Введение к работе
Актуальность работы. Известные электромеханические буровые снаряды на грузонесущем кабеле нашли широкое применение для бурения ледников. При бурении слабосвязанных пород и интервалов с кавернами эти снаряды становятся неработоспособными из-за потери способности компенсировать реактивный момент, возникающий при работе бурового снаряда на забое.
Разработанным, запатентованным и изготовленным в СПГГИ (ТУ) традиционным электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле достигнуты наивысшие мировые результаты при бурении ледника в Антарктиде на станции Восток (в феврале 2011 года глубина скважины 5Г составила 3720 м). Используемые за рубежом для тех же целей буровые снаряды на грузонесущем кабеле принципиально не отличаются от указанного.
Динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) с электроприводом возвратно-вращательного движения (ВВД), разрабатываемые в СПГГИ(ТУ), не требуют применения редукторов и распорных устройств. Они могут быть использованы для очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, вскрытия продуктивных пластов, бурения в шельфовых зонах с бортов неспециализированных судов и взятия проб донных отложений морей и океанов, а также для решения важной научно-технической и престижной для СПГГИ(ТУ) и РФ задач взятия донных проб подледникового озера Восток в Антарктиде.
Одним из актуальных вопросов, не рассмотренных ранее, является исследование возможности применения авторезонансного частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода для ДУБС с ВВД на базе серийно выпускаемого погружного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, решению которого и посвящена настоящая работа.
Работа базируется на результатах исследований авторов в областях технологий бурения скважин, теоретической механики, электромеханики, теории колебаний и частотно-регулируемого электропривода: Асташева В.К., Блехмана И.И., Бобина Н.Е., Вайсберга Л.А., Васильева Н.И., Емельянова А.П., Загривного Э.А., Козярука А.Е, Кудряшова Б.Б., Луковникова В.И., Мандельштама Л.И., Нагаева Р.Ф., Пронина М.В., Рудакова В.В., Соколовского Г.Г., Тимошенко С.П., Усольцева А.А., Шестакова В.М., Яблонского А.А и др.
Цель работы – разработка авторезонансного частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле для очистки призабойных зон нефтяных и газовых скважин, а также взятия донных проб морей, океанов и подледникового озера Восток в Антарктиде.
Задачи исследования включают разработку:
-
Расчетной модели электромеханической системы динамически уравновешенного бурового снаряда возвратно-вращательного движения на грузонесущем кабеле.
-
Математической модели ДУБС с ВВД на грузонесущем кабеле.
-
Имитационной компьютерной модели ДУБС с ВВД на грузонесущем кабеле.
-
Алгоритма, обеспечивающего авторезонансный колебательный режим работы частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода ДУБС с заданной линейной скоростью движения буровой коронки.
-
Методики определения основных параметров ДУБС ВВД на грузонесущем кабеле.
-
Лабораторного экспериментального стенда для исследования авторезонансного электропривода ВВД.
Идея работы. Авторезонансный режим колебаний буровой коронки динамически уравновешенного бурового снаряда на основе частотно-регулируемого асинхронного бездатчикового электропривода возвратно-вращательного движения следует реализовывать путем реверсирования электромагнитного момента синфазно со скоростью в точках её нулевого значения и стабилизации амплитуды колебаний по данным, вычисленным в наблюдателе координат.
Научная новизна:
1. Обоснованно возбуждение авторезонансных колебаний бездатчикового асинхронного электропривода возвратно-вращательного движения путем реверсирования электромагнитного момента в точках нулевого значения вычисленной угловой скорости.
2. Получена аналитическая зависимость требуемого управляющего воздействия для стабилизации амплитуды резонансных колебаний, определяемого произведением электромагнитного момента на предыдущем полупериоде и отношения амплитудных значений угловых скоростей заданного к вычисленному на предыдущем полупериоде колебаний.
3. Получен метод определения коэффициента эквивалентного вязкого трения на буровом снаряде в режиме резонансных колебаний, определяемый отношением амплитудных значений электромагнитного момента и угловой скорости, вычисленной на текущем полупериоде в наблюдателе координат.
Защищаемые положения:
1. Авторезонансный режим частотно-регулируемого бездатчикового асинхронного электропривода возвратно-вращательного движения обеспечивается изменением знака электромагнитного момента электродвигателя синфазно угловой скорости в точках перехода ее через нулевое значение, вычисленной в наблюдателе координат.
2. Для стабилизации амплитуды авторезонансных колебаний ротора необходимо и достаточно в течение каждого полупериода формировать электромагнитный момент асинхронного двигателя, определяемый произведением вычисленного на предыдущем полупериоде коэффициента эквивалентного вязкого трения и заданного значения угловой скорости.
Методы исследований. Теоретические исследования, имитационное моделирование электромеханической системы с использованием пакета MATLAB, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы макета на лабораторном стенде с помощью аппаратно-программного комплекса на базе платы АЦП/ЦАП L-CARD E14-140-M и программы LGraph2, анализ полученных результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической механики, теории колебаний, электромеханики и электрических машин, теории автоматизированного электропривода, методов компьютерного моделирования и сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (90-95%).
Научная ценность результатов исследования заключается в разработке:
1. Имитационной модели электромеханической системы ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе погружного асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутым ротором и преобразователем частоты с векторным и алгоритмами прямого управления моментом и стабилизации заданной амплитуды колебаний.
2. Алгоритма вычисления электромагнитного момента частотно-регулируемого асинхронного электропривода для получения авторезонансных колебаний ротора ДУБС с заданной амплитудой угловой скорости.
Практическая значимость работы заключается в разработке:
1. Электромеханического колонкового бурового снаряда, в котором в качестве упругого элемента используется пружина кручения, защищенного патентом РФ №95728.
2. Экспериментального стенда, имитирующего работу ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты с алгоритмом прямого управления моментом, а также системой управления, выполненной на контроллере, с нагрузкой в виде ЭД постоянного тока.
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на Международной конференции «Инновации в геофизических исследованиях, геологии и металлургии», Фрайберг, Германия, 2010 г., ежегодных конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) в 2007-2009 гг, на научных семинарах кафедры электротехники и электромеханики СПГГИ (ТУ), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXVI Неделя науки СПбГПУ» 2008 г,
Личный вклад автора:
1.Разработана конструктивная схема динамически уравновешенного бурового снаряда возвратно-вращательного движения на грузонесущем кабеле с пружиной кручения (Пат. РФ №95728).
2. Разработана имитационная модель электромеханической системы ДУБС с авторезонансным частотно-регулируемым асинхронным бездатчиковым электроприводом возвратно-вращательного движения.
3. Разработан алгоритм стабилизации амплитуды авторезонансных колебаний ЭМС ДУБС.
4. Создан экспериментальный лабораторный стенд для исследования авторезонансного частотно-регулируемого асинхронного электропривода ВВД с алгоритмом прямого управления моментом.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение РФ, а также получено положительное решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, содержит 63 рисунка и 20 таблиц. Общий объем работы – 119 страниц.
Похожие диссертации на Авторезонансный асинхронный бездатчиковый электропривод возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле
