Гл а в а IX
ЭЛЕКТРОПРИВОД И СИЛОВОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для электрификации и автоматизации производственных процессов.
В состав электропривода входят: преобразователь (машинный генератор или преобразователь частоты и т. п.), электродвигатель или группа электродвигателей передаточного механизма (соединительная муфта, ременная передача, редуктор, коробка скоростей и т. п.), аппаратура управления электродвигателем или группой электродвигателей (контакторы, пускатели станции управления, кнопочные посты, командоаппараты и т. д.), рабочая машина (станок, насос, лебедка и т. п.).
Электропривод преобразует электрическую энергию в механическую и обеспечивает электрическое управление преобразованной энергией в соответствии с технологическими требованиями к режимам работы механизма. Наиболее простым является ручное управление электродвигателями, осуществляемое при помощи рубильников, пакетных выключателей, пусковых и регулировочных реостатов и контроллеров.
В зависимости от способа передачи энергии от двигателя к рабочим органам механизмов электроприводы могут быть групповыми, индивидуальными или многодвигательными.
Групповым называется привод, в котором один двигатель приводит в движение с помощью трансмиссий или передач группу рабочих машин или рабочих органов одной машины. Примером группового электропривода может быть электропривод лебедки и роторного стола буровой установки БУ80 БрЭ-1.
Кинематическая схема рабочих машин в таком приводе очень часто сложна и громоздка, а сам привод неэкономичен, поэтому его используют редко.
Современное направление в развитии электроприводов заключается в том, что электродвигатель максимально приближается к рабочим механизмам. Наиболее совершенным типом является электропривод, органически слитый с рабочей машиной, который легко управляется, автоматизируется и максимально упрощает рабочую машину.
Индивидуальным называется привод, в котором двигатель приводит в движение только один рабочий орган машины. Индивидуальный привод позволяет упростить кинематическую схему рабочей машины.
В ряде случаев двигатель и рабочая машина конструктивно связаны между собой и образуют единое целое. Примером такого электропривода может служить электробур для бурения нефтяных скважин, который представляет собой забойный электродвигатель, помещенный на нижнем конце колонны бурильных труб и предназначенный непосредственно для вращения долота.
В многодвигательном приводе отдельные рабочие органы машины приводятся в движение самостоятельным двигателем через систему передачи. Комплекс АСП-3 для автоматизации спуско-подъемных операций при бурении скважин имеет многодвигательный электропривод.
В нефтяной промышленности наибольшее распространение получили индивидуальные электроприводы механизмов.
Движение электропривода, как и всякого механизма, подчиняется законам динамики и определяется силами (моментами), действующими в этой системе. Вращающий момент Мдв, развиваемый электродвигателем, в любой момент времени уравновешивается суммой момента статического сопротивления Мс и динамического (инерционного) момента Мдин:
(110)
Это уравнение называется уравнением движения электропривода. Вращающий момент электродвигателя считают положительным, если он направлен в сторону движения механизма, и отрицательным, если он препятствует его движению. Последний называется тормозным моментом. Действие статического момента, приложенного к валу двигателя, проявляется в полезной работе, совершаемой механизмом, и работе сил трения, а действие динамического момента — только во время переходных процессов, т. е. таких процессов, когда изменяются частота вращения электропривода и запас энергии движения в нем.
При равенстве вращающего момента электродвигателя и момента статического сопротивления система находится в состоянии динамического равновесия — частота вращения электропривода не изменяется. Во время нарушения равновесия между вращающим моментом электродвигателя и моментом статического сопротивления частота вращения электродвигателя начинает изменяться. Если Мдв>Мс, привод ускоряет свое движение, т. е. частота вращения его увеличивается; если Мдв<МС, то привод замедляет свое движение, т. е. частота вращения его снижается. Величина динамического момента определяется разностью между вращающим моментом электродвигателя и моментом статического сопротивления. Положительному динамическому моменту соответствуют увеличение частоты вращения электропривода и возрастание запаса кинетической энергии, отрицательному — уменьшение частоты вращения привода и убывание запаса кинетической энергии, т. е. энергии движения.
При всяком нарушении равновесия между моментами электродвигателя и статического сопротивления наступает переходный процесс, сопровождающийся изменением частоты вращения вала, момента и силы тока электродвигателя, а также запаса кинетической энергии электропривода и механизма. К переходным процессам относятся пуск, торможение, реверсирование, изменение нагрузки или частоты вращения во время работы механизма и пр.
Характер протекания переходных процессов электропривода определяется прежде всего законами изменения движущихся моментов и моментов сопротивления всего агрегата.
Время переходного процесса для некоторых механизмов в значительной степени определяет их производительность и существенно влияет на выбор приводного электродвигателя. Время переходного процесса прямо пропорционально моменту инерции электропривода. Чтобы сократить время переходных процессов, стремятся уменьшить момент инерции ротора электродвигателя и других элементов электропривода.
