1387

напряжения сети от 0,8 Uaом до UB0M при нагрузке меньше но­ минальной, увеличивает возбуждение пропорционально актив­ ному току в момент перегрузок и обеспечивает регулирование только по активному току при напряжении выше номинального. Регулятор измеряет и контролирует основные параметры (ак­ тивный ток и напряжение) и в зависимости от их значения вы­ бирает наиболее целесообразный в данный момент параметр регулирования.

Входными устройствами АРВ являются дискретные датчики напряжения ДН1, ДН2 и датчик активного тока ДАТ. Принцип работы датчиков заключается в следующем. Фазное напряже­ ние UА с измерительного трансформатора (для датчиков напря­ жения) или с трансформатора тока, включенного в фазу А ста­ тора двигателя (для ДАТ) выпрямляется двухполупериодным выпрямителем и через периодически открывающийся с часто­ той 100 Гц транзисторный ключ подводится к запоминающему конденсатору. Работа дискретных датчиков задается устройст­ вом ЗУ, которое формирует из линейного напряжения UBс (в моменты его прохождения через нулевые значения) короткие

импульсы, открывающие транзисторные	ключи на 100—
150 мкс. Поскольку векторы напряжений	UBс и UA сдвинуты

на 90° в момент открывания ключа запоминающий конденсатор оказывается подключенным к амплитудному значению напря­ жения UА, а в случае применения ДАТ — к напряжению, прямо пропорциональному активной составляющей тока статора СД. Зафиксированное значение напряжения на запоминающем кон­ денсаторе действует до следующего срабатывания ключа.

Необходимая сила тока возбуждения СД зависит от уровня напряжения питающей сети и действительной нагрузки СД. Со­ ответствующий закон регулирования тока возбуждения выбира­ ется логическим устройством переключения каналов ЛУПК. Выходное напряжение устройства ВУ зависит от уровня на­ пряжения питающей сети и нагрузки на валу СД. Уровень на­ пряжения на выходе ВУ влияет на фазу импульсов системы импульсно-фазового управления СИФУ, изменяющей угол отпи­ рания тиристоров возбудителя ТВ и, следовательно, силу тока возбуждения СД.

Когда напряжение сети становится ниже установленного ми­ нимального уровня и срабатывает датчик ДН1, осуществляется кратковременная форсировка (устройство УФ) тока возбужде­ ния. Если напряжение питающей сети ниже номинального, но превышает значение, при котором наступает форсировка, проис­ ходит регулирование поддержания постоянства напряжения сети. В этом случае, учитывая длительность возможных сни­ жений напряжения, ток возбуждения двигателя поддержива­ ется постоянным и равным номинальному.

При увеличении напряжения сети выше номинального дат­ чик ДН2 через сравнивающее устройство СУ воздействует на

273

ЛУПК и происходит регулирование по активной составляющей тока двигателя. При этом, поскольку напряжение питающей сети выше номинального, СУ выдает сигнал на ЛУПК о пере­ ходе на регулирование по активному току (канал ДАТ— ЛУПК—ВУ). В этом случае ток возбуждения зависит от на­ грузки, что создает возможность путем выбора нужного коэф­ фициента усиления по каналу ДАТ обеспечить устойчивость ра­ боты приводного синхронного двигателя лебедки.

При холостом ходе СД АРВ устанавливает неизменный ток возбуждения, равный (0,6—0,7) imi и определяемый из условия

~380В

тт

Рис. 7.14. Упрощенная схема управления возбуждением электромагнитной муфты скольжения

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 независимо от уровня напряжения питающей сети. Это обеспечивает надежную и устойчивую работу синхронного двигателя в момент включе­ ния максимальной нагрузки.

Схема управления возбуждением электромагнитной муфты ЭМС-750 (рис. 7.14) обеспечивает плавное приложение мо­ мента нагрузки к валу синхронного двигателя и достаточно интенсивный разгон барабана лебедки.

Обмотка возбуждения муфты ОВ ЭМС получает питание от нереверсивного тиристорного преобразователя, состоящего из тиристоров Т1 и Т2 и трансформатора Тр. Последний получает питание от сети переменного тока через магнитный пускатель ПМ и автомат АВ. В цепи катушки магнитного пускателя ПМ

274

(на схеме не показана) предусмотрены защиты и блокировки, аналогичные блокировкам рис. 7.12.

Управление углом отпирания тиристоров осуществляется по­ средством магнитного усилителя МУ, суммирущего сигналы за­ дающий (зажимы 3 и 4), отрицательной обратной связи по ско­ рости (зажимы 5 и 6) и отрицательной обратной связи по току возбуждения ЭМС (зажимы 7 и 8). Напряжение на все эти зажимы подается от сельсинного командоаппарата СКАЛ, тахогенератора ТГ и резистора Р. Тахогенератор ТГ приводится во вращение ведомым валом муфты через цепную передачу. Магнитный усилитель МУ получает питание от сети перемен­ ного тока (зажимы 1 и 2); с выхода МУ (зажимы 9 и 10) от­ пирающие импульсы поступают на управляющие электроды ти­ ристоров. Требуемые динамические характеристики привода формируются соответствущими обратными связями.

Вкачестве вспомогательного тормоза лебедки служит элек­ тромагнитный порошковый тормоз ТЭП-4500. Этот же тормоз используется в качестве автоматического регулятора подачи до­ лота.

Всхеме управления электромагнитным порошковым тормо­ зом ТЭП-4500 обмотки возбуждения тормоза (этот тормоз яв­ ляется двухобмоточным) получают питание от сети перемен­ ного тока через диодно-тиристорный регулятор. Последний обеспечивает постоянство заданной скорости спуска бурильной колонны и ее регулирования (обратная связь по скорости сни­ мается с тахогенератора), форсировку тока возбуждения, раз­ магничивание тормоза, и стабилизацию тока возбуждения (при работе тормоза в качестве регулятора подачи инструмента во время бурения). Управление торможением осуществляется с по­ мощью командоконтроллера.

§ 39. Электропривод буровых насосов

Характеристика и мощность

Буровой насос служит для создания циркуляции промывоч­ ной жидкости, очищающей забой и передающей энергию тур­ бине при турбинном способе бурения. В бурении в основном применяются поршневые насосы со сменными цилиндровыми втулками, позволяющие в определенных пределах изменять по­ дачу насоса при постоянном числе ходов поршней в минуту. При неизмененных глубине бурения, конструкции скважины и бурильной колонны и качестве бурового раствора момент на приводном валу бурового насоса связан параболической зави­ симостью с частотой вращения этого вала. Постоянная пара­ болы зависит от конструктивных данных насоса, диаметра при­ меняемой втулки, параметров бурового инструмента и качества прокачиваемой жидкости.

275

В начале бурения скважины давление, создаваемое насо­ сом, невелико. Однако по мере углубления скважины вслед­ ствие увеличения гидравлического сопротивления труб увели­ чивается и давление на выходе насоса, которое ограничено прочностью деталей насоса. Поэтому, начиная с определенной глубины скважины, подачу насоса приходится ограничивать. Частично эта задача решается при нерегулируемом электропри­ воде сменой цилиндровых втулок насоса, однако недоиспользо­ вание мощности при таком регулировании весьма существенно. Наилучшее использование мощности и работа на оптимальных технологических режимах возможны только при плавном регу­ лировании частоты вращения привода.

Более полное использование мощности насосов при регули­ руемом приводе практически выражается в том, что при том же максимальном допустимом давлении в нагнетательной си­ стеме подача насосов в абсолютном большинстве рейсов может быть выше, чем при нерегулируемом приводе. Благодаря этому при всех видах бурения улучшается очистка забоя, что ведет к увеличению механической скорости бурения, а также созда­ ется возможность дальнейшего увеличения скорости вследствие повышения нагрузки на долото. Одновременно возрастает про­ ходка на долото, поскольку уменьшается степень повторного разрушения породы. В результате увеличения проходки на до­ лото сокращается время спуско-подъема и ряда вспомогатель­ ных и подготовительно-заключительных операций.

При турбинном бурении, кроме того, механическая скорость растет вследствие увеличения частоты вращения долота и сред­ ней мощности, подводимой к долоту.

Регулирование подачи насоса необходимо в осложненных условиях бурения, а также при восстановлении циркуляции. Та­ ким образом, для бурового насоса было бы целесообразно при­ менять регулируемый электропривод. Причем регулирование необходимо осуществлять при постоянном моменте, определяе­ мом допустимым усилием на шток насоса или допустимым дав­ лением в гидравлической системе буровой установки.

Поскольку достаточно простой, надежный и экономичный мощный регулируемый электропривод переменного тока отсут­ ствует, для буровых насосов в большинстве случаев применяют нерегулируемый электропривод переменного тока. В качестве приводных двигателей используются синхронные двигатели, яв­ ляющиеся одновременно источниками реактивной энергии. Из­ менение подачи насосов осуществляется сменой цилиндровых втулок, а уменьшение подачи на время восстановления цирку­ ляции — открыванием задвижки на сливе из насоса.

В случае применения для привода насоса асинхронного дви­ гателя с фазным ротором возможно регулирование его частоты вращения вниз от номинальной. Так как отношение диаметров соседних типоразмеров втулок составляет 0,85—0,9, между

276

двумя сменами втулок целесообразно регулировать частоту вра­ щения приводного двигателя насоса на 20—30% вниз от номи­ нальной. Такое регулирование частоты вращения может быть получено при помощи резистора в цепи ротора двигателя. Од­ нако такое регулирование связано с существенными потерями энергии, поэтому в новых буровых установках предусмотрено регулирование подачи насосов путем регулирования частоты вращения асинхронного двигателя по схеме электрического кас­ када (см. рис. 7.2).

Вентильно-машинный каскад, применяемый в установке «Уралмаш-5000Э», состоит из асинхронного двигателя с фаз­ ным ротором АДН, трехфазного выпрямительного моста ВК, преобразующего энергию скольжения двигателя в энергию по­ стоянного тока, и источника э. д. с., в качестве которого ис­ пользуется генератор постоянного тока ГН (П127-8к, 250 кВт, 330 В, 750 об/мин) с приводным синхронным двигателем СДА. Ток ротора асинхронного двигателя АДН выпрямляется выпря­ мителем ВК и поступает в цепь якоря машины постоянного тока ГН. Эта машина работает в двигательном режиме, а СДА — в генераторном режиме, вследствие чего энергия скольжения возвращается в сеть.

Изменяя э. д. с. ГН, можно регулировать частоты вращения АДН: чем больше сила тока возбуждения ГН, тем меньше ча­ стота вращения АДН. Обмотка возбуждения ГН получает пи­ тание от реверсивного тиристорного возбудителя, управляемого сельсинным командоаппаратом. В схеме управления предусмот­ рены обратные связи, способствующие стабилизации характе­ ристик двигателя. Рассмотренная схема позволяет снижать ско­

рость АДН на 40% от номинальной.	масляный рео­
Для пуска двигателя АДН используется
стат РМ.	подача насоса
В буровых установках глубокого бурения

в широких пределах регулируется при помощи привода посто­ янного тока по системе тиристорный преобразователь—двига­ тель.

Мощность приводного двигателя насоса может быть опреде­ лена по формуле

р _ Фп<3трд	^7 4^
'Пн'Пп. н

где QT— максимальная теоретическая подача, рассчитанная по диаметрам цилиндра и штока, ходу поршня и числу ходов поршня в 1 с, м3/с; р — полное давление нагнетания при макси­ мальной производительности, Па; фп — коэффициент подачи; г]и — полный КПД насоса; т)п. н — КПД передач между двигате­ лем и насосом; а — коэффициент, учитывающий возможность длительной перегрузки насоса.

277

Значение полного давления нагнетания определяется в со­ ответствии с формулами из курса бурения; значения коэффи­ циентов: фп = 0,9; г)н = 0,8; т]п. н = 0,96; а= 1,054-1,1.

Поскольку режим работы насоса продолжительный, двига­ тель насоса выбирают таким образом, чтобы его номинальная мощность была несколько больше или равна мощности, вычис­ ленной по формуле (7.4). Номинальное напряжение обмоток двигателя должно быть равно напряжению питающей сети (6 или 10 кВ). Номинальная частота вращения двигателя опреде­ ляется кинематикой насоса и клиноременной передачи; для су­ ществующих поршневых насосов она составляет 750 об/мин.

Двигатели и станции управления

В серийных электрифицированных буровых установках для привода насосов применяются синхронные двигатели, рассчи­ танные для эксплуатации в неотапливаемых помещениях с нор­ мальной средой при температуре окружающего воздуха ±40° С

и относительной влажностью 90% при 20° С	(исполнение У2).
Исполнение двигателей — брызгозащищенное	с влагостойкой

изоляцией, горизонтальное с самовентиляцией; вал на щито­ вых подшипниках — со свободным концом под шкив для клино­ ременной передачи. На верху корпуса двигателя смонтирован возбудитель, связанный клиноременной передачей с валом дви­ гателя. Номинальное напряжение двигателей 6000 В, номиналь­ ная частота вращения 750 об/мин.

Обмотка статора двигателя соединена в звезду, ротор с явно выраженными полюсами, пусковая обмотка в виде ла­ тунных стержней, расположенных в башмаках полюсов. Дви­ гатель снабжен грелкой для обогрева обмотки при перерывах в работе в зимнее время.

Технические данные синхронных двигателей привода насо­ сов приведены в табл. 7.6.

Таблица 7.6 Технические данные синхронных двигателей привода насосов

Тип двигателя

СДЗ-12-46-8А СДБ-13 42-8А

СД ЗБ -13-42-8

СДЗ-13-52-8 А СДБО-99/49-8/А2

СДБ -14-46-8

	При номиналь­			Кратность по отношению
Номинальная мощность, кВт	ной нагрузке				к номинальному
	сила тока статора» А	к п д, %	COS ф	пускового тока	начального пускового момента	ВХОДНОГО момента	максималь­ ного момента	Масса,
320	36,7	94	0,9	5,5	1,3	1,2	1,8	3200
450	46,2	93	1,0	6,0	1,8	0,6	1,46	4050
450	51,5	94	0,9	5,4	1,8	0,6	1,9	4050
630	63,5	95	1,0	6,0	1,8	0,6	1,44	5420
630	71	94,5	0,9	6,9	1,8	0,6	2,2	5600
850	96	94,5	0,9	5,5	0,87	0,79	2 .2	6500

278

Принципиальная схема управления синхронным двигателем насоса буровой установки «Уралмаш-4000 БЭ» показана на рис. 7.15. Поскольку условия пуска двигателя бурового насоса являются сравнительно легкими (момент статического сопро­ тивления на валу двигателя составляет примерно 20% от номи­ нального момента двигателя, время разгона 3—4 с, мощность сетей, как правило, достаточная), в схеме предусмотрен его прямой пуск с наглухо подключенным возбудителем.

К трансформатору

	УП1	УП1
№	лебо 0 прабо	№ лебо 0 прабо
конт.		конт

1-1 г-г

X	1-1	X
X X	г	X
	- 1

Рис. 7.15. Схема управления синхронным двигателем бурового насоса

Управление пуском и остановкой двигателя насоса С Д — ди­ станционное посредством переключателя УП1 со станции управ­ ления ПГА 7002-01А1, установленной в насосном блоке; отклю­ чение возможно также и с пульта бурильщика переключателем УП2. Поворот рукоятки УП1 в правое положение вызывает (при наличии напряжения 6 кВ контролируемого реле РП1 и разомк­ нутой цепи катушки реле РП2) включение реле РВ и контак­ тора КВ. Контактор КВ замыкает цепь обмотки возбуждения ОВВ возбудителя В на его якорь и включает свою катушку на самопитание, а реле РВ замыкает цепь катушки контактора высокого напряжения К.

Этот контактор своими главными контактами подает пи­ тание на обмотку статора двигателя СД, а вспомогательным

279

контактом включает свою катушку на самопитание. Начина­ ется асинхронный пуск синхронного двигателя СД; напряжение возбудителя В по мере разгона двигателя увеличивается, и, сле­ довательно, нарастает его ток возбуждения; при достижении подсинхронной частоты вращения ротор двигателя под дейст­ вием входного момента втягивается в синхронизм. Ток возбуж­ дения двигателя регулируется реостатом ШР, установленным на пульте.

Для повышения устойчивости двигателя насоса при сниже­ ниях напряжения предусмотрено форсирование возбуждения двигателя. Контроль за напряжением осуществляется с по­ мощью реле РФ, которое при снижении напряжения на 15% и более отпускает якорь и закрывает свой контакт в цепи ка­ тушки контактора форсирования КФ. Последний своим замы­ кающим контактом закорачивает часть реостата ШР\ напря­ жение возбудителя поднимается, возрастает ток в обмотке воз­ буждения ОВ СД двигателя, а следовательно, увеличивается и его максимальный момент.

Форсирование возбуждения синхронных двигателей целесо­ образно также и потому, что оно способствует повышению устойчивости всей энергосистемы, так как при аварийных ре­ жимах перевозбужденные синхронные двигатели, работая как генераторы реактивной энергии, поддерживают напряжение в сети. После восстановления напряжения сети до номинального значения реле РФ вновь включается и форсировка автомати­ чески снимается.

Для остановки двигателя необходимо повернуть либо руко­ ятку УП1 в левоеположение, либо рукоятку УП2 в любое по­ ложение. Это приводит к одновременному разрыву цепей ка­ тушек контактора КВ и реле РВ. Контактор КВ разрывает цепь обмотки возбуждения возбудителя, обеспечивая гашение поля двигателя СД. Реле РВ с выдержкой времени около 1,5 с разрывает цепь катушки контактора К и отключает обмотку статора двигателя СД от сети. Такая последовательность опе­ рации при отключении двигателя снижает перенапряжения в обмотке статора и на контактах контактора К при его от­ ключении.

Защита двигателя от перегрузок и от асинхронного режима осуществляется при помощи реле РТ1 и РТ2, которые с выдерж­ кой времени закрывают свои контакты в цепи катушки реле РП2, отключающего контактор К. Реле РП1 (его катушка на схеме 'не показана) своим размыкающим контактом РП1 осуще­ ствляет блокировку, при помощи которой цепь управления дви­ гателем СД отключается, если отсутствует напряжение б кВ цепи питания двигателя.

Для контроля за работой привода насоса в схеме предусмот­ рены приборы измерения напряжения и силы тока в цепях ста­ тора и обмотки возбуждения: вольтметры VI и V2, амперметры

280

согласующего трансформатора Tpl и статического управляе­ мого однофазного выпрямителя с нулевым выводом ПбС.

Для обеспечения необходимого пускового момента и за­ щиты от перенапряжений вентилей ПбВ и ротора двигателя в схеме предусмотрено пускозащитное устройство ПЗУ, в ка­ честве которого применен тиристор, подключенный встречно­ параллельно одному из вентилей ПбВ. Тиристор открывается

Рис. 7.17. Структурная схема управления бесщеточным двигателем:

М —г синхронный двигатель; ВбС — возбудитель бесщеточный синхронный;							ПЗУ — пуско­
защитное	устройство; ДНТ — датчик			напряжения и тока;		ССУ — сумматор	сигналов уп­
равления;	ОТР — ограничитель	тока		ротора;	РВП — реле	времени пуска; ИУ — импульс­
ное устройство; КЗЗ — защита		от	короткого		замыкания;	ПбС — преобразователь стати­
ческий; ИП — источник питания;			Эн1 — Энб — электронагреватели; ФСУ — формирова­

тель сигнала управления; ПА — пусковая аппаратура; ВА1 и ВА2 — автоматические вы­ ключатели; К — контактор; КП1-3 — измерители тока возбуждения

под действием отрицательной полуволны э. д. с., наведенной в роторе полем статора двигателя, с помощью стабилитронов, включенных в цепь управляющего перехода тиристора. После­ довательно с тиристором включен разрядный резистор, обеспе­ чивающий быстрое гашение поля ротора и закрытие пускового тиристора по окончании пуска. Так как момент подачи возбуж­ дения может оказать существенное влияние только на синхро­ низацию двигателей с большим моментом сопротивления и значительной инерционной постоянной, то в схеме применено полупроводниковое реле времени РВП, обеспечивающее подачу возбуждения в конце пуска до вхождения двигателя в синхро­ низм. В схеме предусмотрена защита от коротких замыканий

282