Моделирование электропривода постоянного тока буровой установки
ART 85070
Б.
А. ПерминовБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Перминов
Б.
А.,
Перминов
В.
Б.,
Чумакова
Н.
В.,
Ягубов
З.
Х.,
Ягубов
Э.
З. Моделирование электропривода постоянного тока буровой установки // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
346–350. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85070.htm.
Аннотация. Проведены исследования модели электропривода постоянного тока с нагрузкой типа колонна бурильных труб в различных режимах. Определены критические значения параметров нагрузок и режимов работы. Проанализированы свойства вариационного измерителя диагностических составляющих крутящего момента применительно к буровой установке.
Ключевые слова:
реверс, моделирование электропривода, режимы работы нагрузки, стопорение, пуск, динамический измеритель
Текст статьи
Перминов Борис Алексеевич,кандидат технических наук, доцент, Российская открытая академия транспорта МИИТ, г. Ухтаboris.perminoff2013@yandex.ru
Перминов Виктор Борисович,кандидат технических наук, заместитель начальник отдела ООО «Газпром трансгазУхта», г. Ухтаvperminov@sgp.gazprom.ru
Ягубов Зафар Хангусейн оглы,доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
zav_eatp@ugtu.net
Ягубов Эмин Зафар оглы,доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаeyagubov@ugtu.net
Чумакова Наталия Владимировна, магистрант, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаnchumakova@ugtu.net
Моделирование электропривода постоянного тока буровой установки.
Аннотация. Проведены исследования модели электроприводапостоянного тока с нагрузкой типа колонна бурильных труб в различных режимах. Определены критические значения параметров нагрузок и режимов работы. Проанализированы свойства вариационногоизмерителя диагностических составляющих крутящего момента применительно к буровой установке.Ключевые слова: моделирование электропривода, режимы работы нагрузки, стопорение, реверс, пуск, динамический измеритель.
Полная модель привода роторного стана должна состоять из трех составляющих;•динамической модели электродвигателя постоянного тока ДПТ с независимым возбуждением;•динамической модели передаточного механизма цепные передачи; редукторы и т.д.;•динамической модели рабочего органа, т.е. колонны бурильных труб с породоразрушающим инструментом.Модель электродвигателя должна обеспечивать описание электромеханических процессов в электрической машине в соответствии с передаточными функциями[1]:
(1)
(2)
(3)Где передаточная функция двигателя при работе в первой зоне с постоянным напряжение возбуждения Uв.Uяякорное напряжение
угловая скорость вала машины
передаточная функция двигателя при работе во второй зоне с постоянным якорным напряжениемМермомент нагрузки
Более того, модель ДПТ должна обеспечивать вычисление переходных процессов вида:
(4)
Моделирование процессов в системе электропривода производилось с использованием пакета PS "Проектирование динамических систем"для персональных ЭВМ 2.Моделирование выполнялось на основе полной структурной схемы электропривода с учетом упругих связей рис. 1 для каждого режима составлены модели, записанные в следующие файлы:• Bur. pds модель электропривода с учетом упругих связей по рисунку 1.
Рис.1. Структурная схема исследования на модели электропривода и датчика момента.
•Bur 1. pds режим пуска под нагрузкой в течении 5 с и последующего стопорения бура 2 ф при коэффициенте вязкого трения 1фф;•Bur 2. pds режим пуска под нагрузкой 5 с и последующего стопорения бура 2 0 при = 11;•Bur 3. pds режим пуска 5 с, реверса 5 с и торможения под нагрузкой;•Bur 4. pds исследование контрура тока;•Bur 5. pds определение логарифмического декремента затухания при скручивании вала приложение встречных моментов двигателя Ml и нагрузки М2 в течении 3 с и последующего освобождения вала;•Bur 6. pds моделированиепроцесса на выходе датчика M11, предложенного заказчиком при пуске электропривода;•Bur 61. pds пуск, реверс и торможение с датчиком.
Проанализируем результаты моделирования основных режимов работы электропривода. На рисунке 2 приведены осцилограммыизменений тока и электромагнитного момента в режиме короткого замыкания. Такой режим имеет место при наладке настройке уровня токоограничения стопорный ток при снятии возбуждения и подаче на вход системы скачкообразного сигнала задания. Из рисунка видно, что изменение тока и момента отвечаюттребованиям настройки на технический оптимум при 5% перерегулировании. Уровень токоограничения соответствует расчетному значению.Убедившись в нормальном функционировании контура тока переходим к анализу электромеханической системы электропривода в целом. Для этого необходимо настроить демпфирование механической части системы на уровень у 0,3. Тогда к упругим массам прикладываем внешние моменты. Происходит закручивание валопроводов с коэффициентом жесткости С12в которой запасается потенциональная энергия. После снятия внешних моментов идет колебательный процесс с обменом потенциональной и кинетической энергиейзапасенной в массах J1и J2. Колебания упругого момента М12затухают за счет наличиясил вязкого трения которые оцениваются . Осциллограмма данного режима приведена на рисунке 3. Из осциллгораммы видно, что колебания упругого момента М12, аследовательно, и скоростей упруго связанных масс затухают с у 0,3. Частота колебаний рблизка к частоте собственных колебаний механической системы 12 [6].
Рис. 2. Переходные режимы работы контура тока электропривода
Убедившись в правильности работы механической части системы приступаем к моделированию электромеханической системы в целом. На рисунке 2 приведена осциллограмма отражающая процессы пуска, реверса и торможения электропривода при нагрузке на валу рабочего, органа равной номинальной нагрузке двигателя. Изменение скорости электропривода сопровождается колебаниями скоростей упруго связанных масс и упругого момента между первой и второй массами. В результате динамические нагрузки превышают среднюю, так при пускеКдин= M12тах/Mсрсоставляет 1,16 при реверсе 1,3. Однако, превышение ихневелико. Более значительные колебания имеет скорость второй массы . Колебание скорости вала двигателя незначительны. Это связано с тем, что момент инерции валадвигателя гораздо больше приведенного момента инерцииколонна труб рабочий орган J1» J2. Вследствии этого демпфирующие свойства электропривода проявляются слабо, поскольку он не вовлекается в колебательный процесс. Около большой массы вала двигателя колеблется малая масса колонны труб и рабочего органа. Поэтому демпфирование колебаний электроприводомослаблено и определяется в основном механическим демпфированием за счет сил вязкого трения 7.
Рис. 4. Осциллограммы опыта оценки логарифмического декремента в механической системе
Рис.5. Осциллограмма переходных процессов реверса и торможения
Рис.6. Осциллограмма режима внезапного стопорения рабочего органа
Рис. 7. Осциллограмма отражающая работу датчика момента в режиме пуска электропривода.
Рис. 8. Осциллограмма отражающая работу датчика моментав режимах пуска, 1 реверса, торможения.
Переходные процессы имеют хорошее качество практически при отсутствии перерегулирования в кривой скорости при высоком быстродействии. Время пуска на установившуюся скорость составляет 2,5 с., а время реверса 4 с.Рассмотрим динамические нагрузки при внезапном заклинивании рабочего органа иработе привода на установившейся скорости до момента заклинивания. Осциллограмма отражающая процесс стопорения приведена на рисунке6.Как видно из рисунка процессстопорения сопровождается большими значениями колебаний скорости , момента в упругой связи М12и электромагнитного момента двигателя М1в несколько раз превышающие стопорные значения. Так М12в 4,2 раза, М1в 3,5 раза превышают стопорные значения. Такие величины моментов опасны не только для механического оборудования но и для двигателя и тиристорного преобразователя.Поэтому для исключения недопустимых моментов необходимо применять системы автоматического регулирования электропривода, обеспечивающие снижение динамических нагрузок в указанных режимах работы.На модели исследовались особенности работы динамического канала измерения момента в различных режимах работы электропривода. На рисунке 7 приведена осциллограмма отражающая работу датчика момента в режиме пуска, а на рисунке8его работу в режимах пуска, реверса, торможения электроприводу [3].Анализ сравнительных зависимостей электромагнитного момента двигателя М1и момента в упругой связи с моментом на выходе датчика момента М11показывает, что датчик не дает правильной информации как об электромагнитном моменте двигателя так и моменте в упругой связи 4. Он дает приближенную информацию о суммарном моменте на валу двигателя.
М2 М1–М12 Мс
(5)
При нулевой скорости привода выход датчика[57]при делении на нулевую скорость дает неопределенный результат, а короче говоря не отражает величину электромагнитного и суммарного момента в режимах стопорения.Завышенные показания суммарного момента с датчика объясняются тем, что датчик производит измерение полной мощности потребленной с выхода тиристорного преобразователя, которая включает в себя электрические и механические потери не участвующие в создании электромагнитного момента. Сказанное в первом приближении можно пояснить исходя из следующих соображений.Уравнение электрического равновесия якорной цепи имеет вид:
(6)
гденапряжение на выходе преобразователя; ток якорной цепи; противо ЭДС двигателя; сопротивление и индуктивность.
Помножив левую и правую часть уравнения электрического равновесия якорной цепи получим:
(7)
(8)
где мощность потребляемая двигателем из сети; мощность мелковых потерь в тиристорном преобразователеи двигателе; электромагнитная мощность запасаемая в индуктивностях силовой цели; электромагнитная мощность на валу двигателя; механические потери мощности в двигателе.
Следовательно, датчик помимо электромагнитной мощности учитывает потери мощности накапливаемой и отдаваемой индуктивностями силовой цепи и механические потери вдвигателе.Используемые фильтры имеют достаточнуючастоту пропускания для полной формативностивыходного сигнала датчика.Достоинства датчика:
учет скорости двигателя, отражающей упругие связи в системе электропривода;
использование фильтров позволяет получить чистый сглаженный сигнал на выходе датчика.
Ссылки на источники1.Быков И.Ю., ЗаикинС.Ф., Перминов Б.А.Дифференциальнаявариационная структура измерителя крутящего момента на валу электродвигателя буровых установок // инженер нефтяник–М.: «АИДИЭс Дриллинг», 2011.№2 с. 3336.2.Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А., Перминов В.Б.,Возможность использования динамических состовляющих параметров крутящего моментадля управления процессом углубления скважины // инженер нефтяник
М.: «АИДИЭс Дриллинг», 2014.№3 с. 2022
3.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валуасинхронного электродвигателя//патент SU1794243.4.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валуасинхронного электродвигателя//патент SU1747963.5.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя// патент SU 1742653.6.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя // патент SU 1732197.7.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу // патент SU 1695157.
Перминов Виктор Борисович,кандидат технических наук, заместитель начальник отдела ООО «Газпром трансгазУхта», г. Ухтаvperminov@sgp.gazprom.ru
Ягубов Зафар Хангусейн оглы,доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
zav_eatp@ugtu.net
Ягубов Эмин Зафар оглы,доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаeyagubov@ugtu.net
Чумакова Наталия Владимировна, магистрант, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухтаnchumakova@ugtu.net
Моделирование электропривода постоянного тока буровой установки.
Аннотация. Проведены исследования модели электроприводапостоянного тока с нагрузкой типа колонна бурильных труб в различных режимах. Определены критические значения параметров нагрузок и режимов работы. Проанализированы свойства вариационногоизмерителя диагностических составляющих крутящего момента применительно к буровой установке.Ключевые слова: моделирование электропривода, режимы работы нагрузки, стопорение, реверс, пуск, динамический измеритель.
Полная модель привода роторного стана должна состоять из трех составляющих;•динамической модели электродвигателя постоянного тока ДПТ с независимым возбуждением;•динамической модели передаточного механизма цепные передачи; редукторы и т.д.;•динамической модели рабочего органа, т.е. колонны бурильных труб с породоразрушающим инструментом.Модель электродвигателя должна обеспечивать описание электромеханических процессов в электрической машине в соответствии с передаточными функциями[1]:
(1)
(2)
(3)Где передаточная функция двигателя при работе в первой зоне с постоянным напряжение возбуждения Uв.Uяякорное напряжение
угловая скорость вала машины
передаточная функция двигателя при работе во второй зоне с постоянным якорным напряжениемМермомент нагрузки
Более того, модель ДПТ должна обеспечивать вычисление переходных процессов вида:
(4)
Моделирование процессов в системе электропривода производилось с использованием пакета PS "Проектирование динамических систем"для персональных ЭВМ 2.Моделирование выполнялось на основе полной структурной схемы электропривода с учетом упругих связей рис. 1 для каждого режима составлены модели, записанные в следующие файлы:• Bur. pds модель электропривода с учетом упругих связей по рисунку 1.
Рис.1. Структурная схема исследования на модели электропривода и датчика момента.
•Bur 1. pds режим пуска под нагрузкой в течении 5 с и последующего стопорения бура 2 ф при коэффициенте вязкого трения 1фф;•Bur 2. pds режим пуска под нагрузкой 5 с и последующего стопорения бура 2 0 при = 11;•Bur 3. pds режим пуска 5 с, реверса 5 с и торможения под нагрузкой;•Bur 4. pds исследование контрура тока;•Bur 5. pds определение логарифмического декремента затухания при скручивании вала приложение встречных моментов двигателя Ml и нагрузки М2 в течении 3 с и последующего освобождения вала;•Bur 6. pds моделированиепроцесса на выходе датчика M11, предложенного заказчиком при пуске электропривода;•Bur 61. pds пуск, реверс и торможение с датчиком.
Проанализируем результаты моделирования основных режимов работы электропривода. На рисунке 2 приведены осцилограммыизменений тока и электромагнитного момента в режиме короткого замыкания. Такой режим имеет место при наладке настройке уровня токоограничения стопорный ток при снятии возбуждения и подаче на вход системы скачкообразного сигнала задания. Из рисунка видно, что изменение тока и момента отвечаюттребованиям настройки на технический оптимум при 5% перерегулировании. Уровень токоограничения соответствует расчетному значению.Убедившись в нормальном функционировании контура тока переходим к анализу электромеханической системы электропривода в целом. Для этого необходимо настроить демпфирование механической части системы на уровень у 0,3. Тогда к упругим массам прикладываем внешние моменты. Происходит закручивание валопроводов с коэффициентом жесткости С12в которой запасается потенциональная энергия. После снятия внешних моментов идет колебательный процесс с обменом потенциональной и кинетической энергиейзапасенной в массах J1и J2. Колебания упругого момента М12затухают за счет наличиясил вязкого трения которые оцениваются . Осциллограмма данного режима приведена на рисунке 3. Из осциллгораммы видно, что колебания упругого момента М12, аследовательно, и скоростей упруго связанных масс затухают с у 0,3. Частота колебаний рблизка к частоте собственных колебаний механической системы 12 [6].
Рис. 2. Переходные режимы работы контура тока электропривода
Убедившись в правильности работы механической части системы приступаем к моделированию электромеханической системы в целом. На рисунке 2 приведена осциллограмма отражающая процессы пуска, реверса и торможения электропривода при нагрузке на валу рабочего, органа равной номинальной нагрузке двигателя. Изменение скорости электропривода сопровождается колебаниями скоростей упруго связанных масс и упругого момента между первой и второй массами. В результате динамические нагрузки превышают среднюю, так при пускеКдин= M12тах/Mсрсоставляет 1,16 при реверсе 1,3. Однако, превышение ихневелико. Более значительные колебания имеет скорость второй массы . Колебание скорости вала двигателя незначительны. Это связано с тем, что момент инерции валадвигателя гораздо больше приведенного момента инерцииколонна труб рабочий орган J1» J2. Вследствии этого демпфирующие свойства электропривода проявляются слабо, поскольку он не вовлекается в колебательный процесс. Около большой массы вала двигателя колеблется малая масса колонны труб и рабочего органа. Поэтому демпфирование колебаний электроприводомослаблено и определяется в основном механическим демпфированием за счет сил вязкого трения 7.
Рис. 4. Осциллограммы опыта оценки логарифмического декремента в механической системе
Рис.5. Осциллограмма переходных процессов реверса и торможения
Рис.6. Осциллограмма режима внезапного стопорения рабочего органа
Рис. 7. Осциллограмма отражающая работу датчика момента в режиме пуска электропривода.
Рис. 8. Осциллограмма отражающая работу датчика моментав режимах пуска, 1 реверса, торможения.
Переходные процессы имеют хорошее качество практически при отсутствии перерегулирования в кривой скорости при высоком быстродействии. Время пуска на установившуюся скорость составляет 2,5 с., а время реверса 4 с.Рассмотрим динамические нагрузки при внезапном заклинивании рабочего органа иработе привода на установившейся скорости до момента заклинивания. Осциллограмма отражающая процесс стопорения приведена на рисунке6.Как видно из рисунка процессстопорения сопровождается большими значениями колебаний скорости , момента в упругой связи М12и электромагнитного момента двигателя М1в несколько раз превышающие стопорные значения. Так М12в 4,2 раза, М1в 3,5 раза превышают стопорные значения. Такие величины моментов опасны не только для механического оборудования но и для двигателя и тиристорного преобразователя.Поэтому для исключения недопустимых моментов необходимо применять системы автоматического регулирования электропривода, обеспечивающие снижение динамических нагрузок в указанных режимах работы.На модели исследовались особенности работы динамического канала измерения момента в различных режимах работы электропривода. На рисунке 7 приведена осциллограмма отражающая работу датчика момента в режиме пуска, а на рисунке8его работу в режимах пуска, реверса, торможения электроприводу [3].Анализ сравнительных зависимостей электромагнитного момента двигателя М1и момента в упругой связи с моментом на выходе датчика момента М11показывает, что датчик не дает правильной информации как об электромагнитном моменте двигателя так и моменте в упругой связи 4. Он дает приближенную информацию о суммарном моменте на валу двигателя.
М2 М1–М12 Мс
(5)
При нулевой скорости привода выход датчика[57]при делении на нулевую скорость дает неопределенный результат, а короче говоря не отражает величину электромагнитного и суммарного момента в режимах стопорения.Завышенные показания суммарного момента с датчика объясняются тем, что датчик производит измерение полной мощности потребленной с выхода тиристорного преобразователя, которая включает в себя электрические и механические потери не участвующие в создании электромагнитного момента. Сказанное в первом приближении можно пояснить исходя из следующих соображений.Уравнение электрического равновесия якорной цепи имеет вид:
(6)
гденапряжение на выходе преобразователя; ток якорной цепи; противо ЭДС двигателя; сопротивление и индуктивность.
Помножив левую и правую часть уравнения электрического равновесия якорной цепи получим:
(7)
(8)
где мощность потребляемая двигателем из сети; мощность мелковых потерь в тиристорном преобразователеи двигателе; электромагнитная мощность запасаемая в индуктивностях силовой цели; электромагнитная мощность на валу двигателя; механические потери мощности в двигателе.
Следовательно, датчик помимо электромагнитной мощности учитывает потери мощности накапливаемой и отдаваемой индуктивностями силовой цепи и механические потери вдвигателе.Используемые фильтры имеют достаточнуючастоту пропускания для полной формативностивыходного сигнала датчика.Достоинства датчика:
учет скорости двигателя, отражающей упругие связи в системе электропривода;
использование фильтров позволяет получить чистый сглаженный сигнал на выходе датчика.
Ссылки на источники1.Быков И.Ю., ЗаикинС.Ф., Перминов Б.А.Дифференциальнаявариационная структура измерителя крутящего момента на валу электродвигателя буровых установок // инженер нефтяник–М.: «АИДИЭс Дриллинг», 2011.№2 с. 3336.2.Быков И.Ю., Заикин С.Ф., Перминов Б.А., Перминов В.Б.,Возможность использования динамических состовляющих параметров крутящего моментадля управления процессом углубления скважины // инженер нефтяник
М.: «АИДИЭс Дриллинг», 2014.№3 с. 2022
3.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валуасинхронного электродвигателя//патент SU1794243.4.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валуасинхронного электродвигателя//патент SU1747963.5.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя// патент SU 1742653.6.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя // патент SU 1732197.7.Перминов Б.А., Перминов В.Б., Устройство для измерения крутящего момента на валу // патент SU 1695157.
