Комбинированное торможение как способ повышения энергоэффективности электропривода буровой лебедки

УДК 621.316.719.3 ББК 31.291-04

С.А. ЁРОХОВ

КОМБИНИРОВАННОЕ ТОРМОЖЕНИЕ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВОЙ ЛЕБЕДКИ

Ключевые слова: способы торможения, электрическое торможение, рекуперативное торможение, устройство рекуперации электроэнергии, метод вычисления, активный выпрямитель, асинхронный двигатель, система управления.

В статье описаны существующие способы торможения асинхронных электродвигателей, проведено сравнение представленных способов. Предложен способ комбинированного торможения асинхронного электродвигателя в составе электропривода буровой лебедки. Приведен метод вычисления мощности рекуперации электроэнергии в сеть при осуществлении комбинированного торможения асинхронным электродвигателем. Представлена схема замещения асинхронного электродвигателя, осуществляющего комбинированное торможение. Приведена функциональная схема системы электропривода, содержащая в себе активный выпрямитель со своей системой управления, управляемый инвертор, блок выбора режимов работы буровой лебедки. Данная система электропривода позволяет осуществлять рекуперацию энергии в сеть при спуске колонны буровых труб, когда асинхронный электродвигатель работает в генераторном режиме. Обосновано применение активного выпрямителя в составе преобразователя частоты с целью повышения энергоэффективности системы электропривода.

В настоящее время наблюдается тенденция снижения мировой добычи нефти на традиционных месторождениях. По данным Economist Intelligence она составляет в процентном выражении около 2-6% в год. Более 75% месторождений нефти и газа на суше уже вовлечены в освоение. В связи с этим в России прогнозируется снижение добычи нефти в традиционном российском нефтяном регионе - Западной Сибири. На старых месторождениях добыча будет падать до 2020 г. в среднем на 1,7% в год [1]. В связи с этим перспективным является вопрос разработки морских месторождений нефти, большая часть которых расположена на территории арктического шельфа, при этом Российская Федерация в данной ситуации имеет преимущество, так как обладает наибольшей площадью континентального шельфа, содержащего около 20% запасов нефти и газа России [9].

В качестве средства освоения шельфа используются морские буровые платформы различных видов. Электроэнергетическая система буровых платформ является автономной, в качестве источников электроэнергии используются дизель-генераторы. В качестве основных потребителей выступают электроприводы технологического комплекса, такие как электропривод буровых насосов, лебедки, роторы, системы позиционирования, также потребителями электроэнергии выступают вспомогательные системы. Всё это создает боль-

шую нагрузку на систему электроснабжения. В связи с этим перспективными являются разработка структур и алгоритмов эффективного управления электроприводом технологического комплекса.

На морских буровых платформах и суднах в составе технологического комплекса для привода буровой лебедки используются электроприводы большой мощности. Причём электропривод буровой лебедки работает как в двигательном, так и в тормозном режиме. В первом случае происходит подъем буровой колонны, а во втором - опускание при поддержании определенной скорости. В связи с этим перспективным представляются разработки в области рекуперативного режима работы электропривода лебедки.

Ранее было рассмотрено и доказано, что электропривод на базе асинхронного двигателя является эффективным и экономичным при использовании его в качестве главного электродвигателя основных механизмов технологического комплекса [6].

Благодаря свойству обратимости электрической машины данный тип двигателя может работать и в качестве генератора. Асинхронный электродвигатель конструктивно прост, надежен, обладает высокими энергетическими показателями и невысокой стоимостью. В связи с этим применение асинхронных двигателей, работающих в генераторном режиме, весьма перспективно. Форма кривой напряжения на выходе у него ближе к синусоидальной по сравнению с таковой синхронного генератора при той же нагрузке [5]. Основным условием эффективного использования данного типа машин в качестве генераторов является обязательное наличие управляемых полупроводниковых ключей в составе выпрямителя. Однако в силу специфики работы судовой энергосистемы полная отдача энергии в сеть невозможна. Поэтому предлагается использовать комбинированное торможение.

Для начала рассмотрим существующие способы электрического торможения асинхронного электродвигателя. При данных способах кинетическая энергия, преобразованная в электрическую, отдается в сеть или рассеивается в окружающей среде путём нагрева сопротивлений. Торможение может осуществляться путём противовключения электродвигателя, рекуперации, динамическим или конденсаторным торможением.

Динамическое торможение заключается в отключении якоря от сети и подключении его к нагрузочному сопротивлению, в котором вся получаемая энергия торможения превращается в тепло. В связи с этим данный способ не является экономичным и эффективным, так как требует больших сопротивлений и переключателей, рассчитанных на большой ток и довольно громоздких [5].

Торможение путём противовключения асинхронного электродвигателя возможно только для машин с фазным ротором. Торможение электродвигателя происходит путём переключения обмоток двигателя таким образом, чтобы создаваемый вращающий момент действовал в обратном направлении. Недостатками данного способа являются трудность получения малых скоро-

стей при опускании груза и её значительные отклонения при изменении массы груза.

Конденсаторное торможение, или торможение самовозбуждением, является ещё одним способом торможения асинхронного электродвигателя с ко-роткозамкнутым ротором (АДКР). Данный тип торможения осуществляется путем подключения параллельно к обмоткам статора конденсаторов. Машина начинает работать как самовозбужденный асинхронный генератор.

Рекуперативное торможение часто используют в подъемно-транспортных механизмах при спуске тяжелых грузов. Груз, который опускается, развивает на валу машины отрицательный момент, и скорость становится n > n0. Тем самым машина переходит в режим рекуперативного торможения и создает тормозной момент на валу. Другими словами, рекуперативное торможение основано на свойстве обратимости электрических машин. При переходе асинхронного электродвигателя в режим рекуперативного торможения магнитное поле пересекает роторные проводники при n > n0 - в противоположном направлении. При этом ЭДС ротора изменяет свой знак на обратный. Энергия, полученная в результате торможения, возвращается в сеть или накапливается в аккумуляторах.

Метод вычисления мощности комбинированного торможения в электроприводе буровой лебедки. Для улучшения энергетических показателей электропривода целесообразно использовать не один определенный тип торможения, а комбинацию нескольких способов. Наиболее эффективным является использование рекуперативного и динамического способов торможения [8]. Произведем оценку мощности рекуперации при спуске буровой колонны асинхронным электродвигателем. Для нахождения мощности, отдаваемой в сеть в режиме рекуперации асинхронного электродвигателя, воспользуемся расчётом установившегося режима торможения по упрощенной схеме замещения электродвигателя, представленной на рис. 1. Влияние высших гармоник и потери мощности в инверторе и выпрямителе не учитываются. На рис. 1: Id - фазный ток статора, - ток намагничивания, 1Г - приведенный ток ротора; R'r, R^, Rn, Дд - активные сопротивления статора, ротора, контура намагничивания, преобразователя, динамического торможения, соответственно; хь х^., х^, хп - реактивное сопротивление статора, ротора, контура намагничивания, преобразователя, соответственно, Еп и /п - среднее значение ЭДС и тока преобразователя; /д - ток, образующийся в результате протекания через Дд; s - скольжение асинхронного электродвигателя.

При переходе асинхронного двигателя в генераторный режим работы сопротивление -j- в схеме замещения (рис. 1) становится отрицательным, что

связано с изменением знаков мощностей [2]. Следовательно, на эквивалент-

r'

ной схеме сопротивление можно заменить источником ЭДС. В таком случае эквивалентная схема примет вид, представленный на рис. 2.

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения асинхронного двигателя

Рис. 2. Эквивалентная схема замещения асинхронного двигателя в режиме комбинированного торможения

Согласно принятой схеме можно составить уравнение для нахождения мощности рекуперативного торможения асинхронного электродвигателя при комбинированном торможении:

Р = (Еп + 1п^п) •/п =

= -1'2 -I Д, +Дп +

д^Дп-СДд + я,^ Л | д^Оуд.)

Дд-Дц

Дд -Дц

. 2-(йд + Д„) / -Дп -(Дд + Д„Т»

/;2 -е 1+—^ •( я, +дп+-1 п 4 д ^

Дд ^ц

^ Дд + Дц йп -

Дд -Дц

Для облегчения записи введем следующие коэффициенты:

V / V V

2 •

ь = 1 + —„ д „ ^ • (дх + дп + 1 п 4 д ^

Ид- д^ \ V

с_ Дд + • Л + Дп •

Дд • д^ V йд •

В таком случае уравнение примет вид

Р = -(/;2 • а + Е • Ь + Е2 • с).

Реализация режима комбинированного торможения электропривода буровой лебедки в составе технологического комплекса морской буровой платформы. Для осуществления торможения с отдачей энергии в сеть необходимо в системе электропривода буровой лебедки использовать активный выпрямитель (АВ), так как он позволяет осуществлять поддержание коэффициента мощности близким к единице, а также осуществлять рекуперацию электроэнергии [4]. Помимо управляемого активного выпрямителя в систему электропривода также необходимо ввести блок режима работы буровой лебедки (БРБЛ). На рис. 3 представлена данная функциональная схема. На вход вычислителя координат (ВК) поступают найденные значения сетевых токов и напряжений, которые в дальнейшем преобразуются в систему координат, вращающуюся со скоростью и ориентированную по обобщенному вектору напряжения. Выходными сигналами ВК являются компоненты сетевого тока (/ж и /у), модуль вектора входного напряжения ивх и его скорость вращения шв.

Блок управления АВ (БУАВ) в соответствии с заданными управляющими воздействиями обеспечивает регулирование значения выпрямленного тока и реактивной составляющей сетевого тока 1у. Рассчитанные значения входных токов (1хгу и 1у2:г) поступают на вход обратного преобразователя координат (ОПК), который формирует значение необходимого тока в каждой из фаз для коммутации соответствующих полупроводниковых ключей при помощи схемы управления активным выпрямителем (СУАВ).

Измеренные значения тока и напряжений в каждой фазе на выходе АИН и значения иа,1а в звене постоянного тока поступают на вход БРБЛ, в котором на основании полученных величин вырабатывается управляющее воздействие для СУАИН (¿^,¿¿,1/) и задается необходимое значение напряжения и тока (Уаг^аг). Также БРБЛ управляет коммутацией ключа К в зависимости от режима работы буровой лебедки. СУАИН, в свою очередь, управляет полупроводниковыми ключами АИН. Ключ К необходим для реализации динамического торможения путём подключения сопротивления динамического торможения (СДТ).

Рис. 3. Функциональная схема комбинированного торможения

Сегодня наиболее разработанными и распространенными являются системы векторного и гистерезисного управления активным выпрямителем. Нельзя не отметить тот факт, что гистерезисная система проще в настройке, чем векторная, однако обладает худшими энергетическими показателями [7]. В связи с этим в качестве системы управления активным выпрямителем было выбрано векторное управление. Данное управление позволяет обеспечивать высокую электромагнитную совместимость, регулировать коэффициент мощности [3].

В векторной системе управления активным выпрямителем используется синхронная ортогональная система координат (х,у), ориентированная по вектору напряжения сети. Синтез регуляторов тока и выходного напряжения выпрямителя осуществлен при помощи подчиненного регулирования. Управление значением коэффициента мощности осуществляется заданием активной и реактивной составляющих входного тока (1а2,1уг). При 1уг = 0 выпрямитель обменивается с сетью только активной энергией.

Выводы. Комбинированное торможение позволяет более полно использовать буровую лебедку в режиме опускания груза, что, в свою очередь, положительно сказывается на эффективности всей буровой платформы. Предложенный метод вычисления мощности комбинированного торможения может быть использован при проектировании энергосистемы буровой платформы или установки, а также при разработке алгоритмов и систем управления электроприводом. Перспективными направлениями дальнейших исследований являются имитационное моделирование представленной системы и решение вопросов согласования режима работы дизель-генераторных установок и мощных электроприводов технологического комплекса морской буровой платформы при работе электропривода буровой лебедки в рекуперативном режиме.

Литература

1. Васильцова В.М. Проблемы освоения шельфовых месторождений нефти и газа // Записки Горного института. 2016. № 2. С. 345-350.

2. ВольдекА.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. 840 с.

3. Ёрохов С.А. Выбор способа обеспечения электромагнитной совместимости системы электропривода с автономным источником энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 8. С. 231-235.

4. Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Пивняк Г.Г., Саенко Ю.Л., Нойбергер Н.А. Электромагнитная совместимость потребителей. М.: Машиностроение, 2012. 351 с.

5. КацманМ.М. Электрический привод. М.: Академия, 2005. 384 с.

6. Козярук А.Е., Васильев Б.Ю. Методы и средства повышения энергоэффективности машин и технологий с асинхронными электроприводами // Вестник ЮУрГУ. 2015. Т. 15, № 1. С. 47-53.

7. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. СПб.: Питер, 2006. 336 с.

8. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Академия, 2004. 368 с.

9. Мочалов Р.А. Экономические аспекты освоения углеводородных ресурсов российского континентального шельфа // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 3, № 1. С. 32-38.

ЁРОХОВ СТАНИСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ - аспирант кафедры электроэнергетики и электромеханики, Санкт-Петербургский горный университет, Россия, Санкт-Петербург (Stanislav.Erokhov@zeppelin.com).

S. EROKHOV COMPOSITE BRAKING TO INCREASE ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRIC DRIVE OF DRAWWORKS WINCH

Key words: braking methods, electric braking, regenerative braking, electric energy recovery device, calculation method, active rectifier, asynchronous motor, control system.

The article describes the existing methods of braking asynchronous electric motors, a comparison of the presented methods is carried out. It proposes the method of the composite braking of an asynchronous electric motor as part of an electric drawworks winch drive. The article gives the method of calculating the power of recovery of electricity into the network in the implementation of the combined braking asynchronous electric motor. The equivalent circuit of the asynchronous electric motor performing the combined braking is presented. A functional diagram of the electric drive system, containing an active rectifier with its control system, a controlled inverter, and a unit for selecting the operating modes of the drawworks, is shown. This electric drive system allows energy recovery to the network during the descent of the drill pipe string, when the asynchronous electric motor operates in generator mode. The use of an active rectifier as part of a frequency converter to improve the energy efficiency of the electric drive system is substantiated.

References

1. Vasil'tsova V.M. Problemy osvoeniya shel'fovykh mestorozhdenii nefti i gaza [Problems of offshore oil and gas fields development]. Zapiski Gornogo instituta, 2016, no. 2, pp. 345-350.

2. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny. St. Petersburg, Energiya Publ., 1974, 840 p.

3. Erohov S.A. Vybor sposoba obespecheniya elektromagnitnoi sovmestimosti sistemy elektroprivoda s avtonomnym istochnikom energii [Selection of a method for ensuring electromagnetic compatibility of the electric drive system with an autonomous energy source]. Gornyjinformatsionno-analiticheskii byulleten' [Mining Informational and Analytical Bulletin], 2017, no. 8, pp. 231-235.

4. Zhezhelenko I.V., Shidlovskii A.K., Pivnyak G.G., Saenko Yu.L., Noiberger N.A. Elektromagnitnaya sovmestimost' potrebitelei [Electromagnetic compatibility of consumers]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2012, 351 p.

5. Katsman M.M. Elektricheskii privod [Electric drive]. Moscow, Akademiya Publ., 2005, 384 p.

6. Kozyaruk A.E., Vasil'ev B.Yu. Metody i sredstvapovysheniya energoehffektivnosti mashin i tekhnologijs asinhronnymi elektroprivodami [Methods and means of increasing energy efficiency of machines and technologies with asynchronous electric drives]. Vestnik YUUrGU, 2015, vol. 15, no. 1, pp. 47-53.

7. Miroshnik I. V. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya. Nelinejnye i optimal'nye sistemy [Automatic control theory. Nonlinear and optimal systems]. St. Petersburg, Piter ubl., 2006, 336 p.

8. Moskalenko V.V. Elektricheskijprivod [Electric drive]. Moscow, Akademiya Publ., 2004, 368 p.

9. Mochalov R.A. Ekonomicheskie aspekty osvoeniya uglevodorodnyh resursov rossijskogo kontinental'nogo shel'fa [Economic aspects of development of hydrocarbon resources of the Russian continental shelf]. Interehkspo Geo-Sibir', 2014, vol. 3, no. 1, pp. 32-38.

EROKHOV STANISLAV - Post-Graduate Student of Electricity and Electrical Engineers Department, St. Petersburg Mining University, Russia, St. Petersburg (Stanislav.Erokhov@zeppelin.com).

Формат цитирования: Ёрохов С.А. Комбинированное торможение как способ повышения энергоэффективности электропривода буровой лебедки // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 1. - С. 31-38.