CC BY
46
УДК [62-83:621.313.333] :629.563.2-192 ББК 31.291.63: [39.462.6-042: 39.425.85]
А. П. Будников, Н. Г. Романенко, К. М. Ахмадулов, С. Э. Ремиев
АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОДЪЕМА КОЛОНН САМОПОДЪЕМНОЙ МОРСКОЙ БУРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ ПРИ ПИТАНИИ ОТ ЗАВОДСКОЙ СЕТИ
A. P. Budnikov, N. G. Romanenko, K. M. Akhmadulov, S. E. Remiev
ANALYSIS OF THE OPERATION OF THE ELECTRIC MOTOR DRIVE OF PILLARS PULLING OUT FROM THE SELF-ELEVATING OFFSHORE DRILLING PLATFORM AT FEEDING FROM THE INDUSTRIAL NETWORK
Анализируется возможность работы электропривода подъёма колонн морской буровой платформы при различных вариантах питания от заводской сети, с напряжением и частотой отличными от номинальных значений двигателей. Проведен эксперимент по определению параметров работы асинхронного двигателя в тормозном режиме при неноминальных параметрах сети, результаты представлены в табличной и графической форме. Предложены практические рекомендации по реализации работы двигателей в данных условиях.
Ключевые слова: электропривод колонн, морская буровая платформа, питание от заводской сети, асинхронный двигатель, режимы работы.
An operation possibility of the electric motor drive of pillars pulling out from the offshore drilling platform at different modes of feeding from the industrial network, with voltage and frequency different from nominal values of motors, is analysed in the paper. The experiment is organized in order to determine operation parameters of the isochronous motor in the brake mode at non-nominal parameters of the network. The results are presented in tabular and graphic forms. Practical recommendations are offered on the realization of the motor operation in these specific conditions.
Key words: electric motor drive of pillars, offshore drilling platform, feeding from industrial network, isochronous motor, operation modes.
На судостроительном заводе «Красные Баррикады» (Астраханская область) при строительстве самоподъёмной морской буровой возникла срочная технологическая необходимость -провести опускание части собранных опорных колонн.
Следует отметить, что электропривод механизма подъёма колонн не был полностью укомплектован и смонтирован. Из штатной системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» были установлены только приводные электродвигатели.
Вторая особенность состояла в том, что напряжение и частота заводской сети (380 и 660 В, 50 Гц) не соответствовали номинальным параметрам двигателей (575 В и 60 Гц) [1].
Специалисты электромеханической службы завода «Красные Баррикады» обратились с просьбой о научно-технической консультации на кафедру «Электрооборудование и автоматика судов» Астраханского государственного технического университета (АГТУ), поставив следующие вопросы:
1. Не произойдет ли неконтролируемое падение колонн при включении электродвигателей в режиме генераторного торможения на пониженном напряжении 380 В и частоте 50 Гц?
2. Можно ли использовать асинхронные двигатели с номинальным напряжением 575 В и частотой 60 Гц в режиме генераторного торможения при питании от сети повышенного напряжения 660 В частотой 50 Гц, с добавочными сопротивлениями в статорной цепи?
3. Каким еще способом можно осуществить управляемое опускание колонн в данных условиях?
Специалисты завода передали необходимые технические данные по буровой платформе и механизму подъёма колонн.
Самоподъёмная морская буровая платформа проекта 7636.17 фирмы Fride & Goldman Ltd. имеет 3 колонны, которые, упираясь в дно моря, позволяют поднимать и удерживать платформу
над уровнем моря. Электропривод одной колонны состоит из 18 асинхронных двигателей, питающихся от преобразователей частоты.
Паспортные данные двигателей: тип двигателя - КЕМЛ В, мощность - 22 кВт, напряжение - 575 В, частота - 60 Гц, синхронная частота 1 800 об/мин, номинальное скольжение - 3 %, номинальная частота вращения - 1 745 об/мин [1].
На колонне установлены три зубчатые рейки, каждая из которых сцепляется с шестью шестернями. Шестерни посредством редуктора соединяются с валами приводных электродвигателей.
Установленные на буровой платформе части колонн составляют около 10 % номинальной длины колонн, следовательно, нагрузка на приводные двигатели также составляет около 10 % от номинальной.
При снижении частоты питающего напряжения, для исключения перемагничивания электродвигателя, необходимо пропорционально понижать напряжение.
Напряжение, подаваемое на двигатель, при частоте 50 Гц составит:
и50 = ином ^сети = 575— = 460 В .
50 ном р ґ г\
/ном 60
ном
Расчетное значение необходимого напряжения - 460 В - не соответствует значениям заводского напряжения силовой сети - 380 и 660 В.
Максимальный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату питающего напряжения:
м460 = 1 ;
и =-
и380 -
и
и
расч
380
460
= 0,82:
М380 = (и380 )2 =(0,82)2 = 0,68.
Следовательно, подключение двигателя к заводской сети с частотой 50 Гц и напряжением 380 В вместо 460 В, приведет к уменьшению максимального момента на 32 %. Это снижает перегрузочную способность двигателя.
Однако, если учесть, что кратность максимального момента при номинальном напряжении -1,8, нагрузка на двигатели составляет около 10 % от номинальной и при спуске колонн редуктора будут создавать дополнительный тормозной момент, то на первый вопрос можно дать ответ: в данных условиях опускание части колонн возможно.
Для вывода по второму вопросу в лаборатории «Судовые электростанции» АГТУ была собрана установка, на которой был проведен натурный эксперимент.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Исследуемый двигатель Ml подключен к сети через добавочные сопротивления в статоре R^. Мощность двигателя - 7 кВт, синхронная частота - l 500 об/мин, номинальное напряжение -3S0 В, номинальный ток - l5 А. Величины добавочных сопротивлений в статорной цепи - 2,5 Ом.
Двигатель Ml имеет общий вал с синхронным генератором Gl. Генератор Gl подключен ко второму синхронному генератору G2, который входит в состав другого электромеханического преобразователя (синхронного генератора G2 и двигателя постоянного тока M2). Двигатель постоянного тока M2 получает питание от тиристорного преобразователя ТП. Два машинных агрегата позволяют получить на асинхронном двигателе Мі как двигательный режим, так и режим генераторного торможения. Для этого необходимо изменить скорость вращения двигателя постоянного тока.
Параметры асинхронного двигателя измерялись с помощью цифрового измерителя мощности с токопреобразующими клещами (модель 32S6-20 фирмы Hioki) и цифрового лазерного тахометра (DM б234 P+ фирмы VICTOR). Электрические параметры снимались в точках между статорными обмотками двигателя Ml и добавочными сопротивлениями R^ (точки А). Скорость измерялась на валу двигателя Ml. Момент на валу двигателя определялся аналитически.
Во время проведения эксперимента напряжение в сети лаборатории составляло 4і6 В.
Результаты эксперимента представлены в таблице и на рис. 2-5.
Результаты экспериментальных измерений и вычислений
№ I, А U, В P, кВт n, об/мин МЭМ, Н • м МВР, Н • м
і 6,2 4l2 0,9 і 500 7,8 4,0
2 6,4 4ll l,0 і 496 і і,5 7,7
3 7,l 40l 2,6 і 486 іб,8 і3,0
4 8,8 389 4,2 і 479 27,і 23,3
5 іЗ,7 364 7,8 і 456 5і,4 47,б
б l8,4 346 l0,4 і 43 і б9,і 65,3
7 4,9 42l -2,8 і 5і2 -і7,7 -2і,5
s 9,9 432 -5,7 і 527 -35,6 -39,4
9 і l,8 439 -7,2 і 543 -44,б -48,3
Мощность, кВт
Рис. 2. Экспериментальная зависимость тока от мощности
бОО -
0—
-10 -5 0 5 10 15
Мощность, кВт
Рис. 3. Экспериментальная зависимость напряжения от мощности
Мощность, кВт
Рис. 4. Экспериментальная зависимость частоты вращения от мощности
Мощность, кВт
Рис. 5. Экспериментальная зависимость момента от мощности
Из результатов эксперимента следует, что при переходе двигателя в генераторный режим (строки № 7, 8 и 9 в табл. 1) напряжение на статоре становится больше напряжения сети (416 В). Результаты доказали, что добавочные сопротивления в цепи статора, которые эффективно понижают напряжение на статоре в двигательном режиме работы двигателя, не спасают двигатель от перенапряжений в генераторном режиме.
Если учесть, что разница в значениях напряжений двигателя и заводской сети значительно большее, чем в лабораторной установке (200...250 В), то в генераторном режиме значение напряжения на двигателе может в два раза превысить номинальное значение.
Таким образом, на второй вопрос ответ отрицательный - использовать асинхронные двигатели с номинальным напряжением 575 В и частотой 60 Гц в режиме генераторного торможения при питании от сети повышенного напряжения 660 В и частотой 50 Гц, с добавочными сопротивлениями в статорной цепи, нельзя из-за сильного перемагничивания и перегрева двигателя.
В ответ на третий вопрос специалистам завода был предложен вариант применения динамического торможения двигателей. Для этого на статорные обмотки двигателей требуется подать постоянное напряжение от регулируемого источника (например, сварочного агрегата) [2]. Данный способ по сравнению с вариантом генераторного торможения имеет следующие преимущества:
- возможность регулирования тормозного момента двигателя за счет напряжения от источника постоянного напряжения;
- значительно более низкие значения скорости работы двигателей при опускании колонн, что облегчает точную остановку.
Выводы
1. Использование электрических двигателей механизма подъема колонн при питании от заводской сети с напряжением 380 В для спуска части колонны возможно, т. к. двигатель имеет двукратный запас по моменту и нагрузка на двигатели составляет около 10 % от номинальной.
2. Использовать асинхронные двигатели с номинальным напряжением 575 В и частотой 60 Гц в режиме генераторного торможения при питании от сети с повышенным напряжением
660 В и частотой 50 Гц, с добавочными сопротивлениями в статорной цепи, нельзя из-за сильного перемагничивания и перегрева двигателя.
3. Использование динамического торможения асинхронного двигателя позволит получить меньшие значения скорости спуска колонны и более точную остановку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Техническая документация на электрооборудование буровой платформы проекта 7636.17 фирмы Гпёе & ОоИшап Ыё. /
2. Ключев В. И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.
Статья поступила в редакцию 15.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Будников Анатолий Павлович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; elmech@astu.org.
Budnikov Anatoliy Pavlovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; elmech@astu.org.
Романенко Николай Геннадьевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; elmech@astu.org.
Romanenko Nickolay Gennadievich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; elmech@astu.org.
Ахмадулов Камиль Маратович - Астраханский государственный технический университет; студент, специальность «Электрооборудование и автоматика судов»; kamil-san@mail.ru.
Akhmadulov Kamil Maratovich - Astrakhan State Technical University; Student, Specialty "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; kamil-san@mail.ru.
Ремиев Саид Эседуллахович - Астраханский государственный технический университет; студент, специальность «Электрооборудование и автоматика судов»; elmech@astu.org.
Remiev Said Esedullahovich - Astrakhan State Technical University; Student, Specialty "Electrical Equipment and Automatics of Ships"; elmech@astu.org.
