Электропривод Буровой Лебедки 0200 000000 023ПЗ

3 Расчет электропривода буровой лебедки

3.1 Выбор электропривода для буровой лебедки

 

Электропривод буровой лебедки (БЛ) должен обеспечивать процесс подъема  колонны бурильных труб за минимальное  время и с наименьшими потерями энергии.

Для обеспечения процесса подъема колонны труб в оптимальном режиме двигатель должен развивать такой момент и иметь такую мощность,  
чтобы их было достаточно для преодоления сил трения и подъема полного веса колонны при работе на низшей передаче редуктора, а также двигатель должен выдерживать частые включения и отключения для обеспечения повторно-кратковременного режима работы. Для этого применяются: реостатный пуск асинхронных двигателей с фазным ротором, пуск двигателей на холостом ходу с последующим подключением нагрузки с помощью электромагнитной муфты, пуск двигателей постоянного тока плавным повышением напряжения.

При наличии уменьшающегося момента статического сопротивления  
на валу двигателя мощностью P_д, наибольшая производительность лебедки  
и полная загрузка привода может быть достигнута, если по мере подъема труб, скорость подъема увеличивается, то есть выполняется условие:

 

 (3.1)

где М_б – момент сопротивления на валу барабана лебедки;

ω_б – угловая скорость барабана лебедки;

η – кпд передач от двигателя к барабану лебедки.

 

Таким образом электропривод БЛ должен обеспечивать многоступенчатое регулирование скорости вращения.

Передаточные  числа, число передач и диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие (3.1) и механическая характеристика привода была близка к кривой постоянной мощности, которой в координатах М_б, w_б соответствует кривая 1  
на рисунке 3.1.

В случае если скорость подъема колонны  регулируется с помощью четырехскоростной  (I, II, III, IV) трансмиссии и в качестве привода используется синхронный двигатель, у которого скорость не зависит  
от момента, вместо непрерывной параболы в координатах М, ω получаем четырехступенчатую ломаную абвгдежз, проходящую ниже кривой 1.

Рисунок 3.1 – Зависимость скорости подъема колонны от нагрузки на крюке

Таким образом, потребляемая от двигателя  мощность при любом весе колонны (кроме точек а, в, д, ж) будет меньше номинальной и двигатель будет  практически всегда недогружен. При этом КПД и коэффициент мощности двигателя будут ниже номинальных, что приведет к повышению потерь электрической энергии как в двигателе, так и в питающей сети.

Если двигатель БЛ будет иметь  механическую характеристику  
как у асинхронного двигателя с некоторым наклоном рабочего участка,  
то при снижении веса на крюке скорость двигателя будет несколько возрастать. При этом будет расти и скорость подъема колонны и вместо горизонтальных участков аб, вг, де, жз получим кривые, приближающиеся к кривой 1 (показаны пунктиром). При этом нагрузка двигателя будет приближаться к номинальной.

Таким образом, при ступенчатом  регулировании скорости подъема  колонны с помощью трансмиссий  для оптимизации режима нагрузки, двигатель должен иметь мягкую механическую характеристику.

Изменять частоту вращения барабана лебедки (скорости подъема груза) для  выполнения условия постоянства  мощности двигателя можно также  бесступенчато с помощью электропривода с широким диапазоном регулирования  частоты вращения.

При этом, чем больше глубина бурения, тем эффективнее применение регулируемого электропривода. При наличии электропривода с ограниченным диапазоном регулирования частоты вращения возможно уменьшение ступеней механической передачи.

В выпускаемых ранее буровых  установках ЭП лебедки применялся АД с фазным ротором. Применение короткозамкнутых АД и СД ограничивается тем, что эти двигатели не допускают большой частоты включения, а системы их управления не позволяют получать простыми схемами плавный разгон, реверсирование и снижение частоты вращения привода.

В ряде буровых установок для  привода лебедки используются СД  
в сочетании с электромагнитными муфтами, работающие в режиме постоянного вращения. При мощности двигателей более 250 кВт целесообразно выбирать их на напряжение 6 кВ, что позволяет исключить промежуточную трансформацию напряжения. В дальнейшем следует ожидать повышения рабочего напряжения двигателей буровой установки до 10 кВ.

Для электропривода буровой лебедки  в отечественных буровых установках находят применение асинхронные двигатели с фазным ротором серий АКБ и АКСБ, синхронные двигатели СДЗБ, СДБО, двигатели постоянного тока П2, МПП и др.

В результате технико-экономического сравнения вариантов электропривода буровой лебедки наиболее целесообразным может оказаться электропривод постоянного тока. Такой электропривод можно выполнить безредукторным и его можно использовать в качестве электротормоза. Электропривод постоянного тока используется в системе регулирования скорости, выполненной по схеме ТП-Д.

Режим работы электродвигателей буровой лебедки в процессе подъемных операций является повторно-кратковременным, так как после каждого подъема колонны на одну свечу выполняются вспомогательные операции – отвинчивание, перенос и установка свечи и опускание незагруженного элеватора. Время подъема колонны на одну свечу называют рабочим периодом двигателя. Т_м – машинное время перемещения одной свечи. Во время вспомогательных операций (Т_в) двигатель лебедки либо отключается,  
либо работает с небольшой нагрузкой.

Технологический процесс проводки глубоких скважин с дискретным подъемом инструмента предусматривает периодическое перемещение бурильных труб на длину одной свечи, лимитируемую принятой высотой вышки, для замены изношенного долота. Спуск и подъем бурильных труб производится также при промывке скважины, отборе керна, аварийных  
и ловильных работах, при подъеме инструмента, при наращивании и в ходе долбления. Основная загрузка агрегата определяется спускоподъемными операциями по перемещению бурового инструмента.

Для выполнения вспомогательных операций электродвигатель лебедки должен обеспечивать подъем максимально возможного груза на крюке. Максимальную возможную нагрузку на крюке от массы всей колонны бурильных труб называют номинальной грузоподъемностью буровой установки и обозначают Q_ном.. При этом мощность двигателя, необходимая  
для подъема колонны весом Q_ном. со скоростью V, можно определить

 

 (3.2)

где P_под. – мощность, необходимая для подъема колонны;

V – установившаяся скорость подъема при номинальной нагрузке;

η – КПД подъемной системы от вала электродвигателя до крюка.

 

 

Если выбрать мощность двигателя  равной номинальной (P_ном.) по (3.2),  
то есть P_ном. = P_под., то в рабочие периоды при Q = Q_ном. двигатель будет нагружен до номинальной мощности.

Однако при Q < Q_ном. или при выполнении вспомогательных операций двигатель будет либо недогружен, либо отключен. При этом средняя нагрузка на двигатель будет значительно ниже номинальной мощности электродвигателя, и двигатель будет недоиспользован по мощности.

Для полного использования мощности электродвигателя в процессе подъемных  операций необходимо учесть повторно-кратковременный  характер нагрузки на крюке. Для этого  вычисляют эффективную (среднеквадратичную) мощность нагрузки P_э по [4]

 

, (3.3)

где β – коэффициент, учитывающий условия охлаждения двигателя.

 

Если во время вспомогательных  операций двигатель лебедки отключается  от сети, то условия охлаждения ухудшаются, и β принимается равным 0,5.  
Если же во время вспомогательных операций двигатель не отключается,  
а работает на холостом ходу или с небольшой нагрузкой, то β = 1.

Если  выбрать номинальную мощность по выражению (3.3), т.е. Р_ном. = P_э, то в рабочие периоды двигатель будет перегружен, так как мощность, требуемая для подъема максимального веса колонны P_под., будет больше,  
чем номинальная мощность электродвигателя.

Отношение

 

 (3.4)

 

называют коэффициентом допустимой перегрузки электродвигателя  
в повторно-кратковременном режиме работы . С учетом (3.4) выражение (3.3) принимает вид

 

 (3.5)

 

Формула (3.5) используется для предварительного выбора мощности электродвигателя лебедки. Номинальная грузоподъемность Q_ном.  
и установившуюся скорость подъема V при номинальной грузоподъемности указываются в технической характеристике подъемной системы. Значения λ при предварительном выборе мощности электродвигателя принимается  
от 1,3 до 1,45 [1]. Обычно на практике принимают λ равным 1,3

 

 

КПД подъемной системы равен  КПД талевой системы.

По вычисленному значению P_э по справочникам (каталогам) выбирается двигатель постоянного тока.

Выбирается двигатель постоянного  тока серии 4ПС, мощностью 1000 кВт. Технические данные приведены в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 – Технические данные двигателя марки 4ПС-450-1000 УХЛ2

 

Параметры		Значение
1		2
Номинальная мощность, кВт		1000
Номинальное напряжение, В		800
Номинальный ток якоря		1320
Максимальный ток якоря, о.е.		2,0
Угловая скорость вращения, рад/с: номинальная; максимальная.		104,7 157
Число пар полюсов		2
Число витков обмотки якоря на полюс	43,5
Число витков обмотки возбуждения  на полюс		264
Сопротивление обмотки при 15 С, Ом: якорной; добавочных полюсов; компенсационной; возбуждения.		0,0701 0,0013 0,00478 4,39
Ток возбуждения, А: номинальный; при максимальной скорости.		28 12
Номинальный магнитный поток главного полюса, Вб		0,1336
Номинальный вращающий момент, Н·м		9560
Момент инерции якоря, кг·м		41
Потери, кВт (при 1000 кВт и 104,7 рад/с): стали якоря; меди якоря; меди компенсационной обмотки; меди обмотки добавочных полюсов; меди обмотки возбуждения; добавочные; переходные; механические; суммарные.		7,83 7,1 10,33 2,81 4,81 5,28 2,64 4,22 55,02

Продолжение таблицы 3.1

Параметры	Значение
1	2
Конструктивный коэффициент: Cе; Cм;	55,4 5,8
r|, %	94

 

Соответственно двигателю выбираем тиристорный преобразователь. Выбирается комплектная тиристорная установка серии К16. Технические данные данной тиристорный установки приведены в таблице 3.2. Отличительным признаком двигателей постоянного тока независимого возбуждения, существенно влияющим на их свойства, является независимость цепи обмотки возбуждения от цепи якоря.

Таблица 3.2 – Технические данные тиристорной установки типа КТУ-К16-УХЛ1

Параметры	Значение
Номинальный ток главного привода, А	1320
Номинальное напряжение главного привода, В	800
Номинальная мощность главного привода, кВт	1000
Масса, кг	17500

3.2 Естественная и искусственные характеристики

 

Отличительным признаком двигателей постоянного тока независимого возбуждения, существенно влияющим на их свойства, является независимость цепи обмотки возбуждения от цепи якоря.

Угловая скорость вращения якоря двигателя  постоянного тока определяется выражением

 

 (3.6)

электромагнитный момент двигателя, Н·м

 

 (3.7)

где C_е и C_м – коэффициенты, постоянные для данного двигателя:

 

Все механические характеристики рассматриваемого двигателя независимо от их жесткости пересекаются на оси ординат в точке частоты вращения n₀.

Это объясняется тем, что при  идеальном холостом ходе ЭДС якоря равна напряжению, подведенному к цепи якоря, при этом ток якоря равен нулю

 

 (3.8)

 

поэтому электромагнитный момент M = C_м·Ф·I_а = 0 и, следовательно, изменение частоты вращения Δn = 0.

Как отмечалось, механические характеристики рассматриваемого двигателя прямолинейны. В связи с этим положение любой  
из них определяется двумя точками, например точкой частоты вращения холостого хода n₀ и точкой, соответствующей номинальной нагрузке двигателя с координатами М_ном. и n_ном.. Значения номинального момента и номинальной частоты вращения в режиме естественной механической характеристики  
(при r_доб. = 0) можно определить, воспользовавшись данными каталога  
на двигатель. Обычно в каталоге на каждый типоразмер двигателя приведены номинальная частота вращения n_ном. и номинальная мощность P_ном.. Воспользовавшись этими данными, нетрудно определить номинальный момент

M_ном. = 9,55·10³·P_ном./n_ном.. (3.9)

 

Благодаря прямолинейности механических характеристик двигателей постоянного  тока независимого (параллельного) возбуждения  нетрудно установить зависимость между  частотой вращения, ЭДС и сопротивлением цепи якоря. Как отмечалось, при частоте вращения холостого хода По ЭДС якоря E_а0 равна напряжению питающей сети U, т.е. частота вращения холостого хода n₀ пропорциональна напряжению сети U. Тогда номинальная частота вращения n_ном. эквивалентна ЭДС при номинальной нагрузке