Авторефераты диссертаций >> Совершенствование, исследование и диагностирование систем управления асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов буровой установки
На первом этапе (линия Э1) определяются номинальные данные (мощность Рi.ном, скорость ni.ном, момент Мi.ном) одного из предварительно выбранных электродвигателей Дi (i = 1, 2, …, N). Затем для клиноременной передачи КПj между этим двигателем и насосом определяются ее передаточное отношение ij и номинальный КПД j.ном (j = 1, 2, …, k). На основании данных Дi и КПj в расчетном блоке РБ определяются моменты Мij.в на приводном валу насоса и скорость вала nij.в при выбранном двигателе Дi. Далее в блоке Бi (i = 1, 2, …, N) полученные значения момента и скорости сравниваются с номинальными данными насоса. Если момент Мij.в и скорость nij.в при выбранном двигателе не попадают в интервалы (0,95 1,05) Мн.ном и (0,9 1,1) nн.ном насоса, то следует выбрать иное передаточное отношение ik клиноременной передачи КПk и с учетом ее КПД k.ном вновь в блоке РБ определить моменты Мik.в на приводном валу насоса и скорость вала nik.в. Затем в блоке Бl сравниваются вновь полученные значения момента и скорости с номинальными данными насоса. Если момент Мik.в и скорость nik.в с новым передаточным отношением ik попадают в интервал (0,95 1,05) Мн.ном и (0,9 1,1) nн.ном, то двигатель Дi будет обеспечивать номинальные характеристики насоса. Затем определяются номинальные данные следующего предварительно выбранного электродвигателя ДN (РN.ном, nN.ном, МN.ном). На последнем этапе, когда проанализированы все N двигатели при различных k передаточных отношениях, в блоке В выбирается двигатель Дi с наименьшей мощностью, и соответствующая ему клиноременная передача КПj. Подобное решение экономически более выгодно, поскольку позволяет уменьшить массогабаритные показатели электропривода насоса, мощность преобразовательных устройств и общую стоимость электрооборудования.
Результаты оценки представлены в относительных единицах и носят обобщающий характер.
На примере БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов определена суммарная потребляемая электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.
Во второй главе рассмотрена система силового питания и распределения электрической энергии по приводам отдельных механизмов БУ. Для оценки энергетических показателей БУ разработана программа расчета на ЭВМ уравнений системы электроснабжения соизмеримой мощности, содержащей электроприводы постоянного и переменного тока с учетом структуры системы электроснабжения, одновременной работы силовых преобразователей и наличием ФКУ.
На ее основе были определены напряжения и токи, полная, активная и реактивная мощности системы электроснабжения БУ, отклонения напряжения сети от номинального в точке питания электроустановок БУ; коэффициенты мощности системы и искажения синусоидальности напряжения сети. На рис.2 представлен фрагмент разработанной программы определения энергетических параметров БУ, где: Скн – номинальная емкость конденсатора для фильтра; kтзз – коэффициент трансформации силового трансформатора; tg – тангенс угла потерь на основной частоте; Lp7 – индуктивность реактора для фильтра 7 гармоники; Lp5 - индуктивность реактора для фильтра 5 гармоники; rp7 – активное сопротивление реактора для фильтра 7 гармоники; rp5 - активное сопротивление реактора для фильтра 5 гармоники.
Сравнительный анализ энергетические показателей сети питания БУ на основе приводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электроприводов при различных технологических режимах их работы показал техническую целесообразность и эффективность применения асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих в 1,5 раза больший средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети вне зависимости от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.
В соответствии с технологическими режимами работы механизмов БУ в качестве основной структуры управления асинхронным частотно-регулируемым их приводом обоснована векторная система управления пере- менными электропривода с обратной связью по частоте вращения двигателя для главных приводов и с обратной связью по ЭДС двигателя для привода насоса.
Рис. 2. Фрагмент программы определения энергетических
параметров БУ
Системы автоматического регулирования САР электроприводами представляют собой стандартную двухзонную систему подчиненного регулирования скорости с ПИ - регуляторами скорости РС и тока РТ. Функциональная схема САР электропривода лебедки в режимах спуско-подъемных операций «СПО» и подачи долота «ПОДАЧА» представлена на рис.3.
Особенностью предлагаемой САР электропривода лебедки является узел ФП1 (отмечен жирной линией), обеспечивающий автоматическое управление скоростью привода лебедки в зависимости от веса. Характеристика ФП1 определяет зависимость задаваемой установившейся скорости подъема и спуска от сигнала датчика веса ДВ, причем раздельно для каждой передачи лебедки. Расчетные характеристики ФП1 строятся на основе нагрузочных характеристик лебедки таким образом, чтобы при превышении мак-
симального усилия на крюке, меньшего на 12% критического усилия, производилось автоматическое снижение скорости до нуля. Отличительной особенностью разработанной САР электропривода лебедки является отсутствие при превышении веса аварийного отключения привода с наложением аварийного тормоза и оставлением талевой системы в натянутом и неуправляемом состоянии. В результате исключается опасность резких колебаний талевого блока БУ при включении привода лебедки после аварийного останова в результате превышения веса.
Для исключения возможных превышений давления и обратных гидравлических ударов в манифольде, по которому промывочная жидкость подается в скважину, предложено в схему управления частотно-регулируемыми электроприводом главного насоса БУ ввести функциональные блоки автоматического и взаимосвязанного ограничения рабочих скоростей и моментов их электродвигателей в функции давления в манифольде. Предлагаемое решение обеспечивает защиту от гидроударов в системе подачи жидкости по быстродействию и надежности значительно выше штатных систем подобных защит.
Для частотно-регулируемого электропривода лебедки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ дан пример определения параметров РС и РТ системы управления, обеспечивающих требуемые технологические показатели привода.
Рассмотрена одна из основных задач автоматизации спуско-подъемных операций СПО привода лебедки в пределах одного цикла спуска (подъема) колонны на длину одной свечи, от решения которой зависит производительность БУ. Предложена система управления СПО с использованием подроторного датчика положения ДП, представляющего собой электромагнитный датчик перемещения, конструктивно устанавливаемый на уровне стола ротора. При прохождении замка свечи через ДП он вырабатывает логический сигнал, поступающий в вычислительное устройство ВУ, где определяется однозначная для данной свечи связь между положениями талевого блока и замка и на ее основании формируется желаемая диаграмма замедления и точная остановка замка в зоне ключа.
Обобщенный алгоритм работы предложенной системы управления СПО в цикле спуска и подъема свечи дан на рис.
Разработанная система управления СПО устраняет ранее существующий недостаток по запоминанию нижнего и верхнего положений талевого блока при текущем весе колонны, и, следовательно, при текущем растяжении
Рис.4. Алгоритм работы СУ СПО, 
общие, 
для спуска, 
для подъема свечи операции
троса барабана лебедки. По мере увеличения глубины скважины вес бурильной колонны растет, меняя растяжение троса. Поскольку желаемые точки останова талевого блока прежде запоминались при первоначальном растяжении троса, то возникала значительная погрешность определения положения талевого блока. В предлагаемой системе управления СПО отпала необходимость предварительного измерения длин свечей, что для разных их длин практически невозможно. При этом определение точного положения талевого блока становится независимым от растяжения троса барабана лебедки.
На основании технологических режимов работы и предложенной системы управления СПО был разработан и реализован алгоритм и логика управления электроприводами главных механизмов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ.
Третья глава посвящена разработке систем технологического управления и технического диагностирования электроприводов БУ.
Разработана трехуровневая система управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами главных механизмов БУ, где нижним уровнем являются локальные системы управления электроприводов на базе микропроцессорных систем управления преобразователей частоты, средним – системы управления технологическими режимами работы электроприводов
и верхним – организация интерфейса человек-машина, визуализация, архивирование и анализ технического состояния приводов БУ.
Разработаны и технически реализованы системы логического управления электроприводами БУ на основе ПЛК Simatic S7-300, системы регистрации, обработки и визуализации текущих переменных асинхронных частотно-регулируемых электроприводов БУ, системы регистрации аварийно-предупредительных режимов и оповещения обслуживающего персонала о нештатных событиях в электроприводах БУ. Реализованы аппаратно-программные средства, осуществляющие интерфейс «человек-машина».
На основе логических схем и технологических сигналов управления главных электроприводов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ разработаны алгоритмы диагностирования их технического состояния, включая диагностирование элементов их системы управления.
Предложен и реализован графический интерфейс оперативного и наглядного отображения результатов диагностирования технического состояния электроприводов БУ на экране монитора панели оператора. Реализация требуемых функций панели оператора потребовала разработки прикладных программ и баз данных на различных уровнях программного обеспечения системы диагностирования.
Особенностью разработанной системы диагностирования является возможность отображения трендов о состоянии главных электроприводов БУ, что более наглядно и информативно, чем отражение лишь мгновенных переменных приводов. Количество экранов не ограничено для работы с весом, подачей долота, насосами. В итоге у оператора появляется возможность не только наблюдать мгновенные значения переменных приводов и графики их изменения во времени, но и оценивать приближение проблемных участков бурения.
Четвертая глава связана с экспериментальными исследованиями энергетических режимов работы электроприводов БУ, технологических режимов разработанных систем и алгоритмов их управления, а также решением проблем обеспечения электромагнитной совместимости элементов электропривода БУ в реальных условиях их эксплуатации.
Исследования энергетических показателей выполнялись на входе сети питания 6 кВ БУ-3200/200 М-ДЭП с приводами постоянного тока и БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ с асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами. Определялись реальные значения напряжений и токов, полной, активной и реактивной мощностей, коэффициента мощности системы питания электроприводов БУ, коэффициента искажения синусоидальности напряжения сети при наличии и отсутствии фильтро-компенсирующих устройств в цепи питания БУ. На рис.5 представлен график изменения коэффициента мощности, заданной скорости и фактического электромагнитного момента двигателя лебедки в режиме подъема инструмента с промывкой и работой системы верхнего привода БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ.
Исследования позволили оценить энергетические показатели сети питания электропривода БУ при различных режимах их работы и подтвердить
целесообразность применения регулируемых асинхронных частотно-регулируемых электроприводов БУ.
Экспериментальные исследования технологических режимов и алгоритмов управления электроприводами БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ подтвердили работоспособность и высокое качество статических и динамических характеристик разработанного асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов БУ.
Проблема обеспечения ЭМС элементов электропривода БУ решалась экспериментальным исследованием ЭМО в районе их расположения. Для ее оценки использовался комплект устройств для анализа спектра напряженностей электрического и магнитного полей, датчики которых были протарированы в эталонных магнитном и электрическом полях соответственно.
В качестве объекта исследования был выбран преобразователь частоты электропривода насоса БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ. При исследованиях ЭМО электропривод насоса работал со скоростью 900 об/мин в установившемся режиме при напряжении 540 В и токе статора 420 А.
На рис. 6 и рис. 7 представлены спектры напряженностей электрического и магнитного полей в районе силовых шин переменного тока. Амплитуды напряженности электрического поля не превышали 710 и 600 В/м на частотах 4000 и 7812 Гц, а амплитуды напряженности магнитного поля достигали 250 и 310 А/м на частотах 9766 и 19531 Гц соответственно.
Рис. 6. Спектр напряженности электрического поля в районе силовых шин переменного тока шкафа ПЧ электропривода насоса
Рис. 7. Спектр напряженности магнитного поля в районе силовых шин переменного тока шкафа ПЧ электропривода насоса
Разработанным комплектом проведены комплексные исследования ЭМО электрооборудования БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ и ее вспомогательных электроустановок. При этом максимальные уровни напряженностей электрического Em и магнитного Hm полей при анализе ЭМО электрооборудования БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ достигали 1180 В/м и 90 А/м в области выпрямителя питания ПЧ, 1080 В/м и 115 А/м в области ПЧ, 600 В/м и 40 А/м в области элементов систем управления.
На основе информации об ЭМО предложены и внедрены способы и рекомендации по обеспечению ЭМС электроприводов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ, использование которых позволило решить существовавшие проблемы ложных срабатываний сигналов управления, а также разработаны и внедрены рекомендации по обеспечению ЭМС элементов электропривода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ
1. Обобщены технологические и допустимые режимы работы главных механизмов БУ и на их базе обоснованы технологические и эксплуатационные требования к асинхронным частотно-регулируемым электроприводам механизмов БУ. На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов главных механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов.
2. По технологическим характеристикам насоса БУ и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей различных типов и передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм определения мощности двигателя, обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное ее согласование с мощностью насоса.
3. Доказана целесообразность и эффективность применения для главных механизмов БУ асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих более высокий ( в 1,5 раза) средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети, не зависимый от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.
4. Разработаны и технически реализованы способ и системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ с автоматическим и взаимосвязанным ограничением рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью работы лебедки и главного насоса.
5. Разработаны и технически реализованы способ и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.
6. На примере буровой установки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов обоснована суммарная электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.
7. Разработаны и технически реализованы алгоритмы логического управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ и аппаратно-программные средства на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300, сетевой коммуникационной платы SIMATIC NET CP 5611, монитора SIMATIC FLAT PANEL, а также программного обеспечения SIMATIC WinCC v6.0 и Simatic Manager v. 5.4, осуществляющие интерфейс «человек-машина».
8. Разработаны алгоритмы диагностирования технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.
9. Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ, сосредоточенных в едином контейнерном исполнении. Обоснованы способы и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости элементов электропривода БУ.
