CC BY
32
КПД электропривода определялся по показаниям амперметров, измеряющих входной ток /1 преобразователя ПП1 и выходной ток 12 преоб-
12
разователя ПП2 п = • 100 %.
Список литературы
1. Никифоров Б.В., Пахомин С.А., Птах Г.К. Вентильные индукторные двигатели для тяговых электроприводов // Электричество. 2007. № 2. С. 34-38.
A. Temirev, G. Ptah, A. Cvetkov, /. Kvuatkovskyui
Rowing ventilno-induktornyj the engine for system of electromovement of a sea tow capacity of2000 Kw
The results of development and test rowing switched reluctance motor for seagoing tugboat power of2000 kW, 200 rpm are prezented. Keywords: switched reluctance motor.
Получено 06.07.10
УДК 622.242-62-83
Ю.М. Сафонов, канд. техн. наук, проф. (495) 362-74-25, [email protected] (Россия, Москва, МЭИ(ТУ)), Д.А. Благодаров, канд. техн. наук, доц., (495) 362-74-25, [email protected] (Россия, Москва, МЭИ(ТУ)), Ю.В. Шевырев, д-р техн. наук, проф., (495) 433-55-77, [email protected] (Россия, Москва, РГГРУ), И.Н. Оливетский, асп., (495) 433-55-77, [email protected] (Россия, Москва, РГГРУ)
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ В КОЛОННЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПРИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОМ БУРЕНИИ
Разработана математическая модель электропривода буровой установки. Представлен сравнительный анализ работы системы с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом.
Ключевые слова: математическая модель электропривода буровой установки, работы системы с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом.
Важнейшей проблемой при бурении геологоразведочных скважин буровыми установками с нерегулируемым асинхронным электроприводом (ЭП) является возникновение значительных динамических нагрузок в ко-
лонне бурильных труб (КБТ), которые носят колебательный характер с большими амплитудными значениями. Это приводит к накоплению усталостных напряжений в материалах передач, их разрушению и быстрому выходу из строя. Снизить динамические нагрузки на КБТ возможно за счет плавного изменения частоты вращения.
Для изучения влияния электропривода на переходные процессы в КБТ разработана математическая модель системы частотно регулируемый асинхронный ЭП - КБТ. В качестве модели асинхронного электропривода используются известные дифференциальные уравнения системы с векторным управлением [1]. Уравнения, которыми можно описать переходные процессы КБТ, широко известны в теории дифференциальных уравнений математической физики под названием волновых или телеграфных уравнений [2].
При математическом описании КБТ вводится ряд допущений. Колонна рассматривается как прямолинейный стержень круглого сечения, который характеризуется зависящими от пространственной координаты значениями диаметра, момента инерции, массы, упругости и т. д. Считается, что скважина заполнена глинистым раствором и жидкостное трение КБТ пропорционально скорости.
Крутильные и продольные колебания в КБТ описываются дифференциальными уравнениями в частных производных гиперболического типа
дх . ду ду дх
= -Нох- т— /0; -т- = -сот- , (1)
д£ дх д£ дх
где £ и х - соответственно время и координата поперечного сечения КБТ, отсчитываемая от точки соединения привода и КБТ, - независимые переменные; х(£,х) - обобщённая скорость (угловая скорость ш в сечении х при крутильных колебаниях, линейная скорость V в сечении х при продольных колебаниях), у(£,х) - обобщённая сила (момент М в сечении х при крутильных колебаниях, сила ^ в сечении х при продольных колебаниях); т0 -масса единицы длины КБТ при продольных колебаниях, либо момент инерции единицы длины КБТ при крутильных колебаниях; НО - коэффициент вязкого трения на единицу длины КБТ; сО - жёсткость единицы длины КБТ;/0 - внешнее усилие, действующее на единицу длины КБТ (например, сухое трение, сила веса, архимедова сила и т.д.).
Если электропривод и механизм с распределёнными параметрами описываются линейными дифференциальными уравнениями, то наиболее удобным и простым является операторный метод совместного решения уравнений, описывающих электропривод и механизм [3]. Однако в общем случае электропривод может описываться нелинейными дифференциальными уравнениями, а параметры механической части могут зависеть от пространственной координаты. Поэтому единственно возможным общим методом решения данных уравнений является применение тех или иных
методов разностных схем. Их достоинством является универсальность и наличие хорошо разработанной теории.
При совместном решении уравнений системы "электропривод - механизм с распределёнными параметрами" наиболее удобной является применение явной разностной схемы для решения уравнений в частных производных.
На основании полученной математической модели проведены исследования динамических режимов электроприводов для двух систем: нерегулируемый асинхронный электропривод - колонна бурильных труб (АД
- КБТ) и частотно-регулируемый асинхронный электропривод - колонна бурильных труб (ЧРП - КБТ). Вышеуказанные системы электроприводов моделировались при бурении на глубину до 1000 метров. Результаты исследования переходных процессов фиксировались в виде графиков, на которых записывались величины, характеризующие динамику КБТ и электропривода, такие как: и - напряжение питающей сети, В; 1с -ток статора, А; шдв - угловая скорость приводного двигателя, рад/с, Мдн - изменение момента приводного двигателя, от времени переходных процессов, Нм; шк
- угловая скорость коронки, рад/с; М1+- М5 - упругий момент в различных сечениях КБТ, на которые разделена КБТ (нумерация идет от устья скважины к забою), Нм.
На рис. 1 приведены результаты моделирования прямого пуска нерегулируемого асинхронного электропривода, на рис. 2 - результаты моделирования частотного пуска асинхронного электропривода при тех же условиях бурения.
150 100 50
СО к рад^с
( ...../
ЧУ
: ).....Ч:......./Ч .......Ч/гЧ-
-.....
¡Т. с
Т, с
Рис. 1. Переходные процессы прямого пуска нерегулируемого
электропривода
Рис.2 Переходные процессы частотного пуска асинхронного электропривода
Результаты исследования показали, что при пуске нерегулируемого асинхронного электропривода происходят значительные броски тока статора и момента двигателя. Возникают значительные колебания момента и скорости колонны. В отличие от нерегулируемого электропривода в системе с преобразователем частоты за счёт плавного пуска электродвигателя отсутствуют броски тока статора и момента приводного двигателя. Из сравнения возникающих колебаний скорости и момента в КБТ следует вывод, что амплитуды колебаний в системе с частотным регулированием меньше, чем в системе нерегулируемый АД - КБТ.
Проведенные исследования позволили определить зависимость изменения амплитуды колебаний момента в верхнем сечении КБТ от времени пуска частотно-регулируемого электропривода для глубины бурения 1000 м, которая приведена на рис. 3.
М,Нм
450 т
200 -1S0 ■ 100 -50 -
О 4-1-1-1-1 *> с
0.2 0,4 0,6 0,8 1
Рис. 3. Зависимость изменения амплитуды колебаний момента в верхнем сечении от времени пуска электродвигателя для глубины бурения 1000 м
Разработанные модели позволили исследовать динамические процессы в КБТ при её различных режимах работы: пуске, приложении нагрузки, прихвате. Исследования показали, что применение преобразователя частоты в асинхронном электроприводе при бурении геологоразведочных скважин позволяет значительно улучшить динамические и технологические показатели бурового оборудования.
Список литературы
1. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005. 304 с.
2. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Электроприводы с распределёнными параметрами механических элементов. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 144 с.
3. Шевырёв Ю.В., Шинянский А.В. Алгоритм определения изображений переменных системы электропривод-колонна бурильных труб // Электромеханика. 1987. №4. С. 118 - 120.
Yu. Safonov, D. Blagodarov, Yu. Shevirev, /. Olivetski
Influence of the frequency-regulated electric drive on dynamic loadings in a column of boring pipes at geological prospecting drilling
The mathematical model electric drive of the drilling rig is developed. The comparative analysis of work with the noncontrollable and frequency-controlled electric drive is presented.
Keywords: mathematical model of the electric drive of the drilling unit, work of system with the noncontrollable and frequency-regulated electric drive.
Получено 06.07.10
