авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СТАРОДЕД Сергей Сергеевич

Авторезонансный электропривод возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда

на грузонесущем кабеле


Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук








САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук, доц.

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проф.

Прокофьев Геннадий Иванович,

кандидат технических наук, доц.

Соловьёв Виктор Сергеевич

Ведущее предприятие ФГУ НПП “Севморгео”.

Защита диссертации состоится 25 ноября 2009 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 23 октября 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электротехнические буровые комплексы на основе электромеханических колонковых буровых снарядов на грузонесущих кабелях получили широкое применение при бурении ледников в Антарктиде, Арктике, Гренландии и др. Достоинствами этих комплексов являются высокая мобильность, низкая металлоёмкость, отсутствие бурильных колонн.

Работы по созданию электромеханических колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле проводились в СССР и проводятся в России (Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) - СПГГИ (ТУ), США (CRELL), Дании (ISTUK), Франции, Японии. Наивысшие мировые результаты достигнуты при бурении ледника в Антарктиде на станции Восток (3650 м) электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле, разработанным, запатентованным и изготовленном в СПГГИ (ТУ).

К недостаткам существующих буровых снарядов на грузонесущем кабеле можно отнести наличие редукторов и распорных устройств для компенсации реактивного момента на буровой коронке, что усложняет конструкцию, снижает надёжность работы устройства, а также делает снаряд неработоспособным при бурении скважин в слабо сцементированных, рыхлых породах и интервалах с кавернами.



Разрабатываемые в СПГГИ (ТУ) динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) с электроприводом возвратно-вращательного движения (ВВД) лишены указанных недостатков. Это позволяет расширить область применения электромеханических буровых снарядов на грузонесущем кабеле и использовать их для взятия донных проб рек, озёр, морей и океанов, подледникового озера Восток в Антарктиде, многорейсового бурения в шельфовых зонах с бортов неспециализированных судов, вскрытия продуктивных пластов, очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, а также скважин на пресные и минеральные воды.

Исследованиями электроприводов ВВД на основе электродвигателей (ЭД) постоянного и переменного токов показана работоспособность ДУБС на грузонесущем кабеле. Определены основные динамические параметры и исследованы режимы работы электроприводов ДУБС с разомкнутыми системами управления.

Одним из актуальных вопросов создания ДУБС является разработка авторезонансного электропривода ВВД, решению которого и посвящена настоящая работа.

Работа базируется на результатах исследований Кудряшова Б.Б., Бобина Н.Е., Чистякова В.К., Васильева Н.И., Нагаева Р.Ф., Загривного Э.А., Горшкова Л.К., Олейникова А.М., Луковни- кова В.И., Аипова Р.С., Усольцева А.А., Усынина Ю.С., Альтшуллера М.И., Абдулрахманова К.А., Тимошенко С.П., Ланда П.С., Месенжника Я.З., Фоменко Ф.Н., Богданова А.А. и др.

Цель работы разработка авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения, инвариантного к изменению динамических параметров системы, на основе электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором погружного электродвигателя для колонкового динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

Идея работы состоит в обеспечении на каждом полупериоде колебаний резонансных соотношений электромагнитного момента и скорости ротора относительно статора.

Задачи исследования:

1. разработка математической модели резонансного электропривода ВВД на основе ЭД с явнополюсным ротором и трёхфазным статором;

2. разработка имитационной модели и исследование режимов электропривода ВВД на основе ЭД с явнополюсным ротором и трёхфазным статором;

3. разработка системы управления авторезонансными колебаниями электропривода ВВД для ДУБС;

4. разработка лабораторного макета и экспериментальные исследования авторезонансного электропривода макета ДУБС с искусственным забоем;

5. разработка методики определения основных динамических параметров электромеханической системы и системы автоматического управления электроприводом ДУБС.

Научная новизна:

1. Установлена зависимость электромагнитного момента электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором от угла поворота ротора и схемы соединения обмоток статора для электропривода возвратно-вращательного движения.

2. Сформулирован способ управления резонансными автоколебаниями электромеханической системы ДУБС, обеспечивающий требуемые фазовые соотношения электромагнитного момента и скорости на каждом полупериоде колебаний.

Защищаемые научные положения:

1. В электроприводе возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором погружного электродвигателя с одной парой полюсов при питании от однофазного инвертора тока одной рабочей обмотки статора и двух других последовательно включённых обмоток возбуждения теоретический размах колебаний ротора составляет 60 геометрических градусов; при этом относительный номинальный пусковой электромагнитный момент на каждом полупериоде составляет не менее 1.11, а относительный номинальный максимальный момент - не менее 1.28.

2. Для обеспечения инвариантных к изменению динамических параметров системы авторезонансных колебаний необходимо и достаточно реверсировать электромагнитный момент электродвигателя на каждом полупериоде синфазно со скоростью в точках перехода её через нулевое значение.

Методы исследований. Теоретические исследования, имитационное моделирование электромеханической системы с использованием пакета MATLAB, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы макета на лабораторном стенде разработанной системы авторезонансного электропривода и анализ полученных результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической механики, электромеханики и электрических машин, теории автоматизированного электропривода, методов моделирования с помощью ЭВМ, и сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований не хуже 90%.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Электропривода ВВД с электродвигателем с явнополюсным ротором и трёхфазным статором для ДУБС на грузонесущем кабеле, защищенного патентом РФ.

2. Схемы управления авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения для ДУБС.

3. Имитационной модели электромеханической системы ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе ЭД с явнополюсным ротором и трёхфазным статором.

4. Экспериментального стенда, имитирующего работу ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с явнополюсным ротором с нагрузкой на буровой коронке при работе на искусственном забое.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на ежегодных конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) в 2006-2008 гг, на научных семинарах кафедры электротехники и электромеханики СПГГИ (ТУ), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ» 2007 г, 4-ой Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» 2007 г, Международной конференции «Инновации в геофизических исследованиях, геологии и металлургии», Фрайберг, Германия, 2008 г.

Личный вклад автора:

1. Получено аналитическое выражение электромагнитного момента электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором при работе в режиме возвратно-вращательного движения.

2. Разработана имитационная модель электромеханической системы ДУБС.

3. Разработан и изготовлен бесконтактный датчик скорости для реализации замкнутой системы управления авторезонансными колебаниями.

4. Создан экспериментальный лабораторный стенд для исследования ДУБС с авторезонансным электроприводом ВВД.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 88 наименований, содержит 99 рисунков и 26 таблиц. Общий объем работы – 141 страница.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована идея работы.

В первой главе проведен анализ существующих электромеханических буровых систем на грузонесущих кабелях.

Во второй главе представлены математическая модель электромеханической системы ДУБС и статические механические характеристики рассматриваемого электродвигателя.

В третьей главе представлена имитационная модель электропривода ВВД и результаты исследований режимов с различными комбинациями нагрузок на породоразрушающем органе ДУБС.

В четвертой главе представлены экспериментальный лабораторный стенд и макет ДУБС с электроприводом ВВД для исследований авторезонансных режимов, приведены результаты экспериментальных исследований.

Заключение отражает обобщенные выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. В электроприводе возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором погружного электродвигателя с одной парой полюсов при питании от однофазного инвертора тока одной рабочей обмотки статора и двух других последовательно включённых обмоток возбуждения теоретический размах колебаний ротора составляет 60 геометрических градусов; при этом относительный номинальный пусковой электромагнитный момент на каждом полупериоде составляет не менее 1.11, а относительный номинальный максимальный момент - не менее 1.28.

ДУБС представляет собой двухмассовую электромеханическую систему, состоящую из статорной и роторной частей, соединённых между собой упругим элементом. При постановке снаряда на забой и подаче напряжения на статорные обмотки электродвигателя, формирующего знакопеременный электромагнитный момент, статорная и роторная части совершают возвратно-вращательные движения в противоположных направлениях. При работе на резонансной частоте электромеханической системы амплитуды колебаний имеют максимальные значения, а сумма моментов относительно оси вращения, действующая на эти части, равна нолю, т.е. буровой снаряд является динамически уравновешенным и не требуется применения редукторов и распорных устройств.





Конструктивно колонковый ДУБС на грузонесущем кабеле 1 состоит из статорной части (статор погружного маслозаполненного асинхронного электродвигателя 7, кабельный замок 2 и верхняя труба 8) и роторной части (ротор ЭД 4, колонковая труба 5 и буровая коронка 6), соединённых между собой упругим элементом (торсионом или пружиной кручения), подшипниковых узлов 9, 10 (рис. 1а).

На расчетной модели (рис.1б) упругий элемент (торсион) представлен невесомым валом, длиной l. Под действием электромагнитного момента Mэм статорная часть с моментом инерции J1 перемещается в направлении действия момента MЭМ на угол 1 в неподвижной системе координат. Под действием этого же момента MЭМ роторная часть J2 поворачивается на угол 2 в противоположном направлении. Узловое сечение А-А на расстоянии а от J1 и b от J2, остается неподвижным. Со стороны упругого элемента (торсиона) на массы J1 и J2 действуют упругие моменты Mу12=Mу21, которые определяются коэффициентом жесткости и углом закручивания торсиона. На J2 действует момент сопротивления на буровой коронке МС, представленный аддитивной комбинацией вязкого Mжт2 и сухого Mст трений.

 Рис 1. Динамически уравновешенный буровой-0

Рис 1. Динамически уравновешенный буровой снаряд

а) конструктивная схема ДУБС; б) расчётная модель ДУБС; в) сечение А-А.

При действии на J1 и J2 разнонаправленных моментов М1=М2=М углы поворотов этих частей относительно узлового сечения А–A определяются соотношениями

, , (1)

где - полный угол закручивания торсиона, рад.

При подаче постоянного тока на обмотки возбуждения “A-X” и “Y-В” явнополюсный ротор ЭД занимает положение, совпадающее с осью симметрии магнитного поля статора О-О (рис. 2а), в котором фиксируется со статорной частью упругим элементом. При питании рабочей обмотки статора “C-Z” от однофазного инвертора тока с резонансной частотой электромеханической системы ротор совершает возвратно-вращательные движения с амплитудой колебаний 300 и размахом колебаний 600 геом. град. (рис. 2б, 3).

 Токи и потокосцепления статора и-4

Рис.2. Токи и потокосцепления статора и ротора:

а) в обмотках возбуждения; б) в режиме пуска

 Функциональная схема электропривода-5

Рис.3.Функциональная схема электропривода ВВД:

1 – управляемый трёхфазный выпрямитель, 2 – однофазный инвертор тока, 3 – однофазный выпрямитель, L – дроссель, “С-Z” – рабочая обмотка, “A-X”, “B-Y” – обмотки возбуждения.

Учитывая, что в рассматриваемом случае все обмотки размещены на статоре и потокосцепление ротора определяется его положением, при определении электромагнитного момента в режиме установившихся вынужденных колебаний электромеханической системы удобно пользоваться выражением

, (2)

где - коэффициент пропорциональности; - потокосцепление статора; - потокосцепление ротора - угол между потокосцеплениями статора и ротора, геом. град.

Потокосцепления статора и ротора в режиме установившихся вынужденных авторезонансных колебаний формируются тремя фазными обмотками статора (рис. 2б) (при движении от оси О2-О2)

, (3)

, (4)

где - потокосцепление фазы статора, геом. град.

При движении от оси О1-О1

, (5)

. (6)

Максимальное значение электромагнитного момента достигается пригеом. град.

, (7)

где - теоретический угол колебания ротора при принятой схеме включения обмоток статора (рис. 2б), . При меняет знак и обеспечивает тормозной режим, что позволяет работать устройству в любых режимах вплоть до холостого хода (рис. 8а) без превышения и механических нагрузок.

Пусковой при движении от оси О1-О1 при

. (8)

Относительный максимальный пусковой момент

. (9)

 Характеристика Мэм=f(). Номинальный-31

Рис.4. Характеристика Мэм=f().

Номинальный электромагнитный момент макетного асинхронного двигателя АИР100S2У3 мощностью 4 кВт равен

. (10)

Относительные номинальные пусковой и максимальный моменты электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором не менее

, (11)

. (12)

Значения пускового и максимального моментов макетного ЭД определены экспериментально при номинальных токах в обмотках статора.

Относительный максимальный пусковой момент

. (13)

Полный пусковой момент определяется суммой момента кручения упругого элемента МУ и пускового электромагнитного момента МП

,(14)

где с – коэффициент жесткости торсиона макета ДУБС, Нм/рад.

Колебания с указанными параметрами могут быть получены с одной обмоткой возбуждения и при поочерёдном включении на каждом периоде двух рабочих обмоток в точках при питании их однополярным током, что заметно упрощает источник питания.

2. Для обеспечения инвариантных к изменению динамических параметров системы авторезонансных колебаний необходимо и достаточно реверсировать электромагнитный момент электродвигателя на каждом полупериоде синфазно со скоростью в точках перехода её через нулевое значение.

Уравнение движения рассматриваемой электромеханической колебательной системы может быть представлено выражением

, (15)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.