Электромашинные БАР с исполнительным электродвигателем постоянного и переменного тока

Исполнительные электродвигатели постоянного тока многих БАР работают по системе Г-Д. Рассмотрим схему системы Г-Д (рис. 4.18).

На рис. 4.18, а М_с— нагрузочный момент (двигатель кинематически связан с валом лебедки), ?дпротивоЭДС напряжению U .

Изменением напряжения t/_Bг питания обмотки возбуждения генератора ОВГ осуществляется регулирование частоты оборотов вала двигателя Д.

Работа системы может быть описана тремя уравнениями:

где /?_я — суммарное сопротивление якорной цепи; М — вращающий момент, уравновешивающий в установившемся режиме момент нагрузки М_с.

Из приведенных трех уравнений может быть получено выражение для механической характеристики двигателя п =/(Л/):

Из формулы видно, что при плавном изменении напряжения генератора U можно плавно изменять частоту вращения вала двигателя п и с изменением нагрузки М частота вращения вала двигателя при Ur = const будет также изменяться.

На рис. 4.18, б приведено семейство механических характеристик системы Г-Д при различных значениях U_r. За положительное направление вращения вала двигателя принято направление в сторону подъема инструмента; за положительное направление момента М_с принято направление момента, создаваемое весом буровой колонны.

Рис. 4.18. Схема системы Г-Д (а) и механические характеристики (б)

Первый I квадрант — двигательный режим работы двигателя. При изменении величины напряжения и номинальном моменте на валу двигателя (М = Мен) частота вращения вала двигателя будет определяться точками пересечения линии момента с прямыми 1−6 (п-п_ь), соответствующими шести значениям напряжения U_r.

Из уравнения (4.8) видно, что при неизменном по направлению нагрузочном моменте ток якоря /_я не меняет знака.

Если знак напряжения Ur меняется, вал двигателя будет вращаться в сторону подачи инструмента, а частота его вращения определяется пересечением линии момента с прямыми 8−15 (п$-п 15). Из рис. 4.18, б видно, что частота вращения вала двигателя будет выше его частоты при Ur = 0, т. к. напряжение Ur изменило знак (см. формулу 4.9).

Уравнение (4.6) /_я = (Ur- ?д) / #_я перепишем в виде U_v — ?д = /_ЯД_Я и умножим на /_я:

Уравнение (4.10) — это уравнение мощностей, которое показывает, что электромагнитная мощность, поступающая из генератора, за вычетом мощности, затрачиваемой на перемещение груза двигателем Д, затрачивается на тепловые потери в якоре.

При изменении знака Ur изменяется знак и у? д, т. к. изменится направление вращения вала машины Д. Однако ток якоря /_я сохранит направление, потому что не меняет знак момент М в уравнении (4.8).

В этом случае уравнение мощности для характеристик четвертого IV квадранта (за исключением прямой 7) будет иметь вид:

Уравнение показывает, что мощность поступает из двигателя Д в генератор Г и часть ее рассеивается в якорях в виде тепла. При этом момент на валу машины Г меняет знак. Скорость вращения вспомогательного двигателя АД возрастает и становится выше синхронной, т. е. он начинает работать асинхронным генератором.

Рекуперация энергии, развиваемой опускающейся колонной, в сеть возможна только в том случае, если она будет превышать тепловые потери в якоре, потери в подшипниках и т. д. В случае работы системы в точке /?₈ энергия в сеть не отдается, а полностью затрачивается на тепловые потери в якоре.

В случае применения червячных самотормозящихся редукторов может оказаться, что для подачи инструмента в скважину требуется затрачивать энергию на преодоление трения в передачах (заклинивания в червячной паре). Этому режиму соответствует часть графика, расположенная в третьем III квадранте. Здесь Ur< 0, /_я < 0 (т. к. изменил знак момент) и п < 0, т. е. остается справедливым первое уравнение мощностей. Поэтому двигатель Д будет работать в двигательном режиме.

В переходных режимах уравнение моментов имеет вид:

где j — суммарный момент инерции.

~. dco

Так как динамическая составляющая момента / • — может оыть.

dt

больше, чем Мс и иметь любой знак в зависимости от знака изменения скорости, то ток якоря может изменить знак, и возможна работа системы Г-Д во всех квадрантах. Режим работы двигателя во втором II квадранте называется генераторным. В этом случае остается справедливым второе уравнение мощностей, т. к. ток якоря изменяет свое направление.

Изменение напряжения генератора в системе Г-Д осуществляется обычно изменением? У_Вг с помощью специальных возбудителей либо средств автоматики, которые изменяют по определенному закону частоту вращения вала двигателя п.

В буровых регуляторах (в частности, БАР-1−150) при использовании системы Г-Д при постоянной скорости вращения якоря генератора регулирование скорости вращения вала двигателя производится по двум каналам — путем изменения напряжения питания обмотки возбуждения генератора и обмотки возбуждения двигателя.