Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА.1. Современное состояние электромеханических колебательных систем возвратно-вращательного движения и буровых снарядов на грузонесущем кабеле 8
1.1. Области применения буровых снарядов 8
1.2. Погружные электродвигатели 12
1.3. Грузонесущие кабели 17
1.4. Морское бурение 20
1.5. Теоретические исследования процессов в ЭМС ДУБС в ранее выполненных работах 23
Выводы к первой главе 29
Цели и задачи исследования 30
ГЛАВА 2. Теоретические исследования авторезонансной электромеханической системы возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда 32
2.1. Предварительные замечания 32
2.2. Конструктивная и расчетная схемы ДУБС 33
2.3. Математическая модель электромеханической системы ДУБС 35
2.4. Представление действующих нагрузок ДУБС 38
2.5. Формирование электромагнитного момента в электроприводе ДУБС тремя обмотками электродвигателя 41
2.5.1. В симметричном режиме работы 41
2.5.2. В несимметричном режиме работы 43
2.6. Методика определения параметров пружины кручения для ДУБС 46
2.7. Методика оценки скорости вращательного движения ДУБС вокруг своей оси 48 2.8. Пример определения основных параметров динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле 53
2.9. Пример расчета скорости вращательного движения ДУБС вокруг своей оси 58
2.10. Пример определения параметров пружины кручения 60
2.11. Донная устьевая платформа 62
ГЛАВА 3. Имитационное моделирование режимов работы динамически уравновешенного бурового снаряда 65
3.1. Имитационная модель для исследования резонансных автоколебаний электромеханической системы ДУБС 65
3.2. Моделирование электромеханической системы ДУБС со случайной нагрузкой на буровой коронке 69
3.3. Вычисление работ диссипативных и вынуждающих сил в электромеханической системе 72
3.4. Моделирование вынужденных колебаний в электромеханической системе 74
3.4.1. Моделирование симметричного режима работы ЭМС ДУБС 74
3.4.2. Моделирование несимметричного режима работы ЭМС ДУБС 76
3.5. Моделирование анормальных и аварийных режимов работы ДУБС 78
Выводы к третьей главе 81
ГЛАВА 4. Лабораторные экспериментальные исследования электропривода возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда 83
4.1. Экспериментальная установка 83
4.1.1. Электродвигатель 85
4.1.2. Датчик скорости 87
4.1.3. Упругий элемент 88
4.1.4. Датчик тока 89
4.1.5. Датчик напряжения 90
4.1.6. Внешний модуль ввода-вывода 91
4.1.7. Генератор импульсов 92
4.1.8. Источники питания системы управления 94
4.1.9. Лабораторный автотрансформатор 95
4.1.10. Компаратор 95
4.1.11. Усилитель мощности 96
4.2. Принципиальная схема лабораторной экспериментальной установки 97
4.3. Лабораторный экспериментальный электропривод возвратно-вращательного движения 98
4.3.1. Источник питания 98
4.3.2. Разомкнутая система управления авторезонансным электроприводом ДУБС в несимметричном режиме 100
4.3.3. Замкнутая система управления авторезонансным электроприводом ДУБС в несимметричном режиме 104
4.3.4. Блок управления 106
4.4. Экспериментальное определение электромагнитного момента электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором при формировании электромагнитного момента тремя обмотками 108
Выводы к четвёртой главе 111
Заключение 113
Список литературы
- Погружные электродвигатели
- Математическая модель электромеханической системы ДУБС
- Моделирование электромеханической системы ДУБС со случайной нагрузкой на буровой коронке
- Внешний модуль ввода-вывода
Введение к работе
Актуальность работы. 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 электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле, разработанного в СПГГИ (ТУ) и запатентованного в РФ, позволило получить наивысшие мировые результаты при бурении в Антарктиде на станции Восток (3720 м по данным на февраль 2011 г.). Электромеханические буровые снаряды, разработанные в США, Дании, Франции и Японии принципиально не отличаются от разработанного в РФ.
В отличие от традиционных, разрабатываемые в СПГГИ (ТУ) и запатентованные в РФ динамически уравновешенные буровые снаряды (ДУБС) не требуют применения бурильной колонны, редуктора и распорных устройств и могут применяться для взятия проб донных отложений 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, что для традиционных недостижимо. В литературных источниках работ по ДУБС не обнаружено.
Одним из актуальных вопросов при создании ДУБС с авторезонансным электроприводом возвратно-вращательного движения (ВВД) является обоснование рациональных режимов работы ДУБС с авторезонансным электроприводом ВВД, решению которого и посвящена настоящая работа.
Работа базируется на результатах исследований Блехмана И.И., Бобина Н.Е., Богданова А.А., Вайсберга Л.А., Васильева Н.И., Горшкова Л.К., Загривного Э.А., Кудряшова Б.Б., Луковникова В.И., Нагаева Р.Ф., Чистякова В.К, Тимошенко С.П., Усольцева А.А., Усынина Ю.С., Фоменко Ф.Н., Шестакова В.М. и др.
Цель работы – разработка резонансного автоколебательного электропривода для реализации возвратно-вращательного (симметричный режим) и сложного вращательного и возвратно-вращательного (несимметричный режим) движений буровой коронки для расширения технологических возможностей применения ДУБС.
Задачи исследования включают разработку:
1. Математической модели ДУБС для исследования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС.
2. Системы автоматического управления авторезонансным электроприводом ДУБС с несимметричными автоколебаниями буровой коронки.
3. Имитационной модели для исследования симметричных и несимметричных режимов работы ДУБС.
4. Лабораторного макета и экспериментальные исследования авторезонансного электропривода ВВД ДУБС в симметричных и несимметричных режимах работы.
5. Методики определения основных динамических параметров ДУБС с пружиной кручения в качестве упругого элемента.
6. Методики определения средней скорости вращательного движения ДУБС вокруг своей оси при работе в несимметричном режиме.
Идея работы. Эффективная работа ДУБС с комбинированной нагрузкой на буровой коронке (аддитивная комбинация сухого, вязкого трений и случайной составляющей) обеспечивается как в симметричном, так и в несимметричном режимах резонансных автоколебаний, при этом для симметричного режима формирование момента выполняется на каждом полупериоде колебаний, а для несимметричного на каждом периоде в точках нулевой скорости ротора электродвигателя.
Научная новизна:
1. Разработан алгоритм управления режимами резонансного электропривода ДУБС на грузонесущем кабеле со сложным движением буровой коронки.
2. Получена аналитическая зависимость средней скорости вращения ДУБС вокруг своей оси в зависимости от резонансной частоты электромеханической системы и нагрузки на буровой коронке.
Защищаемые научные положения:
1. Несимметричный режим автоколебаний буровой коронки с целью получения сложного вращательного и возвратно-вращательного движений для повышения эффективности бурения реализуется путем подачи напряжения на обмотки электродвигателя длительностью полпериода один раз в период и реверсирования электромагнитного момента синфазно со скоростью ротора в точках нулевой скорости ротора.
2. Средняя скорость вращения ДУБС вокруг своей оси в сложном движении определяется произведением резонансной частоты электромеханической системы, заданной амплитуды колебаний и коэффициента, который зависит от нагрузки на буровой коронке, при этом скорость вращения увеличивается с увеличением нагрузки на буровой коронке.
Методы исследований. Теоретические исследования, имитационное моделирование электромеханической системы с использованием пакета MATLAB, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования режимов работы макета на лабораторном стенде с разработанной системой управления авторезонансным электроприводом, снятие осциллограмм и анализ полученных результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на использовании известных положений теоретической механики, электромеханики, теории автоматизированного электропривода, методов моделирования с применением ЭВМ, и сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований не хуже 90-95 %.
Научная ценность результатов исследования заключается в разработке:
1. Имитационной модели электромеханической системы ДУБС для исследования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС.
2. Экспериментального стенда, имитирующего работу ДУБС с электроприводом возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с явнополюсным ротором в несимметричном режиме колебаний ДУБС.
Практическая значимость работы заключается в разработке:
1. Конструктивной схемы ДУБС (патент РФ № 95728).
2. Системы управления авторезонансным электроприводом ДУБС, обеспечивающей несимметричный режим работы.
3. Источника питания для реализации несимметричного режима колебаний ДУБС.
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на Всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2008 г.); ежегодной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2007-2009 гг.); ежегодной Международной конференции молодых ученых «Challenges and Solutions in Mineral Industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2009).
Личный вклад автора:
1. Разработана математическая модель для исследования нормальных, анормальных и аварийных режимов работы ДУБС.
2. Получена зависимость скорости вращательного движения бурового снаряда вокруг своей оси при работе ДУБС в несимметричном режиме колебаний от резонансной частоты электромеханической системы, амплитуды колебаний и нагрузки на буровой коронке.
3. Реализована система управления авторезонансным электроприводом ДУБС, обеспечивающая несимметричный режим колебаний.
4. Разработана имитационная модель для исследования работы ДУБС в симметричном и несимметричном режимах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 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 82 наименований, содержит 72 рисунка и 24 таблицы. Общий объем работы – 122 страницы.
Погружные электродвигатели
Разработанные электромеханические снаряды на грузонесущем кабеле не нашли широкого применения для бурения скважин. Это связано в первую очередь с отсутствием надежных устройств, воспринимающих реактивную нагрузку при работе коронки на забое. Наибольшее распространение такие снаряды получили при бурении ледников полярных областей Земли [1, 2, 6, 7, 22, 23, 30, 31].
Первый колонковый электромеханический снаряд на основе электробура А. Арутюнова был разработан Научно-исследовательской лабораторией холодных районов инженерного корпуса армии США при поддержке Национального научного фонда. Колонковый электромеханический снаряд CRREL состоит из следующих основных узлов: кабельного замка с токосъёмником, инклинометра, распорного устройства, бака, приводного электродвигателя, насоса, редуктора и колонковой трубы с коронкой. Буровой снаряд подвешен на грузонесущем кабеле диаметром 25,4 мм с двойным слоем брони, тремя силовыми проводами и девятью сигнальными. Удельная масса кабеля 2,09 кг/м, разрывное усилие 3,2105 Н. Основной особенностью технологии бурения снарядом CRREL является то, что шлам, образующийся в процессе бурения, удаляется растворением его в водном растворе этиленгликоля. Бурение льда осуществлялось при давлении на забой около 3,2 кН со скоростью 7,5-9,0 м/ч. Выход керна составил 98 %. Скорость проходки по подстилающим горным породам упала до 0,8-1,5 м/ч при увеличении давления до 12,6 кН.
В Гляциологической и геофизической лаборатории национального центра научных исследований (Гренобль, Франция) был разработан малогабаритный электромеханический снаряд, опробованный в 1978–79 гг. на Куполе С (Антарктида).
Большого успеха в разработке призабойных электромеханических снарядов на грузонесущем кабеле достигли в лаборатории антарктических исследований Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г. В. Плеханова (технического университета) под руководством проф. Кудряшо-ва Б.Б. В лаборатории разработан электромеханический снаряд на грузонесущем кабеле КЭМС-112 и КЭМС-152 для бурения скважин диаметром 112 и 152 мм в ледниковых покровах. С помощью этого снаряда в Антарктиде, на ст. Восток, пробурена самая глубокая скважина во льдах глубиной 3720 м (по данным на февраль 2011 г.). Буровой снаряд, кинематическая схема которого представлена на рис. 1.1, включает в себя колонковый набор, состоящий из коронки с кернорвателем 20, колонковой трубы 19, которая может быть выполнена двойной, шламосборника, состоящего из наружной трубы 17, переходного ниппеля 18, съёмного корпуса 17 и фильтра 15 с перфорированной по всей длине трубой 16. Колонковый набор соединён с приводным узлом, включающим в себя редуктор 13 с полым приводным валом 12, вращение на который передаётся от полого вала ротора 10 электродвигателя 11, к верхнему торцу которого крепится насосный отсек 9 с насосом 8. На верхнем торце приводного узла расположен датчик момента 7, соединяющийся с распорным устройством 6. Над распорным устройством устанавливается ударное устройство 5, к подвижной части 4 которого крепится электроотсек 3 с вращающимся токо 10
Буровой снаряд работает следующим образом. Вращение от полого вала ротора через планетарный редуктор передаётся на колонковый набор. Шлам, получаемый при разрушении льда, увлекается потоком заливочной жидкости в кольцевой зазор между наружной и внутренней колонковыми трубами, откуда он попадает в центральную шламоподъёмную трубу 16, через отверстия в которой попадает под сетчатый фильтр и скапливается там. Заливочная жидкость, пройдя через сетчатый фильтр, устремляется по центральному каналу в приводном валу редуктора и валу ротора электродвигателя под действием насоса в затрубное пространство. Коньки распорного устройства 6, контактируя со стенками скважины, воспринимают реактивный момент, возникающий на не вращающейся части бурового снаряда при его работе. Ударное устройство 5 введено в конструкцию бурового снаряда для обеспечения срыва керна и ликвидации возможных осложнений, связанных с подклиниванием колонкового набора шламом.
Предложенная конструкция бурового снаряда более надёжна. Независимый привод позволяет промывать призабойную зону даже при прекращении вращения и или колонковой трубы шламом. Это исключает скапливание шлама в призабойной зоне, а также при заклинивании коронки в забойной зоне и предупреждает возможные осложнения за счёт усиленной промывки и очистки призабойной зоны.
В СССР в 1947-1954 гг. инженеры А.А. Минин, Н.К. Архангельский, К.А. Чефранов и А.А. Погарский работали над созданием электробура, опускаемого в скважину на грузонесущем кабеле. В этом электробуре нет специальных устройств, уравновешивающих агрегат на забое. Реактивный момент долота, по предположению Минин А.А., уравновешивается инерцией корпуса бурильного агрегата, разгоняемого попеременно в обе стороны до определенной наперед заданной скорости. Реверсирование электродвигателя для этой цепи осуществляется с поверхности. Основные технические характеристики колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле приведены в табл. 1.1.
Оригинальная разработка по созданию колонкового электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле для бурения глубоких, залитых низкотемпературной жидкостью скважин в ледниковых толщах, проведена в Геофизической изотопной лаборатории Университета Копенгагена (Дания). Отличительной особенностью новой системы электромеханического колонкового снаряда является передача электроэнергии по кабелю с использованием в снаряде электрических аккумуляторов как накопителей энергии.
Преимуществами электробура на грузонесущем кабеле является значительное ускорение спуско-подъемных операций, отсутствие колонны буриль 12 ных труб, облегчение и упрощение наземного оборудования, снижение давления на пласт, облегчение труда буровой бригады, сокращение её состава и др. Однако скорость бурения этим электробуром и проходка на долото настолько малы, что не окупаются при повышении скорости спускоподъемных операций.
Накопленный в середине прошлого века опыт разработки, испытаний и эксплуатации забойных электродвигателей на трубах и на кабеле привел к ошибочному мнению о непреодолимых технических трудностях широкого практического освоения электробурения скважин, тем более малого диаметра. Основными минусами этой технологии считалось, что неизбежны потери напряжения из-за неполной герметичности соединений, дороговизна и трудности в эксплуатации бурильных труб с заранее проложенным кабелем. Электробурение на кабеле связано с труднорешаемыми проблемами промывки и восприятия реактивного момента. С уменьшением диаметра скважины обеспечение достаточной мощности электродвигателя связано с увеличением количества его секций, а, значит, общей его длины.
На современном этапе развития технологий, ранее существующие проблемы, решены новым подходом к созданию забойного электродвигателя малого диаметра. Само собой разумеется, что для условий алмазного бурения скважин малого диаметра забойный двигатель должен быть съёмным и агрегатиро-ван со съёмным керноприемником. Ко всем известным преимуществам бурения снарядами со съёмным керноприемником добавляется отсутствие нужды во вращении бурильной колонны, роль которой сводится к подаче снаряда с заданной осевой нагрузкой, обеспечении устойчивой циркуляции очистного агента любой разновидности и восприятия реактивного момента электродвигателя.
Математическая модель электромеханической системы ДУБС
Недостатками торсиона в качестве упругого элемента бурового снаряда являются необходимость задействовать второй рабочий конец вала электродвигателя для установки упругого элемента, сложность размещения электрооборудования в статорной трубе, относительно небольшие знакопеременные углы закручивания. В то же время, при диаметре буровой коронки до 100 мм для получения средней скорости резания 23 м/с при частоте менее 10 Гц углы закручивания торсиона составляют 1500 и более, что является нереализуемым при современных технологиях. Использование пружины кручения позволяет избежать указанных недостатков, существенно сократить габариты ДУБС и повысить надежность работы бурового снаряда [79]. Становится возможным использование нескольких параллельно соединенных пружин кручения для достижения требуемого крутящего момента. Пружина кручения размещается на рабочем конце вала электродвигателя внутри статорной трубы, одним своим концом пружина кручения соединена с крепежным кольцом, размещенным на рабочем конце вала электродвигателя, а другим концом с крепежным кольцом, размещенным внутри статорной трубы.
Рациональный вариант компоновки элементов конструкции ДУБС предполагает использование одной или нескольких пружин кручения, соединенных параллельно. Методика расчета пружины кручения (2 соединенные параллельно) [9]. Исходными данными для расчета являются наибольший крутящий момент М2, наибольший угол закручивания а2, класс пружины, разряд пружины, максимальное касательное напряжение при кручении тз.
Неравномерный износ режущей части буровой коронки с твердосплавными резцами или поломка части резцов может приводить к нарушению процесса бурения (снижение механической скорости бурения). Для устранения этого недостатка предложена схема питания обмоток электродвигателя с формированием электромагнитного момента один раз в период (при однополярном питании обмоток электродвигателя), обеспечивающая сложное движение поро-доразрушающего инструмента (вращение и колебание буровой коронки вокруг своей оси).
В несимметричном режиме резонансных автоколебаний ЭМС буровая коронка под действием электромагнитного момента перемещается на заданный угол фя « 60, выполняя заданную работу за период. Обратное перемещение осуществляется за счет энергии, накопленной пружиной кручения на рабочем ходе. При этом потенциальная энергия пружины уменьшается на величину, определяемую работой сил сопротивления среды. Тогда величина отклонения под действием упругих сил пружины (рн (рк, то есть срн -срк = Аср (рис. 2.9). При следующем цикле действия электромагнитного момента угол поворота буровой коронки изменяется от значения (рк до рн, при этом электромагнитный момент выполняет заданную работу за период. Таким образом, при работе в установившемся режиме несимметричных колебаний угол поворота ДУБС в направлении действии момента за время At составит А(рх = 2л: fp At. При этом забой равномерно прорабатывается каждым элементом буровой коронки, исключая возникновение аварийных режимов.
Практический интерес представляет вопрос оценки скорости вращения ДУБС вокруг своей оси при работе в несимметричном режиме, которая может быть произведена в следующей последовательности.
При малых нагрузках на буровой коронке скорость вращения ДУБС вокруг своей оси по выражению (2.61), может оказаться значительной меньше рекомендуемой. В этом случае формирование электромагнитного момента можно выполнять не на каждом полупериоде, а на полупериодах i 1, где i=1, 2, 3…n -номер полупериода (рис. 2.10). В этом случае для оценки скорости вращения ДУБС может использоваться метод с применением коэффициента апериодичности. Этот метод дает возможность вычислять частоту и амплитуду вынуж 51 денных колебаний на требуемом полупериоде колебаний при изменении нагрузки на буровой коронке, а также проектировать системы управления электроприводами ВВД с формированием электромагнитного момента один раз, например, в 2-3 периода колебаний, что может найти применение при бурении с малыми нагрузками на буровой коронке.
Относительный коэффициент затухания дает наилучшую оценку степени затухания колебаний, поскольку учитывает не только силы трения, действующие в системе, но и соотношение параметров колеблющейся системы. Величину у/ также называют коэффициентом апериодичности, так как при у/ = 1 имеем h = Q. или Q0 = 0. Этому условию соответствует то минимальное затухание,
Кривые свободных колебаний при различной величине затухания у/, пропорционального скорости колебаний при котором колебания исчезают, и колеблющаяся масса во время свободных колебаний с любым начальным отклонением уже не проходит положение равновесия. Случай у/ = \ соответствует предельно апериодическому движению, когда колебания отсутствуют. Чтобы наглядно показать влияние затухания на скорость убывания отклонений при колебаниях, на рис. 2.10 представлены кривые свободных колебаний, соответствующие различному относительному затуханию. Эти кривые построены для относительных величин. Методика оценки скорости вращательного движения ДУБС вокруг своей оси с использованием коэффициента апериодичности:
Конструктивными особенностями исследуемого ДУБС являются использование пружины кручения в качестве упругого элемента, ее размещение на рабочем конце вала электродвигателя, при этом электрооборудование размещается в статорной трубе.
Рассматривается ДУБС для очистки призабойных зон добычных нефтяных скважин в продуктивных пластах, склонных к выносу песка и асфаль-тосмоловых парафиновых отложений (АСПО) [11, 17, 50]. В качестве породо 54 разрушающего инструмента используется буровая коронка с твердосплавными резцами двухстороннего резания диаметром 132 мм. Принимаем мощность на забое РК=4 кВт, резонансную частоту ЭМС fp = 30 Гц с амплитудой колебаний статорной части ДУБС относительно роторной ср0 = ж/6 = 0.524. К установке принят погружной маслозаполненый электродвигатель ПЭДУК(Т)22-117.
Моделирование электромеханической системы ДУБС со случайной нагрузкой на буровой коронке
Использование математической модели ЭМС ДУБС с двумя степенями свободы ( и (р2) позволяет исследовать симметричные и несимметричные режимы работы при нормальных, анормальных и аварийных значениях нагрузок на роторной и статорной частях ДУБС.
Несимметричный режим авторезонансных колебаний электропривода возвратно-вращательного движения для динамически уравновешенного бурового снаряда обеспечивается путём формирования однополярного электромагнитного момента электродвигателя один раз в период в течение полупериода синфазно со скоростью ротора в точках перехода её через нулевое значение.
В режиме установившихся несимметричных авторезонансных колебаний каждый период состоит из полупериода свободных затухающих колебаний под действием пружины кручения от фн = Умлх до конечного фг, определяемого коэффициентом затухания, и полупериода движения от фг до фя под действием электромагнитного момента, совершающего заданную работу за период.
Средняя скорость вращения ДУБС вокруг своей оси в несимметрич ном режиме работы определяется произведением заданного амплитудного значения угла колебаний буровой коронки (-), резонансной частоты ЭМС и коэффициента, зависящего от логарифмического декремента затуханий, на интервале времени от t = 0 до t = — . 5. При моделировании аварийных режимов парциальные частоты Гц при заклинивании роторной и статорной частей со ответственно равны парциальным частотам, полученным теоретически. 6. Применяемые при моделировании вычислители работ за период элек тромагнитного момента и моментов нагрузки (сухое, вязкое трения, случайная составляющая момента нагрузки) позволяют: исследовать процессы в ЭМС ДУБС; выбирать требуемый нетрадиционный электропривод для работы в ав торезонансном режиме; проводить сравнительную оценку работ электромаг нитных моментов различной формы (прямоугольный, синусоидальный и элек тромагнитный момент ЭД с явнополюсным ротором).
Результаты моделирования электромеханической колебательной си стемы динамически уравновешенного бурового снаряда подтвердили малую чувствительность резонансного режима работы к изменению характера нагруз ки.
Для упрощения вычислений при моделировании ЭМС ДУБС целесообразно произвести замену электромагнитного момента электродвигателя с явно-полюсным ротором и трёхфазным статором на электромагнитный момент синусоидальной или прямоугольной формы, исходя из равенства работ, совершенных этими моментами за период колебаний.
Рассмотренные формы электромагнитного момента соответствуют различным видам электропривода: асинхронному, постоянного тока и нетрадиционному с явнополюсным ротором и трёхфазным статором.
В аварийном режиме работы ДУБС сохраняется подвижность одной из частей ДУБС при сохранении авторезонансных колебаний, что облегчает устранение осложнений при бурении.
Цели и задачи лабораторных экспериментальных исследований: 1. Подтверждение работоспособности авторезонансного электропривода возвратно-вращательного движения на основе электродвигателя с явнополюс ным ротором и трёхфазным статором в несимметричном режиме работы. 2. Разработка схемы управления авторезонансным электроприводом ДУБС для реализации несимметричных авторезонансных колебаний буровой коронки. 3. Экспериментальное определение электромагнитного момента электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором при формировании электромагнитного момента тремя обмотками. 4. Разработка источника питания обмоток электродвигателя для реализации несимметричных авторезонансных колебаний буровой коронки. 5. Получение осциллограмм процессов в системе управления, обмотках двигателя и источнике питания.
В лаборатории НИР кафедры «Электротехники и Электромеханики» Санкт-Петербургского государственного горного института для проведения экспериментальных исследований автором был модернизирован физический макет электропривода возвратно-вращательного движения динамически уравновешенного бурового снаряда. Схема экспериментального стенда включает физический макет динамически уравновешенного бурового снаряда с цементным забоем (цемент марки М400), имитирующим сопротивление на буровой коронке, систему питания и управления, а также комплекс измерительных устройств (рис. 4.1). Исследовательский стенд состоит из двух наборных панелей 11, на которые выведены контрольные точки принципиальной схемы и системы управления, датчиков тока и напряжения, системы управления 12, источников питания системы управления 10, генератора сигналов 8, контрольно-измерительной аппаратуры 7 и персонального компьютера с внешним модулем ввода вывода 6 для снятия осциллограмм тока и напряжения в различных участках схемы.
Режим работы SI 10 Класс изоляции F Установлено, что токи в обмотках статора электродвигателя в процессе колебаний практически не изменяются за полупериод колебаний, поэтому, учитывая искусственную коммутацию токов в обмотках статора, можно прене 87 бречь переходными электромагнитными процессами при рассмотрении установившихся авторезонансных колебаний электромеханической системы ЭПВВД.
Бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора используется для реализации замкнутой системы управления электроприводом возвратно-вращательного движения для обеспечения незатухающих резонансных автоколебаний. Датчик содержит корпус 1, установленные в нем магнитопровод 2 с двумя кольцевыми полуобмотками с полюсным делением равным и магнитный явнополюсный ротор с одной парой полюсов 3, крышку 4 и подшипник скольжения 5 (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора Ротор датчика скорости и положения размещён на валу ЭД с совмещением продольных осей симметрий роторов датчика и электродвигателя.
Конструктивное исполнение датчика скорости и положения с двумя полуобмотками с полюсным делением равным позволяет получать различные напряжения на выходе в зависимости от схемы их соединения (последовательно или параллельно), а также иметь два гальванически развязанных источников управляющего напряжения в зависимости от количества используемых обмоток на магнитопроводе.
Размах колебаний ротора электропривода возвратно-вращательного движения, при котором может быть использован бесконтактный датчик скорости вращения и положения ротора, достигает 1800.
Внешний модуль ввода-вывода
При использовании исследуемого электропривода с применением для питания обмоток статора источника напряжения время переходных электромагнитных процессов при коммутации токов в обмотках статора не менее чем на два порядка меньше периода колебаний, что позволяет пренебречь в первом приближении этими процессами при рассмотрении установившихся авторезонансных колебаний электромеханической системы динамически уравновешенного бурового снаряда.
Экспериментальное определение электромагнитного момента электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором при формировании электромагнитного момента тремя обмотками
Возвратно-вращательное движение ротора с амплитудой колебаний в 300 и обеспечивается однополярным питанием последовательно соединенных обмоток электродвигателя (рис. 4.21).
Экспериментальные данные, полученные в результате трёх опытов представлены в табл. 4.12. Измерение усилия динамометром выполнялось при длине плеча рычага, равной 160 мм.
На рис. 4.25 представлены экспериментальные и средние значения электромагнитного момента, сформированного тремя обмотками ЭД, питаемыми однополярным током, при амплитуде колебаний 300. Средние значения получены в программе Microsoft Excel при помощи полиноминальной аппроксимации второй степени экспериментальных данных.
Статическая характеристика электромагнитного момента МЭМ=f(): тонкие линии – экспериментальные значения; жирные – средние значения
На рис. 4.26 представлено усреднённое значение электромагнитного момента, сформированного тремя обмотками ЭД, питаемыми однополярным током, при амплитуде колебаний 300.
Относительные номинальные пусковой и максимальный моменты электродвигателя с явнополюсным ротором и трёхфазным статором не менее
В ходе выполнения лабораторных экспериментальных исследований получены следующие результаты и выводы: 1. Модернизирована экспериментальная лабораторная установка динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле с искусственным цементным забоем для исследования электропривода возвратно-вращательного движения в несимметричном режиме возвратно-вращательного движения. 2. Для реализации несимметричного режима авторезонансных колебаний ЭМС разработана и изготовлена схема управления и источник пульсирующего однонаправленного тока для питания обмоток электродвигателя. 3. Резонансная частота коммутирующего контура источника питания принята равной 3 кГц. 4. Момент сопротивления на валу ротора лабораторного макета динамически уравновешенного бурового снаряда представлен моментом сопротивления разрушению искусственного цементного забоя. 5. В качестве породоразрушающего инструмента использована алмазная буровая коронка диаметром 46 мм. 6. Экспериментально полученная статическая характеристика электромагнитного момента применяемого нетрадиционного электродвигателя с явно 112 полюсным ротором и трехфазным статором совпадает по форме с теоретической. 7. Экспериментально полученное значение относительного максимального пускового момента (1.16) приближенно соответствует расчетному (1.15). 8. Экспериментально определены относительные номинальные пусковой (1.1) и максимальный (1.28) моменты. 9. В несимметричном режиме авторезонансных колебаний электропривода ДУБС действующее значение пульсирующего тока в обмотках электродвигателя может быть увеличено в V2 раз по сравнению с номинальным непрерывным током штатного асинхронного электродвигателя из условия равенства действующих значений токов за период колебаний. . Сопротивление токоведущих жил грузонесущего кабеля (10-15 Ом) длиной 1-1.5 км не влияет на работоспособность источника питания обмоток электродвигателя. Компенсация потерь напряжения в кабеле может быть обеспечена изменением напряжения на емкости фильтра СФ путем изменения индуктивности дросселя фильтра L Ф. Разработанная схема управления несимметричными авторезонансными колебаниями отличается простотой реализации и надежностью искусственной коммутации токов тиристоров.
Разработанный авторезонансный электропривод возвратно вращательного движения может найти применение в горнорудной промыш 114 ленности – вибрационные грохоты, дробилки, мельницы, вибрационные устройства для транспортирования насыпных грузов, вибрационные насосы для перекачки жидкостей; в строительстве – машины для вибрационного погружения и извлечения свай, вибрационные дорожные и строительные машины для трамбования грунта и формирования железобетонных изделий; в металлургии – машины для изготовления литейных форм и выбивки опок; в машиностроении – для виброшлифования, виброгалтовки, перемешивания металлических расплавов, виброобкатки, а также в сельском хозяйстве, медицине и в других отраслях.
