Буровой снаряд на грузонесущем кабеле с бездатчиковым управлением авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения

УДК 621.398

БУРОВОЙ СНАРЯД НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ С БЕЗДАТЧИКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ АВТОРЕЗОНАНСНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО

ДВИЖЕНИЯ

Э.А. Загривный, Д.А. Поддубный

Представлены конструктивная и расчетная схемы динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с электроприводом возвратно-вращательного движения. Записано выражение электромагнитного момента погружного вентильного электродвигателя. Показана функциональная схема электропривода возвратно - вращательного движения. Показана схема включения обмоток погружного вентильного электродвигателя. Сформулирован закон управления авторезонансными колебаниями и показан датчик скорости возвратно-вращательного движения для реализации авторезонансных колебаний возвратно-вращательного движения буровой коронки. Представлен электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда. Описаны недостатки системы управления с использованием датчика скорости и представлен алгоритм бездатчиковой системы управления.

Ключевые слова: электромеханическая система, авторезонанс, буровой снаряд, грузонесущий кабель, колебания, электротехнический комплекс, бездатчиковая система управления.

Электромеханические колонковые буровые снаряды на грузонесущем кабеле в составе буровых комплексов применяются при бурении ледников в Антарктиде, Арктике, Гренландии и др. Достоинствами этих комплексов являются высокая мобильность, низкая металлоёмкость, отсутствие бурильных колонн. Использование подобного электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле, разработанного в Горном университете и запатентованного в РФ, позволило получить наивысшие мировые результаты при бурении в Антарктиде на станции «Восток» при вскрытии подледникового озера Восток 5 февраля 2012 года - 3769,3 метра.

В отличие от традиционных буровых снарядов разрабатываемые в Горном университете и запатентованные в РФ динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) [3,5,6,7] не требуют применения редуктора и распорных устройств. Они могут применяться для взятия донных проб рек, озёр, морей и океанов, подледникового озера Восток в Антарктиде, многорейсового бурения в шельфовых зонах с бортов неспециализированных судов, вскрытия продуктивных пластов, очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, а также скважин на пресные и минеральные воды (рис. 1).

В настоящее время продолжаются работы по созданию ДУБС на базе вентильного двигателя. Буровой снаряд представляет собой двухмассо-вую колебательную электромеханическую систему (ЭМС) с двумя степе-

178

нями свободы возвратно-вращательного движения с вентильным электроприводом [2,3,5,6,7]. Статорная часть 3 погружного маслозаполненного электродвигателя соединена с роторной частью (8,9,10) упругим элементом 4 (параллельно соединенными пружинами кручения). Под действием электромагнитного момента МЭМ статорная часть с моментом инерции J¡ перемещается на угол j в неподвижной системе координат. Роторная часть с моментом инерции J2 под действием того же электромагнитного момента МЭМ поворачивается на угол (р2 в противоположном направлении. Возвратно-вращательное движение статорной части относительно роторной происходит относительно неподвижного узлового сечения А-А упругого элемента, расположение которого зависит от соотношения моментов инерции и нагрузок на статорную и роторную части ДУБС.

1

10

а б

Рис. 1. Конструктивная (а) и расчётная (б) схемы динамически уравновешенного бурового снаряда для бурения донных пород по патенту РФ на полезную модель №95728: 1 - грузонесущий кабель; 2 - кабельный замок; 3 - статор вентильного электродвигателя ( ЭД); 4 - упругий элемент (пружина кручения); 5 - крепеж пружины кручения; 7 - корпус ЭД; 8 - вал ротора ЭД; 9 - колонковая труба; 10 - буровая коронка; 11 - бесконтактный

датчик скорости ВВД

Со стороны упругого элемента, представленного пружиной кручения с жесткостью С, на статорную J1 и роторную J2 части действуют упругие моменты Му12=Му21, определяемые углом закручивания пружины кру-

179

чения и коэффициентом жёсткости. Со стороны буровой коронки и колонковой трубы на роторную часть с моментом инерции J2 и на статорную часть ДУБС с моментом инерции J1 действуют момент сопротивления Мс в виде аддитивной комбинации вязкого и сухого трений, а также случайной составляющей момента нагрузки Ма . При постановке снаряда на забой и подаче на статорные обмотки электродвигателя напряжения, формирующего в зазоре между ротором и статором 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, действующая на эти части, равна нулю, т.е. буровой снаряд является динамически уравновешенным. Давление на забой и момент сопротивления на буровой коронке определяется общей массой снаряда.

При работе ДУБС на резонансной частоте электромеханической системы амплитуды колебаний имеют максимальные значения, а сумма моментов вращения, действующих на эти части, равна нулю, то есть буровой снаряд является динамически уравновешенным.

Для построения математической модели электромеханической системы целесообразно воспользоваться уравнениями Лагранжа второго рода, где за обобщенные координаты принимаются углы поворота статор-ной ф1 и роторной ф2 частей

Г&Р1 +Л1 Ф1 + к 2Ф1 - ^2ф 2 = М1 ф2 +Л2 -Ф2 + к1Ф2 - Ф = М2

т т 2 м м 1 2 J1

где Л1 = Л2 М1 = —; М 2 =-—; к1 = ю2-1

,/1 J 2 J1 J 2 J1 +J 2

к2 = ——; Ць ц2 - коэффициенты эквивалентного вязкого трения на J1 + J 2

статорной и роторной частях; Юо - собственная частота электромеханической системы.

Уравнения (1) позволяют проводить анализ нормальных режимов (нагрузка сосредоточена на буровой коронке, а на статорной части не превышает 5...10 %), анормальных и аварийных режимов работы ДУБС (работа в вязкой среде, заклинивание статорной или роторной частей бурового снаряда), а также исследовать симметричные и несимметричные режимы работы [5,6].

Полученная система имеет одну собственную частоту Юо и две парциальные частоты 1 (при заклинивании роторной части) и 1 (при заклинивании статорной части) колебательных систем с одной степенью свободы, из которых состоит исходная система. При этом Л1 < Юо < 1

180

Теоретический угол размаха колебаний буровой коронки относительно неподвижных осей, связанных с Землей, определяется выражением

jK = jn TJ\ ,

J1 + J 2

где фП= 60, 120, и 180 - теоретически допустимый угол поворота ротора (размах колебаний) относительно статора, град; (далее рассматривается случай для фП=180 эл. градусов). В реальных конструкциях J¡= (5^10)J2. Так, например, при J= 5J2 угол поворота (размах колебаний) буровой коронки

jK = 180—= 150 эл.град.

1+X

Известно, что амплитуды колебаний в резонансных машинах и устройствах в режимах холостого хода и малых нагрузок достигают значительных величин, вызывая в силовых системах этих устройств недопустимо высокие разрушающие механические напряжения. По этой причине такие машины работают в неэффективных зарезонансных областях. Поэтому электропривод при возвратно-вращательных движениях (ВВД) в режимах авторезонансных колебаний должен при превышении заданного угла колебаний переходить в тормозной режим, обеспечивая работу на холостом ходу с заданным размахом колебаний.

Также в режимах авторезонансных колебаний электропривод ВВД должен быть не чувствителен к изменениям динамических параметров (коэффициента жёсткости с упругого элемента, моментов инерции J), к величине и характеру нагрузки. Таким достаточно жёстким требованиям в полной мере удовлетворяет нетрадиционный электропривод с вентильным электродвигателем, в котором используется трёхфазный статор общепромышленного трёхфазного асинхронного электродвигателя с магнитным ротором, имеющим одну или две пары полюсов. Электромагнитный момент этого электродвигателя удобно представить в виде

где К - коэффициент пропорциональности; yS - потокосцепление статора,

yR - потокосцепление ротора; ф - угол между потокосцеплением статора и ротора.

Учитывая, что y s = kI, У r = const, для статической характеристики электромагнитного момента погружного вентильного двигателя можно записать

Мэм = kMIyR = kMУ • I  sin j.

В зависимости от схемы соединения статорных обмоток электродвигателя можно получить различную амплитуду колебаний. Фазные обмотки электродвигателя " A - X ", " B - Y " и " C - Z "с одной парой полю-

сов, соединённые, как показано на рис. 2, при питании от управляемого однофазного автономного инвертора тока позволяют получить возвратно-вращательные движения ротора с предельным теоретическим размахом 180 геометрических градусов. При снижении технологической нагрузки амплитуда колебаний не превышает 90 градусов из-за перехода ротора в тормозную зону.

б

Рис. 2. Схемы потокосцеплений ротора и статора

Для управления авторезонансными колебаниями разработан и запатентован «Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения» [1, 2], согласно которому для возбуждения авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения на каждом полупериоде колебаний в моменты времени перехода кривой скорости колебаний ротора относительно статора через нулевое значение на обмотки электродвигателя подают напряжение, формирующее электромагнитный момент, изменяющийся синфазно со скоростью колебаний ротора относительно статора.

При таком способе управления электроприводом возвратно-вращательного движения возможно получать авторезонансные колебания ЭМС ДУБС, инвариантные к изменениям и нелинейностям динамических параметров системы и нагрузок на буровой коронке, т.к. во всех режимах на каждом полупериоде имеются точки ф'=0. Для реализации способа управления резонансными колебаниями используется датчик скорости ВВД [1], разработанный в Горном университет (рис.3, а). Ротор датчика скорости устанавливается на валу электродвигателя с совмещением продольных осей симметрий магнитных полей роторов датчика и электродвигателя.

Рис. 3. Бесконтактный датчик скорости ВВД; а - схема управления авторезонансными колебаниями электропривода ВВД; б -ДС-датчик скорости; К-компаратор; БУ- блок управления; VS1 и VS2 - силовые

тиристоры; Ml>1 и VD2 - силовые диоды; Ск - коммутирующая емкость; "А-Х" "C-Z", "B-Y"-рабочие обмотки; в - авторезонансный

режим

При подаче напряжения с датчика напряжения ДС на вход компаратора К в точках ср'=0 (в нулевой скорости ротора) на выходе компаратора формируется управляющий импульс для силовых тиристоров (рис. 3, б, в).

Главная особенность замкнутой схемы управления (с использованием датчика скорости) заключается в обеспечении устойчивой работы в авторезонансном режиме при изменении динамических параметров и нагрузок на буровой коронке: при увеличении или уменьшении нагрузки уменьшается или увеличивается частота при сохранении резонансных фазовых соотношений между моментом ЭД - во всех режимах угол сдвига между положением и скоростью колеблющихся масс составляет 90 градусов.

На основе всего вышеизложенного разработан электротехнический комплекс для бурения ледника (рис. 4). Он может также использоваться для взятия донных проб со дна водоёмов и для отчистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин от песка и асфальтосмолопарафиновых отложений. В качестве приводного двигателя ДУБС предлагается использовать погружной вентильный электродвигатель ВД16117В5. Его технические характеристики при номинальной частоте вращения 3000 об/мин: мощность 16 кВт, напряжение 750 В, номинальный ток 15 А, ток холостого хода 1 А. При принятой резонансной частоте колебаний ротора 25 Гц линейное напряжение электродвигателя должно быть снижено до 375 В, а фазное - до 217 В. Тогда напряжение питания электродвигателя при последовательном соединении обмоток статора составит 650, суммарное сопротивление токопроводящих жил, питающего электродвигатель, Ro6m=25 Ом, потери напряжения при номинальном токе в погружной кабельной линии составят 375 В. Напряжение питания электродвигателя при

последовательном соединении обмоток статора 650 В, номинальное вторичное напряжение трансформатора инвертора тока с учётом потерь в погружной линии 1025 В.

а

б

в

Рис. 4. Функциональная (а), расчётная (б), идеализированная (в) и приведенная (г) схемы электротехнического бурового комплекса: 1 - управляемый преобразователь переменного тока в постоянный

и инвертор тока; 2 - грузонесущий кабель; 3 - центральная экранированная жила грузонесущего кабеля; 4 - ДУБС; 5 - датчик скорости и положения ротора; 6 - датчик забоя; СУ - система управления; ДТ- датчик тока; ДН - датчик напряжения; Ь - дроссель

г

В качестве преобразователя переменного тока в постоянный и тока инвертора (рис. 4) предполагается применение преобразователя серии ТРБ32 БУ-500-2Б компании ОЕБЯЛК с параметрами: номинальный выходной ток 40 А; входное линейное напряжение переменного тока 230...500 В; частота питающей сети 50/60 Гц; выходное напряжение постоянного подаётся по грузонесущему кабелю КГ1х1,5+6х2,5-125-200. Недостатком этого комплекса являются наличие в буровом снаряде датчика скорости и применение для его использования экранированной токоведу-щей жилы грузонесущего кабеля (рис. 4, а).

Использование бездатчиковой системы управления по наблюдаемым параметрам позволит избавиться от указанного недостатка, а также позволит повысить надёжность и эффективность колебательного электропривода бурового снаряда (рис. 5). Наблюдаемыми параметрами будут ток и напряжение во вторичной обмотке трансформатора Т, значение которых снимается датчиками тока БТ и напряжения БУ соответственно (рис. 6).

Рис. 5. Бездатчиковая система управления авторезонансными колебаниями ротора вентильного электропривода динамически уравновешенного бурового снаряда

и

о

I,1

ф о

и'2 о

1—\-\-V"

Г,

2 л-

3 яу

2я\

Злу

2л

Зл-/

©

(«Г

4л

шГ

4л! (у/

\л

© ОА

и,; и'у

а

б

Рис. 6. Формы токов и напряжений при работе инвертора тока (а - на активную нагрузку: 1 - входной ток; 2 - первичные ток и напряжение; 3 - магнитный поток; 4 - приведенное вторичное напряжение; б - на активную нагрузку с противоЭДС: 1 - входной ток;

2 - токи первичный и вторичный; 3 - противоЭДС; 4 - напяжение

первичное и вторичное

Настройка системы управления выполняется при неподвижном (заклиненном) роторе и заданном во вторичной цепи постоянном (номинальном) токе установлением на потенциометре Я1 значения, при котором на-

185

пряжение на входе компаратора K будет равно нулю. При движении ротора это напряжение будет меняться, а компаратор будет выдавать управляющие импульсы, когда оно равно нулю. Такое состояние напряжений и токов наступает только при останове ротора в точках, в которых происходит переключение тиристоров VT1 и VT2 и изменение знака электромагнитного момента, т.е. выполняются условия резонансных соотношений независимо от технологической нагрузки и нелинейностей динамических параметров системы.

Работоспособность этой бездатчиковой системы управления авторезонансными колебаниями проверена на математической имитационной модели и физическом лабораторном макете.

Список литературы

1. Пат. 2488122 РФ. МПК G 01P №3/48. Бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора / Э.А. Загривный, А.Н. Фоменко, В.А. Иванник, Ю.А. Гаврилов, Н.С. Губарь. Опубл. 20.07.2013. Бюл. № 20. 8 с.

2. Пат. 2410826 РФ. МПК Н 02P №27/02. Способ возбуждения и регулирования авторезонансных колебаний в электроприводе возвратно-вращательного движения / Э.А. Загривный, Ю.А. Гаврилов. Опубл. 27.10.2008. Бюл. № 30. 7 с.

3. Пат. 2337225 РФ. МПК Н 02К №17/12. Электромеханический колонковый буровой снаряд / Э.А. Загривный, В.В. Рудаков, С.С. Стародед, Ю.А. Гаврилов. Опубл. 27.01.2011. Бюл. № 3. 10 с.

4. Пат. 2401503 РФ. МПК Н 02Р №25/02. Электропривод колебательного движения / Э.А. Загривный, С.С. Стародед, Ю.А. Гаврилов. Опубл. 10.10.2010. Бюл. № 28. 15 с.

5. Загривный Э.А., Губарь Н.С., Поддубный Д.А. Бесконтактный датчик скорости возвратно - вращательных движений ротора и области его применения // «Современные проблемы науки и образования» г. Саратов, 2013. №3. [Электронный ресурс] URL http://www.science-education.ru/109-9159. (дата обращения: 10.02.2016).

6. Загривный Э.А., Поддубный Д.А. Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесу-щем кабеле. // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин». Томск, 2014. С. 45 - 54.

7. Губарь Н.С. Электротехнический комплекс на основе динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения донных пород подледниковых водоемов: автореф. дис.... канд. техн. наук СПб., 2013. 22 с.

Загривный Эдуард Анатольевич, д-р техн. наук, проф., zagrivniy@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

Поддубный Дмитрий Александрович, асп., poddubniy.daayandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

DRILL AT A CARRYING CABLE WITH SENSERLESS CONTROL OF ELECTRC DRIVE WITH AUTORESONANT SWINGING MOVEMENT

E.A. Zagrivniy, D.A. Poddubniy

The article presents the structural and design diagrams of dynamically balanced drill on the carrying cable with electric drive of reciprocating rotary motion. Equation of electromagnetic torque of the submersible motor valve was shown. Functional diagram of the electric drive of reciprocating rotary motion was presented. Connection layout of submersible motor windings was introduced. Control law of autoresonant oscillations was stated. Electrical system based on dynamically balanced drill was proposed. Disadvantages of the speed sensor based control system were described. Algorithm of sensorless control was demonstrated.

Key words: electromechanical system, autoresoresonant system, drill, carrying cable, oscillations, sensorless control system.

Zagrivniy Eduard Anatolevich, doctor of technical sciences, professor, zagriv-niy@yandex.ru, Russia, St-Petersburg, National Mineral-resources University «Mining», St-Petersburg,

Poddubniy Dmitriy Aleksandrivich, postgraduate, poddubniy. daayandex. ru, Russia, St-Petersburg, National Mineral-resources University «Mining», St-Petersburg