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

На правах рукописи

ИВАНИК Владислав Владимирович

Авторезонансный асинхронный бездатчиковый 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

2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджет-ном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, проф.

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проф.

Соколовский Георгий Георгиевич,

кандидат технических наук

Зильберман Алексей Ефимович

Ведущее предприятие – ОАО «Силовые машины»

Защита диссертации состоится 27 июня 2011 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. № 7212.

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

Автореферат разослан 26 мая 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известные электромеханические буровые снаряды на грузонесущем кабеле нашли широкое применение для бурения ледников. При бурении слабосвязанных пород и интервалов с кавернами эти снаряды становятся неработоспособными из-за потери способности компенсировать реактивный момент, возникающий при работе бурового снаряда на забое.

Разработанным, запатентованным и изготовленным в СПГГИ (ТУ) традиционным электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле достигнуты наивысшие мировые результаты при бурении ледника в Антарктиде на станции Восток (в феврале 2011 года глубина скважины 5Г составила 3720 м). Используемые за рубежом для тех же целей буровые снаряды на грузонесущем кабеле принципиально не отличаются от указанного.

Динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) с электроприводом возвратно-вращательного движения (ВВД), разрабатываемые в СПГГИ(ТУ), не требуют применения редукторов и распорных устройств. Они могут быть использованы для очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, вскрытия продуктивных пластов, бурения в шельфовых зонах с бортов неспециализированных судов и взятия проб донных отложений морей и океанов, а также для решения важной научно-технической и престижной для СПГГИ(ТУ) и РФ задач взятия донных проб подледникового озера Восток в Антарктиде.

Одним из актуальных вопросов, не рассмотренных ранее, является исследование возможности применения авторезонансного частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода для ДУБС с ВВД на базе серийно выпускаемого погружного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, решению которого и посвящена настоящая работа.

Работа базируется на результатах исследований авторов в областях технологий бурения скважин, теоретической механики, электромеханики, теории колебаний и частотно-регулируемого электропривода: Асташева В.К., Блехмана И.И., Бобина  Н.Е., Вайсберга Л.А., Васильева Н.И., Емельянова А.П., Загривного Э.А., Козярука А.Е, Кудряшова Б.Б., Луковникова В.И., Мандельштама Л.И., Нагаева Р.Ф., Пронина М.В., Рудакова В.В., Соколовского Г.Г., Тимошенко С.П., Усольцева А.А., Шестакова В.М., Яблонского А.А и др.

Цель работы – разработка авторезонансного частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, а также взятия донных проб морей, океанов и подледникового озера Восток в Антарктиде.

Задачи исследования включают разработку:

1. Расчетной модели электромеханической системы динамически уравновешенного бурового снаряда возвратно-вращательного движения на грузонесущем кабеле.
2. Математической модели ДУБС с ВВД на грузонесущем кабеле.
3. Имитационной компьютерной модели ДУБС с ВВД на грузонесущем кабеле.
4. Алгоритма, обеспечивающего авторезонансный колебательный режим работы частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода ДУБС с заданной линейной скоростью движения буровой коронки.
5. Методики определения основных параметров ДУБС ВВД на грузонесущем кабеле.
6. Лабораторного экспериментального стенда для исследования авторезонансного электропривода ВВД.

Идея работы. Авторезонансный режим колебаний буровой коронки динамически уравновешенного бурового снаряда на основе частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода возвратно-вращательного движения следует реализовывать путем реверсирования электромагнитного момента синфазно со скоростью в точках её нулевого значения и стабилизации амплитуды колебаний по данным, вычисленным в наблюдателе координат.

Научная новизна:

1. Обоснованно возбуждение авторезонансных колебаний бездатчикового асинхронного электропривода возвратно-вращательного движения путем реверсирования электромагнитного момента в точках нулевого значения вычисленной угловой скорости.

2. Получена аналитическая зависимость требуемого управляющего воздействия для стабилизации амплитуды резонансных колебаний, определяемого произведением электромагнитного момента на предыдущем полупериоде и отношения амплитудных значений угловых скоростей заданного к вычисленному на предыдущем полупериоде колебаний.

3. Получен метод определения коэффициента эквивалентного вязкого трения на буровом снаряде в режиме резонансных колебаний, определяемый отношением амплитудных значений электромагнитного момента и угловой скорости, вычисленной на текущем полупериоде в наблюдателе координат.

Защищаемые положения:

1. Авторезонансный режим частотно-регулируемого бездатчикового асинхронного электропривода возвратно-вращательного движения обеспечивается изменением знака электромагнитного момента электродвигателя синфазно угловой скорости в точках перехода ее через нулевое значение, вычисленной в наблюдателе координат.

2. Для стабилизации амплитуды авторезонансных колебаний ротора необходимо и достаточно в течение каждого полупериода формировать электромагнитный момент асинхронного двигателя, определяемый произведением вычисленного на предыдущем полупериоде коэффициента эквивалентного вязкого трения и заданного значения угловой скорости.

Методы исследований. Теоретические исследования, имитационное моделирование электромеханической системы с использованием пакета MATLAB, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы макета на лабораторном стенде с помощью аппаратно-программного комплекса на базе платы АЦП/ЦАП L-CARD E14-140-M и программы LGraph2, анализ полученных результатов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической механики, теории колебаний, электромеханики и электрических машин, теории автоматизированного электропривода, методов компьютерного моделирования и сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (90-95%).

Научная ценность результатов исследования заключается в разработке:

1. Имитационной модели электромеханической системы ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе погружного асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутым ротором и преобразователем частоты с векторным и алгоритмами прямого управления моментом и стабилизации заданной амплитуды колебаний.

2. Алгоритма вычисления электромагнитного момента частотно-регулируемого асинхронного электропривода для получения авторезонансных колебаний ротора ДУБС с заданной амплитудой угловой скорости.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

1. Электромеханического колонкового бурового снаряда, в котором в качестве упругого элемента используется пружина кручения, защищенного патентом РФ №95728.

2. Экспериментального стенда, имитирующего работу ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты с алгоритмом прямого управления моментом, а также системой управления, выполненной на контроллере, с нагрузкой в виде ЭД постоянного тока.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на Международной конференции «Инновации в геофизических исследованиях, геологии и металлургии», Фрайберг, Германия, 2010 г., ежегодных конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) в 2007-2009 гг, на научных семинарах кафедры электротехники и электромеханики СПГГИ (ТУ), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ» 2008 г,

Личный вклад автора:

1.Разработана конструктивная схема динамически уравновешенного бурового снаряда возвратно-вращательного движения на грузонесущем кабеле с пружиной кручения (Пат. РФ №95728).

2. Разработана имитационная модель электромеханической системы ДУБС с авторезонансным частотно-регулируемым асинхронным бездатчиковым электроприводом возвратно-вращательного движения.

3. Разработан алгоритм стабилизации амплитуды авторезонансных колебаний ЭМС ДУБС.

4. Создан экспериментальный лабораторный стенд для исследования авторезонансного частотно-регулируемого асинхронного электропривода ВВД с алгоритмом прямого управления моментом.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение РФ, а также получено положительное решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, содержит 63 рисунка и 20 таблиц. Общий объем работы – 119 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и идея работы.

В первой главе проведен анализ существующих электромеханических буровых систем на грузонесущих кабелях, способов управления резонансными колебаниями, алгоритмов частотного управления асинхронным двигателем и наблюдателей координат АД.

Во второй главе представлены математическая модель электромеханической системы ДУБС, способ возбуждения авторезонансных колебаний и закон управления электромагнитным моментом АД.

В третьей главе представлены имитационная модель частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода ВВД и результаты исследований режимов с разработанным алгоритмамом управления при различных комбинациях нагрузок на породоразрушающем органе ДУБС.

В четвертой главе представлен экспериментальный лабораторный стенд частотно-регулируемого асинхронного электропривода 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. Авторезонансный режим частотно-регулируемого бездатчикового асинхронного электропривода возвратно-вращательного движения обеспечивается изменением знака электромагнитного момента электродвигателя синфазно угловой скорости в точках перехода ее через нулевое значение, вычисленной в наблюдателе координат.

Динамически уравновешенный буровой снаряд (ДУБС) представляет собой колебательную электромеханическую систему с двумя степенями свободы и с асинхронным электроприводом возвратно-вращательного движения.

На рис. 1 статорная часть 3, 4 погружного маслозаполненного асинхронного двигателя соединена с роторной частью 5, 8, 10 и 11 пружиной кручения 7. Углы колебаний статорной и роторной частей бурового снаряда связаны следующими соотношениями:

, , (1)

где - полный угол закручивания пружины кручения, рад.

При постановке снаряда на забой и подаче на статорные обмотки электродвигателя напряжения, 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 вращения, действующих на эти части, равна нулю, т.е. буровой снаряд является динамически уравновешенным.

Математическое описание рассматриваемой системы получено из уравнений Лагранжа второго рода для обобщенных координат , :

, (2)

где – М – электромагнитный момент короткозамкнутого асинхронного двигателя, Нм; 1, 2- коэффициенты жидкостного трения на статорной и роторной частях бурового снаряда соответственно, Нмс/рад; MCT – момент сухого трения, Нм; 1 – угол поворота статорной части бурового снаряда, рад; 2 - угол поворота роторной части бурового снаряда, рад; J1 и J2– моменты инерции статорной и роторной частей бурового снаряда соответственно, кгм2; c – коэффициент жесткости пружины кручения.

Рассмотрены способы формирования электромагнитного момента (ЭМ) асинхронного короткозамкнутого электродвигателя для авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения при векторной системе частотного регулирования, а также в системе частотного регулирования с алгоритмом прямого управления моментом (DTC).

Для обеспечения авторезонансных колебаний (АК) представленной электромеханической системы ДУБС принят способ по патенту № 2410826 «Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения».

Устойчивый авторезонансный колебательный режим частотно-регулируемого асинхронного электропривода достигается путем изменения знака электромагнитного момента электродвигателя в моменты равенства нулю угловой скорости вычисленной в наблюдателе координат неполного (НПП) и полного порядков (ПП) по измеренным токам и напряжениям в обмотках асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Разработана методика определения динамических параметров электромеханической системы ДУБС с ВВД при заданных частоте резонансных колебаний , Гц; средней линейной скорости буровой коронки , м/c и работы буровой коронки за период , Дж.

По уравнениям (2) в комбинации с известными имитационными моделями АД, частотного преобразователя и наблюдателя координат в программе Matlab Simulink создана имитационная модель ДУБС с асинхронным частотно-регулируемым бездатчиковым электроприводом возвратно-вращательного движения (Рис.2).

Рис. 2. Блок-схема имитационной модели ДУБС: 1 - блок формирования задания для системы управления электроприводом; 2 –блок моделирования системы частотного регулирования электромагнитным моментом; 3,4 - блоки моделирования моментов сопротивления на роторной части снаряда; 5 - блок моделирования момента сопротивления на статорной части снаряда; 6 - осциллографы для отображения динамических параметров бурового снаряда; 7- блок вычисления работ и мощностей; 8 - блок моделирования механической системы ДУБС; 9 - блок моделирования асинхронного электродвигателя; 10 – блок наблюдателя координат

Технологические параметры ДУБС, использованные при моделировании: Гц, 5м/с, 0.112м, 333Дж. Вычисленные по методике параметры ДУБС: кгм2, кгм2, Нм/рад, МД=51.634 Нм, Нс/м, Нс/м, Нм, рад/с. Данные АД: ПЭДУК-22-103: PH=22 кВт, UH=700 В, IH=28.2 А, f=50 Гц, p=1, RS=1.1673 Ом, RR=0.9137 Ом, LS=LR=0.107 Гн, LM=0.103 Гн.

Представленная имитационная модель позволяет исследовать динамические процессы в электромеханической системе ДУБС с алгоритмом прямого управления моментом, а также с векторной системой частотного регулирования (СУ) электромагнитным моментом (ЭМ) АД с разомкнутой и замкнутой системах управления колебаниями при различных нагрузках на коронке бурового снаряда, которые могут быть представлены сухим, вязким трениями или их комбинацией.

Результаты моделирования, выведенные в виде осциллограмм , представлены на рис.8(а-и).

Лабораторные экспериментальные исследования: Разработан экспериментальный стенд, представленный на рис. 3,4. Асинхронный двигатель типа АИР100S2У3 (Iн = 13.7/7.9, А; Uн = 220/380, В; n = 2850, об/мин; Pн = 4, кВт; Mн = 13.4, Н·м) питание, которого осуществляется от преобразователя частоты ABB ACS601 (5 кВт). Расчетная резонансная частота исследуемого физического макета 11 Гц.

Рис. 3. Функциональная схема лабораторного стенда: 1-преобразователь частоты; 2- контроллер; 3- генератор сигналов; 4- источник постоянного напряжения; 5- датчики напряжения; 6- тахогенератор; 7- нагрузочная машина постоянного тока; 8- асинхронный двигатель; 9- датчики тока

Система управления электроприводом ДУБС реализована на микроконтроллере ATmega168PA фирмы Atmel с тактовой частотой 16 МГц, вычисляющий моменты времени, в которых угловая скорость равна нулю и формируется команда на реверс электромагнитного момента двигателя в виде сигнала напряжения подводимого к соответствующему входу частотного преобразователя.