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

применять специальные трансформаторы. Величина напряжения двигателей электробуров со стекломиканитовой изоляцией, выпус­ каемых промышленностью, находится в пределах 1000—1700 В.

Выбор электромагнитных нагрузок

Допустимые величины В& и А зависят от качества материала магнитопровода, толщины, теплостойкости и теплопроводности изо­ ляционных материалов, плотности тока, интенсивности охлажде­ ния и характеристик машины. Чтобы получить с единицы длины магнитопровода возможно больший вращающий момент, при про­

Вследствие небольшого диаметра машин и интенсивного охлаж­ дения перепад температуры в сердечнике магнитопровода незна­ чителен. В связи с этим допустим высокий перепад температуры по толщине изоляции паза (40—50° С), а следовательно, и высокое произведение линейной нагрузки на плотность тока, достигающее 4000—5000, в то время как для нормальных закрытых машин соиз­ меримой мощности это произведение не более 1000—1200. В об­ мотках двигателей электробуров допустима плотность тока 10— 15 А/мм2.

На рис. 8 приведены машинные постоянные СА в функции

в сравнении с аналогичными данными обычных машин с воздуш-

40

ныл охлаждением. Из кривых видно, что машинные постоянные электробуров примерно в полтора раза ниже, чем нормальных за­ крытых машин, имеющих ту же скорость вращения и мощность. Однако при равной мощности, забираемой из сети, мощность на валу двигателя электробура примерно в полтора раза ниже, чем электродвигателей с нормальными геометрическими размерами, вследствие более низкого к. п. д. и коэффициента мощности.

Рабочие и пусковые характеристики

Рабочие характеристики электробуров значительно ниже, чем нормальных двигателей. В то время как у электродвигателей мощ­

Поток Ф — Dl, следовательно,

_ D\h

Фг ’

откуда

Фі _ 1

02т '

Вто же время при значительной разнице величин диаметров отношение магнитодвижущих сил FdF2^ m t вследствие отсутствия пропорциональности между отношениями диаметров, зазоров и се­ чений зубцов. Поэтому отношение тока намагничивания к актив­ ной составляющей тока статора у электробура значительно выше,

41

чем у нормального электродвигателя той же мощности, а следова­ тельно, cos ф значительно ниже.

92%. На рис. 10 приведены кривые коэффициента полезного дей­ ствия погружных двигателей в зависимости от мощности двига­ телей при разных числах полюсов.

К- п. д. двигателей электробуров определяется главным образом величиной потерь в обмотках статора и ротора, которые в рассмат­ риваемых двигателях достигают 20% подводимой мощности. Такое

где Л% — потери в меди в кВт; N — подводимая мощность в кВт; А — плотность тока в А/мм2; X — отношение полной длины двига­ теля к расчетной длине; ß — отношение длины лобовой части об­ мотки к расчетной длине; т — полюсное деление в см.

Из этого выражения видно, что у электробуров, имеющих вы­ сокую плотность тока, малое полюсное деление и низкий cos ф, относительные потери в меди в несколько раз выше, чем у машин с обычными геометрическими размерами, несмотря на ничтожно малую долю лобовых частей в полной длине витка.

Максимальный момент рассматриваемых погружных двигате­ лей несколько ниже, чем обычных, вследствие большой величины отношения активной составляющей падения напряжения' к напря­ жению на зажимах электродвигателя. Для относительного падения напряжения существует зависимость

Здесь / 1 — сила тока статора в А; г\ — сопротивление обмотки ста­ тора в Ом; U —• напряжение на зажимах машины в В.

При высоком А и малом т отношение IirJU достигает большой величины. Отношение тока короткого замыкания двигателя электро­ бура к номинальному току статора равно 3—3,5. Низкая величина пускового тока связана с высоким кажущимся сопротивлением, так как активное сопротивление электробура приблизительно равно

42

реактивному сопротивлению. Несмотря на это, начальный пусковой момент электродвигателя достаточно велик вследствие высокого сопротивления роторной клетки. *

Особенности выбора основных размеров

Основными исходными данными для проектирования являются диаметр долота и вращающий момент, необходимый для бурения скважины этим долотом. Наружный диаметр DHэлектробура опре­ деляется как разность между диаметром скважины Dc (диаметром долота) и удвоенной величиной минимального зазора между стен­ кой скважины и электробуром

DH= D c — 2b.

Величина зазора b принимается по табл. 1

Необходимо рассчитать минимально возможную толщину тру­ бы-корпуса статора и установить наружный диаметр сердечника статора. Минимально возможная толщина трубы-корпуса опреде­ ляется условиями прочности ее при транспортировке электробура и перевода его из горизонтального положения в вертикальное на буровой, а также возможностью нарезания на корпусе статора на­ дежной резьбы для соединения его с другими сопряженными кор­ пусами. При расчете прочности корпуса длину электробура прини­

вгоризонтальном положении и опирается на две крайние точки. Изгибающий момент в середине электробура

Ж=

где Q — сила тяжести (вес) электробура в кгс; /э — длина электро­ бура в см.

Момент сопротивления корпуса

32D

(Dj — внутренний диаметр корпуса, равный наружному диа­ метру сердечника статора в см).

Для стали марок 40Х и 40ХН, применяемых для изготовления корпусов электробуров, напряжение в статическом состоянии дол­ жно быть не более 1100 кгс/см2. Такое низкое допускаемое напря­ жение объясняется тем, что при транспортировке электробура воз­ можны толчки и удары, которые трудно учесть в расчетах.

Необходимо также проверить прочность корпуса электробура в резьбовом соединении, ближайшем к середине корпуса. Учиты­ вая тяжелые условия транспортировки в промысловых условиях, электробуры целесообразно транспортировать и затаскивать на буровую в специальных трубах.

43

Для определения диаметра расточки статора можно в первом

Диаметр расточки магнитопровода статора округляют, прини­ мая во внимание размеры стандартных подшипников, монтируемых

мальное значение напряжения, которое дало бы возможность по­ лучить удовлетворительные параметры двигателя и токоподвода и выбрать число проводников в пазу, позволившее осуществить про­ стую и надежную обмотку статора с требуемым коэффициентом заполнения паза.

Число витков Wi в фазе обмотки статора определяется, исходя

Здесь 02 -— величина магнитного потока в междужелезном за­ зоре; величина 1 — у , зависящая от расстояния магнитного по­

тока, может быть приближенно определена, исходя из отношения ожидаемых значений реактивных сопротивлений при холостом ходе х0 и коротком замыкании хк

(29>

44

Магнитный поток Ф2 находится в зависимости от принятой ве­ личины средней индукции в междужелезном зазоре В ь Ср

(30)

где т — полюсное деление в см; Ц— длина магнитопровода, опре­ деляемая по формуле (26), в см; 2р — число полюсов.

Число витков находят после выбора числа пазов

Рис. 11. Схема обмотки статора восьмиполюсного двигателя электробура:

Сь С2, Сз — начало фаз; С4, Cs, Св — конец фаз.

Здесь Sn — число проводников в пазу; р — число пар полюсов; qi — zJ2pm — число пазов на полюс и фазу; (zx— число пазов ста­ тора; т — число ф аз).

Вследствие небольшого диаметра расточки статора и большого числа полюсов (8—10) в двигателях электробуров не удается раз­ местить более трех пазов на полюс, т. е. не более одного паза на полюс и фазу.

Для получения удовлетворительного заполнения паза в стерж­ невых обмотках электробура число проводников в одном пазу при­ нимается не более шести.

Величины, входящие в формулу (31), для двигателей электро­ буров имеют ограниченное число значений: число пазов на полюс и фазу <7і= 1; число проводников в пазу 5П= 4 н-6; число пар полю­ сов 2/7= 4 -г-5; число витков в фазе Wі для данной полюсности мо­ жет быть: 20, 25, 30 — для десятиполюсных машин; 16, 20, 24 — для восьмиполюсных машин. После выбора числа витков по фор­ муле (27) необходимо соответственно скорректировать расчетное напряжение.-Выбрав Wі и Нф, уточняют Ф2 и В ь и определяют силу тока статора:

45

где cos ф и ri могут быть предварительно приняты по кривым на рис. 9 и 10.

Размеры паза и проводника выбирают из условий получения необходимых сечений магнитопровода при приемлемых значениях индукции и размещении в пазу проводников сечением, обеспечи­ вающим допустимую плотность тока. Затем проверяют линейную нагрузку

Особенности устройства обмотки статора изложены в гл. 3. Фазы обмотки статора двигателей электробуров обычно соединя­ ются в звезду; параллельные ветви не применяются.

На рис. 11 приведена типичная схема обмотки статора восьми­ полюсного двигателя электробура.

Особенности расчета ротора

Как указывалось выше, ротор двигателя электробура выполня­ ется секционным с многоопорным валом. Длина магнитопровода каждой секции в зависимости от диаметра принимается в преде­ лах 400—550 мм. Величина зазора между статором и ротором, как и в каждой асинхронной машине, выбирается минимально допусти­ мой в зависимости от начального эксцентриситета осей статора и ротора, износа подшипников, жесткости вала, расстояния между опорами, силы одностороннего магнитного притяжения.

Если определить величину междужелезного зазора б по изве­ стной формуле

{Dp — диаметр ротора в см; /р — длина ротора в см), то окажется, что минимальный междужелезный зазор в двигателях электробура должен быть примерно в 2—2,3 раза больше, чем в нормальных электродвигателях того же диаметра, но имеющих значительно меньшую длину. Однако вследствие особенностей конструкции и монтажа удается обеспечить достаточно надежную работу двига­

Каждая секция ротора имеет короткозамкнутую клетку. Отно­ шение чисел пазов статора и ротора z2/z1^ \,5 . Число пазов ротора выбирается относительно большим с учетом повышения пускового и максимального моментов при некотором снижении индукцион­ ного сопротивления двигателя. Пазы ротора имеют грушевидную форму, при которой лучше используется сечение магнитопровода. Клетки роторов электробуров диаметром 290,250 и 215 мм выпол­ няются из алюминия, диаметром 170 мм и ниже — из меди. Сколь­ жение при номинальной нагрузке достигает 8—14%. Критическое скольжение в двигателе электробура обычно составляет 40—50%.

46

Расчет вала и расстояния между опорами

Вал двигателя электробура, имеющий по всей длине один диа­ метр, обрабатывается по второму классу точности, устанавлива­ ется на шарикоподшипниках, опирающихся непосредственно на расточку статора немагнитопроводных пакетов. Секции магнито­ провода ротора проточены по наружной поверхности также по вто­ рому классу точности. Таким образом, первоначальный эксцентри­ ситет осей ротора и статора в двигателях электробуров значи­ тельно меньше, чем в обычных электрических машинах.

В двигателе электробура секции магнитопровода ротора отно­ сительно длинные, а подшипники максимально приближены к ним

■п

Рис. 12. Секции ротора с подшипниками между ними:

(рис. 12). Поэтому применяемая для расчета валов обычных элект­ рических машин методика, по которой сила одностороннего магнит­ ного притяжения принимается условно сосредоточенной в середине пакета магнитопроводной стали, для расчета вала двигателя элек­ тробура неприемлема. Расчет по этой методике дал бы увеличен­ ный диаметр вала двигателя электробура или необоснованно ма­ лое расстояние между опорами. Кроме того, вал двигателя электробура является многоопорным.

Для расчета вала двигателя электробура применяется мето­ дика, разработанная Н. Г. Григоряном (25] и учитывающая дейст­ вие одностороннего магнитного притяжения по всей длине актив­ ной части ротора, прогрессирующее увеличение прогиба вала и многоопорность его.

Согласно этой методике критическое расстояние между осями промежуточных опор ротора /к. п, при котором прогрессирует про­

47

магнитная и центробежная силы, отнесенные к единице смещения оси вала, в кгс/см2;

Вь

Критическое расстояние Ік. п должно быть меньше действитель­ ного между осями /п на 20%.

Используя формулу (35), можно рекомендовать следующий по­ рядок предварительного определения размеров вала ротора, задаваясь заранее величиной расстояния между опорами ротора,

Для определения t по формуле (36) задаются величиной индук­ ции В ь =4000ч-5000 Гс.

Диаметр ротора Dp~D i берется по формулам (23), (24) или (25); ст принимается равной 80% от значений, получаемых по фор­ муле (34).

Для определения с задаются номинальной скоростью вращения вала. Произведение k$kf можно принять равным 0,9.

Определив / и задавшись внутренним диаметром вала ротора dB, находим наружный диаметр вала ротора

(39)

Полученное значение dHуточняется затем по внутреннему диа­ метру стандартного шарикоподшипника, выбираемого в качестве промежуточной опоры.

Полный расчет на жесткость и прочность проводится по упомя­ нутой выше методике [25] после окончательного выбора всех раз­ меров и получения данных электромагнитного расчета двигателя.

Пути повышения мощности и вращающего момента электробура

Ранее было показано, что при данном значении СА, характери­ зующем уровень развития электромашиностроения и зависящем от магнитопроводности железа, электропроводности материала об­

48

мотки и от диэлектрической прочности изоляции обмотки, величина вращающего момента безредукторного электробура обусловлива­ ется только объемом магнитопровода D2l. Было также показано, что повышение вращающего момента в результате увеличения длины магнитопровода для заданного диаметра скважины (и элек­ тробура) ограничивается производственно-техническими возмож­

ностями.

В связи с этим в процессе создания электробуров проводили работы по увеличению вращающего момента в единице длины машины путем применения более совершенных, прочных, тепло­ стойких изоляционных материалов, обеспечивающих повышение коэффициента заполнения паза и допустимого нагрева обмотки двигателя [74].

Рассмотрим влияние толщины изоляции на мощность и макси­ мальный момент двигателя электробура.

Коэффициент заполнения паза статора медью (в %)

(40)

где qM— сечение проводника в мм2; 5П— число проводников в пазу; Qn — сечение паза в свету в мм2.

Величина коэффициента заполнения паза /м зависит от тол­ щины витковой и корпусной изоляций. Если при уменьшении тол­ щины изоляции оставить размеры паза и число проводников в пазу неизменными и соответственно увеличить сечение проводника qM, то

( /^ — увеличенный коэффициент заполнения паза статора медью;

(Iм' — измененное значение тока при увеличенном сечении провод­ ника <7м')

следовательно

<4 3 > ’

Вследствие неизменной величины напряжения отношение мощ­ ностей можно считать приблизительно равным отношению токов. Если обозначить /СМ=1+А К М, то при относительно небольших зна­ чениях Д/См повышение мощности будет