Исследование и анализ статических характеристик вентильно-индукторного электропривода буровых установок геологоразведочного бурения

УДК 622.24

С.В. Букреев

ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ

Приведена функциональная схема вентильно-индукторного электропривода станков геологоразведочного бурения. Методом имитационного моделирования в среде Matlab (Simulink) выполнено исследования статических характеристик электропривода мощностью 60 кВт. Показано, что в диапазоне нагрузок от минимальной до номинальной коэффициент мощности электропривода близок к 1. Суммарный КПД электропривода при номинальной нагрузке равен 91,5%. Анализ полученных характеристик на имитационной модели позволил сделать вывод о том, что вентильно-индукторный электропривод соответствует всем требованиям, предъявляемым к силовому приводу буровых станков.

Ключевые слова: буровая установка, колонна бурильных труб, привод станка, трехфазный асинхронный электропривод, вентильно-индукторный электропривод, эффективность бурения, имитационное моделирование.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-204-208

Для значительного количества буровых установок геологоразведочного бурения в качестве электропривода основных исполнительных механизмов используется нерегулируемый трехфазный асинхронный электродвигатель (ТАД). К числу его достоинств относятся простота конструкции, надежность и дешевизна. Однако, нерегулируемый ТАД в настоящее время не может полностью удовлетворить возросшим требованиям технологии геологоразведочного бурения, поскольку не обеспечивают плавного изменения частоты вращения рабочих органов, а следовательно, не позволяют [1, 2]: максимально использовать установленную мощность приводного двигателя; исключить динамические нагрузки; обеспечить

легкий выход из зон резонансных колебаний; создать оптимальные условия для очистки скважины в процессе бурения; обеспечить оптимальный расход электроэнергии; обеспечить требуемый технологический режим работы. К тому же, наличие скрытых дефектов в роторе или статоре ТАД приводит к увеличению потерь мощности в электродвигателе и повышению риска выхода его из строя. Вышесказанное создает предпосылки к необходимости внедрения новых, технологичных и более отказоустойчивых систем электропривода для буровых установок геологоразведочного бурения.

Альтернативой асинхронному электроприводу может быть вентильно-индукторный электропривод (ВИП) [3, 7, 8].

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 204-208. © С.В. Букреев. 2017.

Рис. 1. Механические характеристики привода бурового станка при плавном регулировании частоты вращения

Преимущества ВИП по сравнению с другими системами электропривода:

• простота и технологичность конструкции ИМ;

• низкая себестоимость;

• высокая надежность и ремонтопригодность;

• низкие потери в роторе;

• низкий момент инерции;

• возможность работы в агрессивных средах

Недостатком ВИП является невозможность работы без преобразователя и системы управления.

Поскольку к электроприводу буровых станков предъявляются особые требо-

вания необходимо исследование статических характеристик ВИП.

К электроприводам буровых станков предъявляются следующие требования [2, 6]:

• Мощность электропривода должна удовлетворять условию

Р > Р

эп экв 4 '

• Крутизна механической характеристики должна быть регулируемой, т.е.

рэп = (бМ/бп) = уэг (2) где бМ — приращение момента электропривода, бп — приращение скорости вращения электропривода.

Для удовлетворения требования (2) характеристика электропривода должна быть жесткой в пределах от минимального до номинальных моментов с плавным регулированием частоты вращения и ограничением момента, по линии АБ, близкой к линии постоянной мощности, т.е. мягкой при моментах, максимальных для данной скорости. Механические характеристики привода бурового станка при плавном регулировании частоты вращения показаны на рис. 1.

Такие характеристики позволяют использовать полную мощность электродви-

Рис. 2. Функциональная схема вентильно-индукторного электропривода бурового станка

гателя, и обеспечивать высокую производительность станка благодаря жесткой до определенного момента характеристике, выполнять эффективный спуско-подъем и предотвращать обрыв КБТ при максимальных моментах. Получить такую характеристику, можно только применяя регулируемый ЭП с плавным регулированием угловой скорости [4, 5].

На рис. 2 представлена функциональная схема ВИП, удовлетворяющая вышеописанным требованиям. Силовая часть привода состоит из вентильно-индуктор-ной машины (ВИМ), которая получает питание от сети переменного тока через выпрямитель (В) и фильтр (Ф) посредством транзисторного коммутатора (К). На стороне постоянного тока установлены датчик тока (ДТ) и датчик напряжения (ДН). Система регулирования выполнена по принципу подчиненного регулирования координат, где внутренний контур обеспечивает регулирование тока, а внешний — регулирование скорости. Сигнал задания от командоаппарата (К) поступает на вход задатчика интенсивности (ЗИ) для формирования плавного пуска привода и исключения скачкообразных

управляющих воздействий. С ЗИ сигнал сравнивается с текущим значением скорости, измеряемое датчиком скорости (Д). Сигнал рассогласования поступает на вход пропорционального регулятора скорости (РС). Выходное значение РС ограничивается ограничителем мощности (ОМ). Сигнал ОМ сравнивается с текущим значением тока фазы ВИМ и поступает на вход релейного-регулятора тока (РРТ).

Исследование механических характеристик предложенной функциональной схемы ВИП бурового станка выполнено методом имитационного моделирования в среде Matlab (Simulink). Имитационная модель состоит из ВИМ мощностью 60 кВт, который может быть рекомендован для модернизации бурового станка ЗИФ-1200МР, релейного регулятора тока с ограничителем мощности (Current controller), транзисторного коммутатора (K), П-регулятора скорости (Speed controller), нерегулируемого выпрямителя (Rectifier) с Г-образным фильтром, задатчика интенсивности (Setpoint), измерительных приборов (Scope).

На рис. 4 представлена область механических характеристик ВИП бурового

Рис. 3. Имитационная модель ВИП в программной среде Matlab

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рис. 4. Область механических характеристик ВИП бурового станка

02 0.4 0,6 0,8 1-КГЩ 2-соз_рЬ1

Рис. 5. Статические характеристики ВИП бурового станка

станка полученная с помощью имитационной модели. Как видно, предложенная функциональная схема ВИП позволяет реализовать механические характеристики, соответствующие требованиям (1) и (2).

На рис. 5 представлены зависимости КПД и коэффициента мощности электропривода в зависимости от нагрузки на

валу. В диапазоне нагрузок от минимальной до номинальной коэффициент мощности близок к 1. КПД электропривода при номинальной нагрузке равен 91,5%. Высокие значения КПД и коэффициента мощности позволят разгрузить по реактивному току синхронные генераторы и трансформаторы, тем самым снижая потери мощности в элементах системы электроснабжения буровых работ.

Заключение

Проведенные исследования позволили разработать функциональную схему ВИП бурового станка и исследовать статические характеристики привода. Анализ полученных характеристик на имитационной модели позволил сделать вывод о том, что ВИП соответствует всем требованиям, предъявляемым к силовому приводу буровых станков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев В. В., Сердюк Н. И., Шевырев Ю. В. Перспективы применения регулируемого электропривода переменного тока на горно-геологических предприятиях // Геология и разведка. - 2005. - № 3.

2. Григорьев М. И. Методы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода геологоразведочных буровых установок. — М.: МГГА, 2000. — 132 с.

3. Кузнецов В.А., Кузмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. — М.: Изд-во МЭИ, 2003. — 70 с.

4. Оливетский И. Н. Снижение энергозатрат и повышение качества переходных процессов в колонне бурильных труб при геологоразведочном бурении: дис. к.т.н. — М.: РГГРУ, 2010. — 150 с.

5. Черник Г. В. Электропривод и электрооборудование установок алмазного бурения. — Л.: Недра, 1978. — 151 с.

6. Шевырёв Ю. В., Мамадалиев И. Х. Анализ влияния параметров на характер переходных процессов в системе электропривод — колонна бурильных труб. — М.: Изд-во МЭИ, 1980.

7. Ramya A., Dhivya G., Bharathi P. D., Dhyaneshwaran R., Ramakrishnan P. Comparative study of speed control of 8/6 switched reluctance motor using pi and fuzzy logic controller. IJRTE; 2012.

8. Wadnerkar V.S., Das G. T. R., Rajkumar A. D. Performance analysis of switched reluctance motor; design, modeling and simulation of 8/6 switched reluctance motor. J Theor Appl Inform Tech. 2005-2008. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Букреев Сергей Витальевич — аспирант, e-mail: S.V.Bukreev2805@gmail.com, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 204-208.

UDC 622.24

S.V. Bukreev

RESEARCH AND ANALYSIS OF STATIC CHARACTERISTICS OF VALVE-AND-INDUCTOR ELECTRIC DRIVE FOR GEOLOGICAL EXPLORATION DRILLING RIGS

In the article a functional block diagram of the switched-reluctance electric drive of drilling machines is shown. Performed simulation in Matlab(Simulink) for study the static characteristics of electric drive power of 60 kW. It is shown that in the load range from the minimum to the rated power factor of the actuator is close to 1. The overall efficiency of the electric drive at rated load equal to 91,5%. Analysis of the obtained characteristics on the simulation model allowed us to conclude that switched-reluctance electric drive meets all the requirements for a power drive of drilling rigs.

Key words: drilling rig, drill string, machine drive, three-phase asynchronous electric drive, switched reluctance drive, drilling efficiency, simulation.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-204-208

AUTHOR

BukreevS.V., Graduate Student, e-mail: S.V.Bukreev2805@gmail.com, Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), 117997, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Alekseev V. V., Serdyuk N. I., Shevyrev Yu. V. Geologiya i razvedka. 2005, no 3.

2. Grigor'ev M. I. Metody energosberegayushchey ekspluatatsii asinkhronnogo elektroprivoda ge-ologorazvedochnykh burovykh ustanovok (Methods of energy-saving operation of synchronous electric drives of exploration drilling rigs), Moscow, MGGA, 2000, 132 p.

3. Kuznetsov V. A., Kuzmichev V. A. Ventil'no-induktornye dvigateli (Valve-and-inductor motors), Moscow, Izd-vo MEI, 2003, 70 p.

4. Olivetskiy I. N. Snizhenie energozatrat i povyshenie kachestva perekhodnykh protsessov v kolonne buril'nykh trub prigeologorazvedochnom burenii (Reduction in energy input and improvement of quality of transition process in geological exploration drill string), Candidate's thesis, Moscow, RGGRU, 2010, 150 p.

5. Chernik G. V. Elektroprivod i elektrooborudovanie ustanovok almaznogo bureniya (Electric drives and electrics of diamond drilling installations), Leningrad, Nedra, 1978, 151 p.

6. Shevyrev Yu. V., Mamadaliev I. Kh. Analiz vliyaniya parametrov na kharakter perekhodnykh protsessov v sisteme elektroprivod kolonna buril'nykh trub (Analysis of influence of parameters on the behavior of transition processes in the system of electric drives in drill strings), Moscow, Izd-vo MEI, 1980.

7. Ramya A., Dhivya G., Bharathi P. D., Dhyaneshwaran R., Ramakrishnan P. Comparative study of speed control of 8/6 switched reluctance motor using pi and fuzzy logic controller. IJRTE; 2012.

8. Wadnerkar V. S., Das G. T. R., Rajkumar A. D. Performance analysis of switched reluctance motor; design, modeling and simulation of 8/6 switched reluctance motor. J Theor Appl Inform Tech. 2005-2008.