостого хода двигателя от величины на­ пряжения на его зажимах; 2 — зависимость суммы потерь в магнитопроводе и механических потерь от величины напряжения на заж имах двигателя; 3 — зависимость cos <р0 от напряжения на заж имах двигателя; 4 — линия механических потерь.

ние напряжения на зажимах двигателя (см. рис. 45) с 1650 до 1750 В ведет к повышению тока холостого хода со ПО до 118 А. Увеличение тока холостого хода двигатедей электробуров наблю­

двигателя, несколько отличаются от приведенных характеристик. Это объясняется главным образом увеличением сопротивления об­ моток и снижением вязкости масла, наполняющего двигатель.

107

Потери в обмотках возрастают, потери на трение в масле уменьша­ ются. Так как изменения потерь на трение и в обмотках в значитель­ ной степени компенсируют друг друга, то отличия мощностей дви­ гателя при изменении его температуры незначительны.

Характерное изменение потерь на трение в двигателе электро­ бура, наполненном трансформаторным маслом, в зависимости от нагрева приведено на рис. 46 для двигателя электробура Э170.

При заполнении двигателей более вязким маслом механические потери увеличиваются, при этом степень снижения потерь при на­ греве будет зависеть от свойств масла.

Рабочие характеристики

Рассмотрим рабочие характеристики по кривым изменения тока, вращающего момента, мощности на валу двигателя, к. п. д., cos ф в зависимости от мощности, забираемой электродвигателем из сети.

COJI^

0,9

ОЛ

s,%

16 - 0,5

6 - 0,5

Рис. 47. Рабочие характеристики двигателя электробура Э215-8 в зависимости от мощности, забираемой из сети:

1 — мощность на валу двигателя N ‘, 2 — cos ср; 3 — ц; 4 — ток статора Л; 5 — скольжение S.

На рис. 47 показаны рабочие характеристики двигателя электро­ бура Э215-8. Характер изменения приведенных на графиках пара­ метров аналогичен и для двигателей электробуров других типов.

Следует отметить, что для электробура с маслонаполненным шпинделем вследствие небольших потерь в подшипниках качения практически молено принимать величину вращающего момента на валу электробура по рабочим характеристикам двигателя.

Тепловые характеристики

108

гателя и при надобности форсировать режим бурения, используя тепловые резервы двигателей. Определим, как влияет количество бурового раствора на температуру нагрева двигателя при номиналь­ ной его нагрузке.

На рис. 48 приведена кривая зависимости перегрева обмотки двигателя электробура Э250-8 при номинальной нагрузке от коли­ чества прокачиваемой охлаждающей воды. Из рисунка видно, что

тока для двигателя электробура Э250-8 приведена на рис. 49. По при­ веденной кривой и температуре окружающего бурового раствора Ѳзцм можно установить допустимый ток нагрузки двигателя, при ко­ тором обмотка не будет нагреваться выше допустимой темпе­ ратуры.

Например, если двигатель электробура Э250-8 охлаждается бу­ ровым раствором, имеющим температуру Ѳ3цМ= +40° С, то допу­ стимый перегрев обмотки будет составлять т = 130 — 40 = 90 °С.

109