Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Электротехника
Размещена 18.05.2017. Последняя правка: 18.05.2017.

Исследование автоматизированного электропривода для вращателя бурового станка

Ногтев Руслан Алексеевич

Студент

Санкт-Петербургский Горный Университет

Студент-магистр, каф. электроэнергетики и электромеханики

Кудрин Д. В., выпускник-бакалавр кафедры Электроэнергетики и электромеханики, Проскуряков М. А., выпускник-бакалавр кафедры Электроэнергетики и электромеханики. Научный руководитель: Алексеев Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский Горный Университет.


Аннотация:
В данной работе рассматривается реализация режима автоматического выхода бурового станка из режима вибрации посредством введения дополнительного конутра регулирования в систему управления автоматизированного полупроводникового электропривода переменного тока. Работа включает в себя исследование системы управления электроприводом и моделирование динамики электропривода с помощью системы Simulink пакета Matlab.


Abstract:
In this work the implementation of the automatic output mode of the drilling rig from the vibration mode by setting an additional control loop into the control system of an automated semiconductor AC drive is considered. The work includes a survey of the electric drive control system and simulation of the dynamics of the electric drive using the Simulink Matlab.


Ключевые слова:
асинхронный электропривод; буровой станок; выход из режима вибрации; автоматизация.

Keywords:
asynchronous electric drive; Drilling rig; vibration mode output; automation.


УДК 62-83:621.313.3

Введение. В условиях случайного течения процесса, осложняемого развивающимися в системе вибрациями, автоматизация процесса бурения является весьма трудной задачей. Необходимы автоматизированные системы электропривода, позволяющие эффективно управлять параметрами режима бурения. Только в этом случае возможно поддерживать оптимальный режим бурения по принятому критерию эффективности [1].

Главным направлением совершенствования систем электропривода основных механизмов буровых станков является применение автоматизированных полупроводниковых электроприводов переменного тока с широким диапазоном регулирования частоты вращения, высокими динамическими показателями. Использование таких приводов обуславливает повышение производительности и сокращение стоимости буровых работ, снижение энергетических затрат, улучшение условий труда обслуживающего персонала [1].

Цель работы. Получение режима автоматического выхода бурового станка из режима вибрации.

Существующие буровые установки обеспечивают бурение в основных режимах, при этом механизмы вращателя отечественных станков типа СБШ-250МНА-32 (СБШ-250МН) оснащены электроприводами постоянного тока по системе тиристорный преобразователь –двигатель (ТП-Д) [2]. Для обеспечения требуемой жёсткости характеристики используется отрицательная обратная связь по скорости якоря и внутренний контур тока. Автоматизированные частотные приводы по системе ТПЧ-АД с бесконтактными асинхронными двигателями (АД) и системами скалярного и векторного управления более перспективны.

Исследуется электропривод переменного тока типа ЭКТ-2 (АТ04) с системой скалярного управления обратной связью по скорости, внутренним контуром тока, двигателем 4А280S6 (рис. 1), мощностью 75 кВт и с вводимым дополнительным контуром.

 
 Структурная схема системы управления автоматизированным электроприводом

Рис. 1. Структурная схема системы управления автоматизированным электроприводом 

На рис. 1 структура АД содержит (апериодическое звено Ki/(Tip+1), умножитель М2 магнитного потока на ток {.i}, коэффициент Cм {Cм.M}),  интегрирующее звено (1/Jp); РС и РТ – регуляторы скорости и тока; элемент с коэффициентом К1,обеспечивающий предварительное включение системы для создания начального магнитного потока (при ω’ = 0), чтобы избежать значительных динамических моментов в буровой колонне при вводе задания скорости ω’; Кω, Кdi – звенья обратных связей по скорости и току.

Вход бурового станка в вибрационную зону является нежелательным, ограничивающим производительность работ. Время выхода из вибрации зависит от опыта оператора  в значительном числе случаев приходится прерывать процесс бурения.

Для выявления режима вибрации и автоматического выхода из зоны вибрации без использования непосредственного датчика измерения вибраций (косвенный метод) в схему введен дополнительный контур (ДК). Звенья дополнительного контура ДК: Ф – фильтр, НЭ – нелинейный элемент, М – умножитель, Pзад - заданная мощность. При превышении заданной мощности Pзад на выходе нелинейного элемента выделяется сигнал на снижение скорости.

При моделировании ДК составляется из типовых визуальных блоков библиотеки компьютерной программы, также как и электропривод. Аппаратно ДК может быть реализован на печатной плате с двумя микросхемами 525 и 553 серий. 

При моделировании динамики электропривода с помощью системы Simulink пакета Matlab сравнивалась реакция на скачкообразное изменение нагрузки и линейное изменение задания скорости в процессе пуска, вводилось ограничение на величину максимальных значений мощности и напряжения ТПЧ. Модель асинхронного двигателя 4А280S6 выполнялась по уравнениям Горева-Парка с учетом насыщения магнитной системы машины в переходных режимах [3].

На рис. 2 показан процесс разгона привода с дополнительным контуром при пуске за 0,5 с со входом в режим постоянства мощности.

 
 Переходной процесс при входе АД 4А280S6 в режим работы с постоянной мощностью

Рис.2. Переходной процесс при входе АД 4А280S6 в режим работы с постоянной мощностью

При разгоне происходит увеличение мощности, потребляемой двигателем, в том числе в связи с возникающими вибрациями станка.. В этом случае на выходе устройства сравнения УС выделяется сигнал, который пройдя через нелинейный элемент НЭ и фильтр, вызывает снижение сигнала задания напряжения и скорости АД в соответствии с заданной мощностью Pзад  Это обеспечивает автоматический выход из зоны колебаний, снижение амплитуды вибрации, более высокую производительность работ, большую стойкость долот.

На рис. 2 (сверху вниз):

По оси ординат – скорость двигателя ω, рад/с.

1 – ток асинхронного двигателя (I max = 300 А),

2 – задание скорости и действительная скорость электропривода (масштаб 1:1),

3 – напряжение преобразователя частоты (Umax = 230 В),

4 – уровень потока (главного магнитного потокосцепления), (1,2 Вб),

5 – значение момента двигателя (пиковое значение 1400 Нм).

На рис.3 дана схема модели электропривода, выполненная на блоках библиотеки пакета Simulink.

 
 Модель электропривода со скалярной системой управления

Рис. 3. Модель электропривода со скалярной системой управления

На рисунке: ЗИ – задатчик интенсивности, САР – система автоматического регулирования, выполненная по схеме рис.1 с дополнительным контуром ДК в подсистеме САР, ПЧ – усилительно-преобразовательное устройство, АД – асинхронный двигатель, нарузка (Load) с заданным моментом холостого хода (Mo).

Результаты. Двигатель электропривода вращателя станка обеспечивает работу на рабочей ветви механической характеристики в режиме поддержания заданной скорости вплоть до максимального момента (заданной мощности), после чего происходит переход в режим работы с постоянной мощностью, который обеспечивает выход станка из вибрационной зоны за счет незначительного снижения частоты вращения бурильной колонны.

Выводы.

1. Асинхронный электропривод вращателя со скалярной структурой управления,  обратной связью по скорости ω и дополнительным контуром обеспечивает необходимые режимы работы бурового станка, включая работу вблизи вибрационной зоны.

2. Наиболее радикальным направлением автоматизации является применение векторной системы управления частотным приводом с асинхронным двигателем, обеспечивающей наибольшую точность регулирования. [3].

 

Библиографический список:

1. Алексеев В.В., Соловьев А.С. Автоматизированный электропривод станков шарошечного бурения. СПб: СПГГИ., 1997, 50 с.
2. Жуковский А.А., Нанкин Ю.А., Сушинский В.А. Привод и системы управления буровых станков для карьеров. - М.: Недра, 1990, 223 с.
3. Алексеев В.В. Моделирование приводов с векторным управлением горного оборудования. /В.В.Алексеев, А.Е.Козярук, С.В.Бабурин. СПб.: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013, 57 с.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх