Оценка энергетической эффективности частотно-регулируемого электропривода буровой установки УКБ-4

© А.М. Соловьев, И.М. Соловьев, 2016

А.М. Соловьев, И.М. Соловьев

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ УКБ-4

Создана математическая модель частотно-регулируемого электропривода буровой установки УКБ-4, учитывающая потери мощности в асинхронном двигателе, коробке передач и преобразователе частоты. Выполнен расчет мощности, потребляемой на бурение типовой геологоразведочной скважины, буровой установкой УКБ-4 оснащенной ступенчато-регулируемым и плавно регулируемым электроприводом. Проведен сравнительный анализ энергопотребления частотно-регулируемого и ступенчато-регулируемого электроприводов. Ключевые слова: математическое моделирование, плавное регулирование, буровые геологоразведочные работы.

Среди множества возможных направлений совершенствования электропривода в бурении одним из наиболее перспективных считается применение и модернизация тирис-торного плавно-регулируемого частотного привода.

На основе пакета прикладных программ МаЙаЬ создана математическая модель, позволяющая оценить энергетические показатели, как для частотно-регулируемого, так и для классического ступенчато-регулируемого электропривода буровой установки УКБ-4 [1, 5, 6].

Для симуляции работы частотно-регулируемого привода использован алгоритм, имитирующий векторное управление асинхронным двигателем, учитывающий, также, потери в коробке передач бурового станка. [2, 3, 4] Структурная схема модели представлена на рис. 1.

Регулятор тока представляет из себя два пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора: регулятор тока намагничивания и регулятор активной составляющей тока, с регулированием, зависящим от частоты вращения. А регулятор частоты вращения — из одного ПИ-регулятора.

Регулятор максимального напряжения, как и регулятор частоты вращения, состоит из ПИ-регулятора. Его назначение —

в зависимости от напряжения на звене постоянного тока (Uzk) — корректировать магнитный поток. Uzk может изменяться при колебаниях напряжения сети, а так же может значительно возрастать при торможении двигателя.

Регулятор магнитного потока, так же является ПИ-регулятором. Он необходим при работе асинхронного двигателя в диапазоне частот вращения, при которых необходимо ослабление магнитного потока или при появлении кратковременных ускорений.

Назначение блока предварительной регулировки напряжения — компенсация скольжения путем повышения напряжения в узком диапазоне. Преобразование токов статора двигателя из трехфазной (АВС) системы координат в ортогональную (q, d) систему координат выполняет преобразователь координат (АВС) ^ (q, d):

Vs

I =

4

— n

s

Рис. 1. Структурная схема модели частотно-регулируемого электропривода: 1 — регулятор скорости вращения, 2 — ПИ-регулятор, 3 — блок предварительного регулирования напряжения, 4 — преобразователь ортогональной системы координат (d,q) в трехфазную систему координат (ABC), 5 — выпрямитель, 6 — звено постоянного тока, 7 — автономный инвертор напряжения, 8 — датчик тока, 9 — блок задания нагрузки, 10 — коробка передач, 11 — асинхронный двигатель, 12 — датчик положения ротора, 13 — блок коррекции магнитного потока, 14 — преобразователь трехфазной системы координат (ABC) в ортогональную систему координат (d, q), 15 — блок расчета магнитного потока, 16 — ПИ-регулятор магнитного потока, 17 — блок расчета уменьшения магнитного потока, 18 — блок расчета скорости вращения

/ =

q л/3

!b sini y + 7nj + la sinf y +1n

где I и Id — токи ортогональной системы координат; IC и IB — токи трехфазной системы координат; у — фазовый угол.

Обратное преобразование напряжения из ортогональной системы координат в трехфазную выполняет преобразователь координат (d, q) ^ (ABC):

UA = Ud cos (y) + juq sin (y) ; Ub = Ud cos i y + yj + jUq sin íy + f |;

Uc = Ud cos I Y- 2П) + jUq sin (y- f l;

где ис, ив, иА — напряжения трехфазной системы координат; и и и — напряжения ортогональной системы координат.

Модули напряжений ис, ив, иА равны между собой:

\иА\ = \йв\ = \йс| = .\7\

Автономный инвертор (АИН) формирует напряжение как последовательность импульсов имеющих одинаковую амплитуду, но различных по длительности. При этом АИН преобразователей частоты разных производителей формируют напряжения по разным законам. В модели реализован симплексный алгоритм трехуровневой широтно-импульсной модуляции.

Конструкция рассматриваемой скважины

№ п/п Интервал, м Мощность (толщина пласта), м Название пород Категория по буримости Диаметр коронки, мм

от до

1 0 5 5 Кимберлитовая брекчия с массивной текстурой цемента III 112

2 5 50 45 Кимберлитовая брекчия с массивной текстурой цемента V 93

3 50 100 50 Автолитовая кимберлитовая брекчия VI 59

4 100 500 400 Кимберлитовая брекчия VII

Рис. 2. Графики затрат мощности на бурение: 1 — при ступенчатом регулировании, 2 — при плавном регулировании

Для проверки корректности модели результаты моделирования классического привода были сопоставлены с результатами, рассчитанными по методике ВИЭМС. Сходимость результатов при различных начальных условиях составила, в среднем, 96%.

Расчет мощности потребляемой на бурение установкой УКБ-4, оснащенной классическим и частотным приводами, проводился для колонкового бурения типовой геологоразведочной скважины глубиной 0,5 км.

Согласно [5], конечный диаметр буровой коронки равен 59 мм. Т.к. бурение предполагается с отбором керна по породам от III до VII категории буримости, в модель внесены данные соответствующие твердосплавным коронкам на всем интервале глубин [6]. Конструкция скважины приведена в таблице.

Графики мощности затрачиваемой на бурение при частотно-регулируемом и классическом приводах буровой установки УКБ-4, представленные на рис. 2, являются результатом математического моделирования.

Видно, что при ступенчатом регулировании затраты мощности на бурение выше до 20%. При небольших глубинах разница значительно ниже, что объясняется близостью расчетных значений скорости вращения бурового снаряда к фактическим скоростям вращения, создаваемых коробкой передач.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении. — М.: РГГРУ, 2007. - 668 с.

2. Глазырин А.С. Аналитические методы математического моделирования электромеханических систем. — Томск: ТПУ, 2009. — 206 с.

3. Грузоподъемные устройства, механизмы вращения и подачи буровых установок / Под ред. Е.С. Булгакова. — М.: РГГРУ, 2007. — 424 с.

4. Каган А.В. Математическое моделирование в электромеханике. — СПб., 2002. - 73 с.

5. Пономарев П.П., Каулин В.А. Отбор керна при колонковом геологоразведочном бурении. — СПб.: Недра, 1989. — 256 с.

6. Справочник по бурению / Под ред. Е.А. Козловского. — СПб.: Недра, 2000. — 712 с. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Соловьев Андрей Михайлович — аспирант, Соловьев Илья Михайлович — аспирант,

Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), e-mail: cyberlab@mail.ru.

UDC 622.242:621.3

A.M. Soloviev, I.M. Solovyev

ASSESSMENT OF THE ENERGY EFFICIENCY OF VARIABLE-FREQUENCY ELECTRIC RIG SKB-4

A mathematical model of frequency-controlled electric drive drilling rig UKB-4, taking into account the power losses in the induction motor, gearbox and frequency converter. The calculation of the power consumed by a typical drilling exploratory wells, drilling rig UKB-4 equipped with a step-regulated and regulated electric drive smoothly. A comparative analysis of energy consumption and variable-frequency step-controlled drives.

Key words: mathematical modeling, smooth control, exploration drilling.

AUTHORS

Solovyev A.M.1, Graduate Student, Solovyev I.M.1, Graduate Student, 1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), Moscow, Russia, e-mail: cyberlab@mail.ru.

REFERENCES

1. Gandzhumyan R.A., Kalinin A.G., Serdyuk N.I. Raschety v burenii (Calculations in drilling), Moscow, RGGU, 2007, 668 p.

2. Glazyrin A.S. Analiticheskie metody matematicheskogo modelirovaniya elektrome-khanicheskikh sistem (Analytical methods of mathematical modeling of electromechanical systems), Tomsk, TPU, 2009, 206 p.

3. Gruzopod"emnye ustroystva, mekhanizmy vrashcheniya ipodachi burovykh ustanovok. Pod red. E.S. Bulgakova (Hoisting device rotation mechanisms and supply of drilling rigs, Bulgakov E.S. (Ed.)), Moscow, RGGU, 2007, 424 p.

4. Kagan A.V. Matematicheskoe modelirovanie v elektromekhanike (Mathematical modeling in electromechanics), Saint-Petersburg, 2002, 73 p.

5. Ponomarev P.P., Kaulin V.A. Otbor kerna pri kolonkovom geologorazvedochnom burenii (Coring during coring exploration drilling), Saint-Petersburg, Nedra, 1989, 256 p.

6. Spravochnikpo bureniyu. Pod red. E.A. Kozlovskogo (Guide to drilling, Kozlovs-ky E.A. (Ed.)), Saint-Petersburg, Nedra, 2000, 712 p.