Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

ной, а момент меняет знак, оказывая тормозящее действие на приводимый механизм.

Частоту вращения выше синхронной можно получить, на­ пример, под действием момента, создаваемого опускающимся грузом буровой лебедки. Механические характеристики для режима работы с отдачей энергии в сеть при частоте враще­ ния выше синхронной (режим рекуперативного торможения) являются продолжением характеристик двигательного режима (см. рис. 3.8, участки а). В режиме рекуперативного торможе­ ния частота вращения ротора изменяется в пределах оо>а>>1йо, а скольжение —oo<s<0.

Если ротор асинхронной машины привести во вращение в направлении, противоположном движению поля, то направле­ ние движения поля по отношению к проводникам ротора оста­ ется таким же, как и в двигательном режиме. Энергия посту­ пает из сети в асинхронную машину, момент ее направлен про­

он вращается в сторону спуска. Механические характеристики двигателя в режиме противовключения являются продолже­ нием характеристик двигательного режима в области, где скольжения больше единицы (см. рис. 3.8, участки б). В ре­

динамического торможения, который осуществляется присое­ динением обмотки статора к источнику постоянного тока. Фаз­ ную обмотку ротора двигателя замыкают при этом на рези­ стор или накоротко.

Постоянный ток обмотки статора создает неподвижное магнитное поле. В обмотке вращающегося ротора двигателя вследствие пересечения линий магнитной индукции неподвиж­ ного поля наводится э. д. с., а поскольку обмотка ротора зам­ кнута, в ней под действием этой э. д. с. возникает ток. Взаимо­ действие тока ротора с магнитным потоком статора создает тормозной момент.

При торможении двигателя запасенная в роторе и приводи­ мом механизме кинетическая энергия превращается в элек­

в окружающую среду. Механические характеристики асинхрон­

141

Из формулы (3.38) видно, что максимальный момент дви­ гателя пропорционален квадрату напряжения сети. Следова­ тельно, при незначительном падении напряжения сети по срав­ нению с номинальным происходит заметное снижение макси­ мального момента. Например, при напряжении сети, равном 90% от номинального, максимальный момент двигателя состав­ ляет 81% величины Мк при поминальном напряжении.

При введении добавочного резистора в цепь ротора вели­ чина Мк не изменится, а величина критического скольжения sK, как это видно из равенства (3.37), увеличится пропорцио­ нально общему сопротивлению цепи ротора (рис. 3.8, кривая 2).

При больших значениях сопротивления цепи ротора крити­ ческое скольжение может возрасти настолько, что максималь­ ный момент двигателя, оставаясь неизменным, будет при сколь­ жении, большем единицы (в режиме торможения противовключением). Можно так подобрать сопротивление цепи ротора, что критическое скольжение будет равно единице. Начальный пус­ ковой момент (момент при s = l ) при этом будет равен макси­ мальному.

Максимальный момент при динамическом торможении не зависит от сопротивления цепи ротора, а определяется силой тока в обмотке статора. Скольжение, которому соответствует максимальный момент, пропорционально сопротивлению в цепи обмотки ротора и не зависит от силы тока статора (см. рис. 3.8, кривые 4, 5 и 6).

Пусковые свойства асинхронных двигателей характеризуют кратность начального пускового момента Л1П/МН и пускового тока /п//н. Для двигателей с короткозамкнутым ротором об­ щепромышленного исполнения обычно Мп/Мн= 0,8^-1,4.

При пуске асинхронного двигателя без ограничивающих резисторов токи в статоре и роторе в несколько раз превосходят номинальные. В двигателях с короткозамкнутым ротором пус­ ковой ток в 4—7,5 раза превышает номинальный. По мере раз­ бега двигателя уменьшаются э. д. с. ротора и соответственно токи ротора и статора. При скольжении, равном нулю, т. е. при

60%. Она возрастает у двигателей закрытого типа и у двига­ телей с увеличенным воздушным зазором. При прочих равных условиях относительная сила тока холостого хода тем выше, чем меньше номинальная частота вращения двигателя. По силе тока холостого хода можно в известной степени судить о со­ стоянии двигателя и, например, контролировать качество ре­ монта.

В условиях эксплуатации необходимо знать, какие измене­ ния произойдут в работе асинхронного двигателя при откло­

142

нении напряжения на его зажимах от номинального. Очевидно, изменится его характеристика, однако двигатель будет разви­ вать прежний вращающий момент, необходимый для приводи­ мого механизма, но при ином значении скольжения.

При работе двигателя с постоянным моментом нагрузки в случае снижения напряжения скольжение двигателя возра­

стет до величины S ' ^ s ^— , т. е. изменится приблизительно

Рис. 3.9. Изменение тока статора асинхронного двигателя при изменении на­ пряжения сети:

механизма.

При изменении напряжения изменится и ток статора двига­ теля: его реактивная составляющая — приблизительно пропор­ циональна напряжению ('в ненасыщенной части характеристики намагничивания), активная составляющая — обратно пропор­ циональна напряжению. Кривые изменения тока статора дви­ гателя при изменении напряжения показаны на рис. 3.9.

С и н х р о н н ы й д в и г а т е л ь . Синхронный двигатель ши­ роко распространен в нефтяной и газовой промышленности, особенно для электроприводов средней и большой мощности (поршневые компрессоры, буровые насосы, центробежные на­ сосы и нагнетатели).

Ратор двигателя (рис. 3.10, а) вращается с частотой, рав­ ной частоте вращения поля статора и определяемой по форму­ лам (3.26) или (3.27). Поскольку частота вращения синхрон­ ного двигателя не зависит от момента сопротивления на валу при его изменении от нуля до М = Мт механическая характе­ ристика синхронного двигателя представляется прямой линией, параллельной оси абсцисс (рис. 3.10,6).

143

с осью полюсов вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Увеличение нагрузки синхронного двигателя приводит к появлению угла сдвига между осями полюсов по­ лей статора и ротора. Этот угол, обозначаемый 0, называется внутренним углом синхронной машины, а зависимость электро-

Рис. 3.10. Схема включения (а), механическая характеристика (б), упрощен­ ная векторная диаграмма (в) и угловые характеристики (г) синхронного дви­ гателя

магнитного момента от внутреннего угла 0 называется угло­ вой характеристикой синхронного двигателя.

Для вывода уравнения угловой характеристики рассмотрим упрощенную векторную диаграмму явнополюсного синхронного двигателя (рис. ЗЛО, в), не учитывающую активное сопротив­ ление обмотки статора. Действующее в цепи машины резуль­ тирующее напряжение равно сумме э. д. с. Е0, индуктированной в обмотке статора полем ротора, и напряжения сети U. Под действием результирующего напряжения в цепи статора про­ текает ток /, отстающий от него на 90°.

144

Xd

где Id. и 1д— продольная и поперечная составляющие тока ста­ тора; Xd и xq — синхронные сопротивления по продольной и поперечной осям.

Подставляем эти выражения в формулу мощности:

Рэм = 3VI cos ф = 3UI cos (ф—0) = SUI sin 0 + 3UI cos фcos 0 =

пропорциональную синусу угла 0, и дополнительную составляю­ щую Мд, пропорциональную разности Xd—хя и синусу двойного угла 0. На рис. 3.10, г показаны зависимости полного электро­ магнитного момента (кривая 1), его основной (кривая 2) и до­ полнительной (кривая 3) составляющих от внутреннего угла.

Максимальное значение дополнительной составляющей мо­ мента обычно не превышает 25—30% от основной и имеет ме­ сто при 0= 45° Поэтому максимум полного электромагнитного момента наблюдается при 0М~72—75°

При возрастании угла 0 от нуля до 0М момент двигателя возрастает. Этот участок характеристики обеспечивает устойчи­ вую работу электропривода, так как при возрастании момента сопротивления динамический момент становится отрицательным, вследствие чего ротор начинает отставать, увеличивая угол 0 до тех пор, пока момент двигателя не станет равным моменту нагрузки.

При 0>0м условие устойчивой работы двигателя наруша­ ется, так как при увеличении нагрузки угол 0 растет, а мо­ мент двигателя уменьшается, и он выпадает из синхронизма.

145

Поэтому участок кривой от 0= 0Мдо 0=180° является неустой­ чивой частью характеристики.

Номинальному моменту двигателя Мн обычно соответствует

можения. Для перевода синхронного двигателя в режим реку­ перативного торможения необходимо, чтобы момент сопротив­ ления изменил свой знак, т. е. стал двигательным. Под дейст­ вием этого момента ротор начинает ускорять свое движение, уменьшая угол 0 до нуля и далее до отрицательных значений, при которых двигатель начинает отдавать энергию в сеть.

Как следует из формулы (3.47), амплитуда основной со­ ставляющей электромагнитного момента пропорциональна пер­ вой степени напряжения сети. Поэтому синхронный двигатель в меньшей степени подвержен влиянию колебаний напряжения сети, чем асинхронный. Максимальное значение основной состав­ ляющей момента зависит также от э. д. с. Е0, которую можно изменять, меняя ток возбуждения.

Увеличение тока возбуждения при неизменном напряжении сети влечет за собой уменьшение угла 0 (0 4 < 0 Н) вследствие перехода рабочей точки с кривой 1 на кривую 4 (см. рис. 3.10, г). Увеличивая ток возбуждения, можно иногда скомпенсировать уменьшение момента двигателя, вызванное снижением напря­ жения сети. В этом заключается одно из преимуществ синхрон­ ного двигателя перед асинхронным.

Синхронный двигатель может также работать в режиме динамического торможения, для чего обмотку статора отклю­ чают от сети и замыкают на резистор. Механические характе­ ристики в этом случае подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении.

§ 18. Пуск и регулирование частоты вращения электродвигателей

Пуск двигателей постоянного тока

Существуют следующие способы пуска двигателей постоян­ ного тока: прямой (безреостатный), пуск реостатом в цепи якоря и пуск плавным подъемом напряжения на якоре.

При прямом пуске двигателя в начальный момент, когда его э. д. с. равна нулю, в обмотке якоря может возникнуть не­ допустимо большой ток, так как сопротивление этой обмотки незначительно. Пиковое значение пускового тока может превы­ шать номинальное в 8—15 раз. Такие большие токи для боль­ шей части двигателей недопустимы и поэтому безреостатный

Н6

пуск применяется весьма редко и только для двигателей не­ большой мощности (0,5—1 кВт), запускаемых без нагрузки на валу.

Максимальное значение пускового тока двигателей постоян­ ного тока определяется условиями обеспечения нормальной ра­ боты коллектора. При больших пусковых токах велики пуско­ вые моменты и ускорения, что при наличии зубчатых передач может привести к ударам и поломкам зубьев. Для двигателей нормального исполнения допустимый пусковой ток составляет 1,8—2,5 номинального значения.

Для ограничения пускового тока в цепь якоря при пуске вводят пусковой реостат, сопротивление которого выбирают так, чтобы получить заданный пусковой ток и соответствующий пусковой момент. Поскольку на промыслах отсутствуют сети по­ стоянного тока, подобный способ пуска в нефтяной промыш­ ленности не применяют.

Для пуска двигателя плавным подъемом напряжения на якоре необходимо иметь автономный источник регулируемого напряжения. В качестве такого источника может служить гене­ ратор постоянного тока, либо управляемый выпрямитель. В начальный момент пуска к якорю двигателя подводится на­ пряжение, составляющее примерно 10% от номинального зна­ чения, вследствие чего пусковой ток не превышает допустимого значения. По мере разгона двигателя вследствие увеличения э. д. с. ток и вращающий момент двигателя будут уменьшаться. Чтобы избежать этого, постепенно повышают напряжение. Пра­ вильный выбор схемы управления повышением напряжения обеспечивает неизменными силу тока и вращающий момент двигателя почти за все время пуска. Пуск окончится, когда на­ пряжение на зажимах якоря двигателя достигнет номиналь­ ного значения и двигатель разгонится до номинальной частоты вращения.

При пуске двигателя плавным подъемом напряжения на якоре необходимо питать обмотку возбуждения двигателя от независимого источника напряжения, так как ток возбуждения двигателя при пуске должен быть номинальным.

При отключении двигателей параллельного и смешанного возбуждения э. д. с., индуктируемая в обмотке возбуждения, может достигать значений, опасных для электрической прочно­ сти изоляции обмотки. Для уменьшения этой э. д. с. обмотку возбуждения замыкают на разрядный резистор или создают разрядный контур.

147

частоту и э. д. с. при нормальной работе. Поэтому пусковой ток асинхронного двигателя при закороченном роторе значительно превосходит его номинальный ток.

Пусковой ток оказывает влияние на электрическую сеть, вызывая увеличенную потерю напряжения в линиях и транс­ форматорах. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению мо­ мента запускаемого двигателя, увеличению времени пуска и нагревания обмоток двигателя. Часто вследствие большой по­ тери напряжения пуск не может состояться. Поэтому при пу­ ске асинхронных двигателей стремятся снизить кратность пу­ скового тока, а у двигателей с фазным ротором — увеличить пусковой момент.

Существуют несколько способов пуска асинхронных двига­ телей.

Для двигателей с фазным ротором — пуск с помощью рео­ стата в цепи ротора.

Для двигателей с короткозамкнутым ротором: прямой пуск от сети; пуск переключением со звезды на треугольник; пуск посредством пускового трансформатора; пуск с помощью сопро­

при помощи реостата, включаемого в цепь ротора. При введе­ нии в цепь ротора активного сопротивления пусковой ток умень­ шается, а пусковой момент увеличивается (до некоторого пре­ дела). Физически это объясняется тем, что, хотя при введении активного сопротивления ток ротора уменьшается согласно формуле (3.35), его активная составляющая увеличивается. Поэтому увеличивается и пусковой момент.

Схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором и пусковая диаграмма показаны на рис. 3.11. Сумма сопротив­ лений Г1 + г2 + г3=/-п выбирается таким образом, чтобы пуско­ вой момент Mi в точке а' составлял (0,8—0,9) Мк. Если присое­ динить к сети двигатель с сопротивлением гп в цепи ротора, он начнет вращаться и увеличивать угловую скорость. При этом его момент уменьшается (линия а'Ь"). Когда момент достигнет значения М2 (точка Ь"), контактором К1 выводится (обычно автоматически) одна секция пускового резистора и сопротивле­ ние в цепи ротора уменьшается на величину г\. Ток ротора и момент при этом мгновенно возрастут, так как при переключе­ нии э. д. с. ротора осталась неизменной (вследствие малой длительности времени переключения), а сопротивление цепи ротора уменьшилось.

Сопротивление первой ступени реостата выбирается таким, чтобы значение возросшего момента было равно М\. Это усло­ вие будет выполнено, если характеристика, соответствующая новому значению сопротивления якорной цепи, пройдет через точки ©о и Ь' После замыкания первой ступени двигатель бу­

148

дет работать на новой реостатной характеристике, его угловая скорость начнет возрастать, а ток ротора и момент будут уменьшаться.

Таким образом, постепенно выводя секции пускового рези­ стора контакторами /02 и КЗ, переводят двигатель с одной пу­ сковой характеристики на другую до выхода на естественную характеристику в точке d'

Число ступеней пускового реостата обычно принимается 2—3. Момент переключения принимают на 10—25% больше

максимального значения момента статического сопротивления при пуске.

Для уменьшения числа ступеней пускового реостата при пуске асинхронного двигателя применяют параллельное вклю­ чение в цепь ротора индуктивных и активных сопротивлений. В начальный момент пуска двигателя при большой частоте тока в роторе индуктивное сопротивление дросселя, шунтирую­ щего активное сопротивление, относительно велико, поэтому большая часть тока ротора будет проходить через активное со­ противление, которое и определит силу пускового тока и мо­ мент. По мере разгона двигателя частота тока в роторе и со­ ответственно индуктивное сопротивление дросселя будут умень­ шаться, вследствие чего большая часть тока ротора начнет проходить через обмотку дросселя. В конце ускорения при ча­ стоте тока ротора 2—5 Гц индуктивное сопротивление дросселя станет незначительным и почти весь ток будет проходить через дроссель, имеющий малое активное сопротивление. Подобные

149