устройство совмещенного электрического тормоза и электропривода подачи долота для буровой лебедки

Формула изобретения

1. Устройство совмещенного электрического тормоза и электропривода подачи долота буровой лебедки с приводом от двигателя внутреннего сгорания, отличающееся тем, что в нем используется асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого подключена к резисторам, которые замыкаются контактором, а роторная обмотка подключена к преобразователю частоты, мощность которого обеспечивает работу электропривода только в диапазоне скорости бурения скважины, а в режиме спуска груза с высокой скоростью преобразователь обеспечивает ток в обмотке ротора электродвигателя, работающего в режиме тормозного синхронного генератора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные резисторы выполнены из ферромагнитных (стальных) полос.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтебурового оборудования и может быть использовано для буровых лебедок буровых установок для глубокого бурения.

Известно устройство буровой лебедки, приводной двигатель, преимущественно двигатель внутреннего сгорания которой соединяется с барабаном лебедки через трансмиссию с муфтами сцепления. Приводной двигатель используется только для подъема грузов. При спуске колонны труб приводной двигатель отсоединяется муфтой сцепления от барабана, а торможение при спуске осуществляется специальной электрической машиной - электромагнитным индукционным тормозом.

Для регулирования подачи долота на забой в режиме бурения применяется специальный дополнительный привод буровой лебедки - привод регулятора подачи долота.

Описание прототипа изобретения приведено в книге Г. В. Алексеевского "Буровые установки Уралмашзавода". -М: Недра, 1981, стр.108.

Недостатками индукционного электромагнитного тормоза являются:

- водяное охлаждение, что усложняет его эксплуатацию, особенно в зимнее время;

- малый тормозной момент на низкой скорости и отсутствие тормозного момента при нулевой скорости;

- полное отсутствие двигательного момента - это вынуждает использовать для торможения при низких скоростях механический тормоз, а для подачи долота при бурении, т.е. при малой скорости спуска с регулированием натяжения каната лебедкой, использовать дополнительный привод, как правило, от электродвигателя постоянного тока, соединение которого с барабаном осуществляется через редуктор и отключаемую механическую муфту.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в улучшении управления лебедкой при торможении и исключении дополнительного привода лебедки благодаря применению совмещенного устройства электрического тормоза и электропривода подачи долота.

Эта задача решается следующим образом.

В приводе лебедки в качестве электрического тормоза используется асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого подключена к резисторам, а роторная обмотка подключена к регулируемому преобразователю частоты.

Устройство состоит из следующих элементов (см. чертеж):

1 - асинхронный электродвигатель с фазным ротором;

2 - резисторы;

3 - преобразователь частоты;

4 - контактор.

С целью поддержания момента тормоза при снижении скорости указанные резисторы выполняются из ферромагнитных (стальных) полос. При высокой скорости вращения асинхронного двигателя при спуске груза преобразователь частоты подает в его роторную обмотку постоянный ток и в статорной обмотке наводится напряжение, частота которого зависит от скорости вращения, а величина зависит от тока возбуждения и от скорости вращения. Статорная обмотка электродвигателя подключена к резисторам, обеспечивающим при номинальном напряжении необходимые значения тока статора, момента и мощности торможения. Тормозной момент регулируется током возбуждения. Так как большая часть мощности торможения рассеивается в тормозных резисторах и в двигателе выделяется только мощность потерь не более 8-10% от его номинальной мощности, то двигатель и вынесенные резисторы выполняются с воздушным охлаждением.

При снижении скорости вращения электродвигателя для поддержания тормозного момента необходимо увеличивать ток возбуждения, однако эта возможность ограничивается насыщением магнитной системы электродвигателя и величиной допустимого тока возбуждения электродвигателя. Поддержать тормозной момент двигателя можно, уменьшая величину сопротивления резисторов. Чтобы обеспечить уменьшение сопротивление резисторов при снижении скорости, они выполняются из ферромагнитного материала, например, из стальных полос. Величина их сопротивления зависит от частоты переменного тока (эффект вытеснения тока - при снижении частоты тока глубина проникновения поля в проводник увеличивается обратно пропорционально корню квадратному кратности уменьшения частоты - "скин-эффект").

При снижении скорости лебедки благодаря уменьшению вытеснения тока при снижении частоты тока сопротивление резисторов уменьшается и тормозной момент электродвигателя поддерживается в значительно более широком диапазоне скоростей вращения.

Однако при дальнейшем снижении скорости уменьшение сопротивления прекращается и возможности тормоза падают, тогда производится изменение режима работы преобразователя частоты - он начинает работать в инверторном режиме, обеспечивая необходимые частоту, напряжение и ток ротора, а электродвигатель работает в рекуперативном тормозном режиме и используется как обращенная электрическая машина с питанием по роторной обмотке. Питание двигателя со стороны ротора обеспечивает как генераторный, так и двигательный режимы его работы в режиме аварийного подъема и в режиме регулятора подачи долота при бурении.

Мощность преобразователя частоты меньше, чем номинальные параметры электродвигателя тормоза во столько раз, какую часть от номинальной скорости электродвигателя он обеспечивает в двигательном режиме; т.е., если полный момент тормозного электродвигателя обеспечивается в диапазоне 10% от номинальной скорости, то и мощность преобразователя частоты необходима в 10 раз меньше номинальных данных электродвигателя. Благодаря этому преобразователь подключается к маломощной сети переменного тока буровой установки (например, к дизельной электростанции), и тормозной электродвигатель обеспечивает работу лебедки при малых скоростях при спуске и при подъеме грузов, в том числе режим бурения.

Для получения более жестких механических характеристик электродвигателя тормозные резисторы при малых скоростях должны быть закорочены контактором.

Питание электродвигателя от преобразователя частоты со стороны ротора позволяет выполнить статор на достаточно высокое напряжение (например, на 3 или 6 кВ) и соответственно снизить сечение кабелей к резисторам и ток контактора.

Система управления работает в двух режимах:

в режиме тормоза регулирование скорости производится регулированием тока ротора при нулевой или весьма низкой фиксированной частоте; использование такой частоты обеспечивает такой же эффект возбуждения, как постоянный ток, но равномерную загрузку фаз ротора двигателя по нагреву;

в режиме двигателя регулирование скорости производится изменением величин частоты и напряжения питания ротора по известным алгоритмам регулирования, например, векторным управлением.

Предлагаемое устройство совмещенного электрического тормоза и электропривода подачи долота обеспечивает следующие преимущества:

повышение надежности благодаря исключению водяного охлаждения;

уменьшение веса и стоимости оборудования благодаря исключению специального тормоза и дополнительного привода лебедки;

улучшение управления лебедкой благодаря тому, что обеспечивается как тормозной момент на всех скоростях включая нулевую, так и двигательный момент, что обеспечивает работу лебедки при аварийном подъеме колонны труб и в режиме регулятора подачи долота при бурении.