WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Совершенствование, исследование и диагностирование систем управления асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов буровой установки

На правах рукописи

Бабкин Евгений Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕХАНИЗМОВ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Осипов Олег Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

нов Г.М.ИВАНОВ Гелий Ми ха Микитченко Анатолий Яковлевич

- кандидат технических наук

Борисович Безаев Владимир Григорьевич

Ведущее предприятие - ГОУ ВПО Российский государственный

университет нефти и газа

имени И.М. Губкина

Защита диссертации состоится «19» ноября 2010 года в аудитории М-611 в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус М..

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью), просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «18» октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

канд. техн. наук, доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По данным международных аналитических компаний рост потребления жидких углеводородов, в основном, нефти и газового конденсата, будет расти постоянно. К 2030 году мировая торговля жидкими углеводородами возрастет более чем на половину ее нынешних объемов, что требует постоянного увеличения энергетических показателей и производительности буровых установок (БУ). Эти установки отличаются технической сложностью и высокой себестоимостью. Их закупка и ввод в эксплуатацию для большинства отечественных производителей являются проблематичными с экономической точки зрения задачами. Отсюда понятно стремление к модернизации уже действующих установок и совершенствованию систем управления их электроприводами в направлении повышения надежности, энергетических показателей и производительности БУ.

Характерной тенденцией автоматизированных электроприводов механизмов БУ является все более широкое применение асинхронных двигателей (АД), управляемых от преобразователей частоты (ПЧ). Эти двигатели технически более просты и надежны в эксплуатации, могут длительно работать при повышенных скоростях, в агрессивных средах с заметными перепадами температур, что свойственно БУ. АД требуют меньше цветных металлов, имеют меньшие массу, габариты и стоимость. Ясно, что применение асинхронных частотно-регулируемых электроприводов механизмов БУ потребует дополнительной коррекции в системах и алгоритмах управления БУ, свойственных приводам постоянного тока, их более глубокого исследования и анализа, а также оценки их технических и энергетических возможностей.

Стабильность работы БУ определяется системой управления электроприводами ее механизмов и потому необходима разработка и применение наиболее развитых принципов и алгоритмов их управления на основе современной микропроцессорной техники. Это касается и аппаратно-программных средств реализации интерфейса «человек – машина» и технического диагностирования состояния электроприводов БУ.

Внедрение в БУ новых технических средств на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных промышленных условиях эксплуатации, что требует анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов электроприводов БУ, а также разработки способов и технических средств по обеспечению их ЭМС.

Ясно, что решение указанных проблем при внедрении асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов БУ будет способствовать повышению их надежности, технико-экономических показателей и производительности.

Целью диссертационной работы является совершенствование, исследование и диагностирование систем и алгоритмов управления асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов БУ, способствующих повышению надежности, технико-экономических показателей и производительности БУ.

Достижение поставленной цели потребовало:

- анализа технологических режимов работы, типовых нагрузочных диаграмм электроприводов различных механизмов БУ и на их основе обоснования мощности приводных асинхронных электродвигателей и механических характеристик АЭП главных механизмов БУ;

- разработки алгоритмов рационального согласования и выбора мощности асинхронного электродвигателя для приводов главных механизмов БУ;

- оценки и сравнительного анализа энергетических показателей электротехнического комплекса БУ на основе регулируемых электроприводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей;





- разработки и исследования систем управления электроприводами механизмов БУ, отличающихся их повышенной технологической безопасностью работы;

- разработки алгоритмов и логики управления технологическими режимами работы асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами главных механизмов БУ;

- разработки систем сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов БУ, а также аппаратно-программных средств, осуществляющих интерфейс «человек-машина»;

- разработки алгоритмов и систем диагностирования технического состояния асинхронного частотно-регулируемого электропривода главных механизмов БУ;

- исследования ЭМО в районе расположения элементов электропривода механизмов БУ и на их основе обоснования способов и средств обеспечения их ЭМС.

- апробации теоретических и технических разработок на основе экспериментальных исследований электроприводов действующих БУ с регулируемыми приводами постоянного тока и асинхронными частотно-регулируемыми электродвигателями.

Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования, аппарата булевой алгебры и теории электромагнитного поля. Экспериментальные исследования проводились на действующей БУ осциллографированием переменных электроприводов с использованием пакета Drive ES Starter v.4.1 и программного обеспечения системы визуализации процесса SIMATIC WinCC v6.0. Для исследования электромагнитной обстановки использовался комплект анализаторов электрического и магнитного полей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обобщены технологические и допустимые режимы работы главных механизмов БУ и на их базе обоснованы технологические и эксплуатационные требования к асинхронным частотно-регулируемым электроприводам механизмов БУ.

2. По технологическим характеристикам насоса БУ и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей различных типов и передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм определения мощности двигателя, обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное ее согласование с мощностью насоса.

3. Доказана целесообразность и эффективность применения для главных механизмов БУ асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих более высокий ( в 1,5 раза) средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети, не зависимый от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.

4. Разработаны способ и системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ, отличающиеся введением функциональных блоков автоматического и взаимосвязанного ограничений рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью работы лебедки и главного насоса БУ.

5. Разработаны способ и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.

6. Разработаны алгоритмы и логика управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ;

7. Разработаны алгоритмы диагностирования технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.

8. Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ, сосредоточенных в едином контейнерном исполнении. Обоснованы способы и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости элементов электропривода БУ.

Практическая ценность и реализация работы заключаются в следующем:

1. На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов главных механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов.





2. Предложена методика и дан пример выбора мощности приводных асинхронных двигателей автоматизированных электроприводов главных механизмов БУ.

3. Технически реализованы системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с автоматическим и взаимосвязанным ограничением рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью их работы.

4. Технически реализована система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.

5. Определены параметры регуляторов системы управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом лебедки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ, обеспечивающие требуемые технологические показатели привода лебедки.

6. Технически реализованы алгоритмы логического управления электроприводами БУ и аппаратно-программные средства на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300, сетевой коммуникационной платы Simatic NET CP 5611, монитора SIMATIC FLAT PANEL, а также программного обеспечения SIMATIC WinCC v6.0 и Simatic Manager v. 5.4, осуществляющие интерфейс «человек-машина», а также диагностирование технического состояния электроприводов БУ.

7. Предложены технологические защиты и блокировки систем управления электроприводами БУ по быстродействию превышающие штатные системы защит.

8. На примере буровой установки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов определена суммарная потребляемая электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.

9. Определены и дана сравнительная оценка энергетических показателей электротехнического комплекса БУ на основе регулируемых электроприводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электродвигателей.

10. Определены спектральные характеристики напряженности электрического и магнитного полей в районе расположения элементов электроприводов БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ. Обеспечена их электромагнитная совместимость.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли практическое применение при внедрении БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ, обеспечив заметное увеличение энергетических показателей по сравнению с БУ на постоянном токе. В итоге для БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ отпала необходимость применения фильтро-компенсирующих устройств. При этом время простоя БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ из-за возможных аварий по линии электрооборудования за счет более высокой надежности асинхронных электродвигателей, их систем управления и диагностирования сократилось не менее, чем в три раза. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Электропром» (г. Москва) электроприводов БУ.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов теорий электропривода и автоматического управления, результатами практической реализации и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления, а также энергетических режимов работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обобщенные технологические и допустимые режимы работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ.

2. Алгоритмы выбора типа и мощности асинхронного двигателя привода насоса БУ для наиболее рационального и эффективного его согласования с мощностью насоса БУ по технологическим характеристикам насоса, его обобщенной втулке и передаточным отношениям клиноременной передачи.

3. Техническая целесообразность и эффективность применения асинхронных частотно-регулируемых электроприводов для главных механизмов БУ, обеспечивающих в 1,5 раза больший средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети вне зависимости от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.

4. Способ и система управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ, обеспечивающие технологическую безопасностью их работы за счет автоматического и взаимосвязанного ограничений рабочих скоростей и моментов их электродвигателей.

5. Способ и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения для увеличения точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.

6. Алгоритмы и логика управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ;

7. Алгоритмы диагностирования технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.

8. Система сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов БУ, обеспечивающая диагностирование технического состояния и режимов работы асинхронного частотно-регулируемого электропривода БУ

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами главных механизмов БУ, их энергетических режимов работы и спектральных характеристик напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.), на XII, XV, XVI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, г. Москва, 2006, 2009, 2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 печатных трудах, в том числе в двух изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 54 наименований и 5 приложений. Ее содержание изложено на 216 страницах основного текста, содержит 87 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе представлен полный состав электротехнического комплекса БУ. Для главных механизмов БУ дан анализ технологических режимов и требований к их автоматизированным электроприводам АЭП. На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов БУ, определены мощности приводных двигателей и целесообразные механические характеристики асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов.

На примере БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ дан анализ применения различного типоисполнения асинхронных электродвигателей для приводов лебедки, буровых насосов, ротора, регулятора подачи долота (РПД). По технологическим характеристикам насоса и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей разных типов и для различных передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм выбора мощности двигателя (рис.1), обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное согласование с мощностью насоса.

Рис.1. Алгоритм согласования мощности электродвигателя бурового насоса

На первом этапе (линия Э1) определяются номинальные данные (мощность Рi.ном, скорость ni.ном, момент Мi.ном) одного из предварительно выбранных электродвигателей Дi (i = 1, 2, …, N). Затем для клиноременной передачи КПj между этим двигателем и насосом определяются ее передаточное отношение ij и номинальный КПД j.ном (j = 1, 2, …, k). На основании данных Дi и КПj в расчетном блоке РБ определяются моменты Мij.в на приводном валу насоса и скорость вала nij.в при выбранном двигателе Дi. Далее в блоке Бi (i = 1, 2, …, N) полученные значения момента и скорости сравниваются с номинальными данными насоса. Если момент Мij.в и скорость nij.в при выбранном двигателе не попадают в интервалы (0,95 1,05) Мн.ном и (0,9 1,1) nн.ном насоса, то следует выбрать иное передаточное отношение ik клиноременной передачи КПk и с учетом ее КПД k.ном вновь в блоке РБ определить моменты Мik.в на приводном валу насоса и скорость вала nik.в. Затем в блоке Бl сравниваются вновь полученные значения момента и скорости с номинальными данными насоса. Если момент Мik.в и скорость nik.в с новым передаточным отношением ik попадают в интервал (0,95 1,05) Мн.ном и (0,9 1,1) nн.ном, то двигатель Дi будет обеспечивать номинальные характеристики насоса. Затем определяются номинальные данные следующего предварительно выбранного электродвигателя ДN (РN.ном, nN.ном, МN.ном). На последнем этапе, когда проанализированы все N двигатели при различных k передаточных отношениях, в блоке В выбирается двигатель Дi с наименьшей мощностью, и соответствующая ему клиноременная передача КПj. Подобное решение экономически более выгодно, поскольку позволяет уменьшить массогабаритные показатели электропривода насоса, мощность преобразовательных устройств и общую стоимость электрооборудования.

Результаты оценки представлены в относительных единицах и носят обобщающий характер.

На примере БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов определена суммарная потребляемая электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.

Во второй главе рассмотрена система силового питания и распределения электрической энергии по приводам отдельных механизмов БУ. Для оценки энергетических показателей БУ разработана программа расчета на ЭВМ уравнений системы электроснабжения соизмеримой мощности, содержащей электроприводы постоянного и переменного тока с учетом структуры системы электроснабжения, одновременной работы силовых преобразователей и наличием ФКУ.

На ее основе были определены напряжения и токи, полная, активная и реактивная мощности системы электроснабжения БУ, отклонения напряжения сети от номинального в точке питания электроустановок БУ; коэффициенты мощности системы и искажения синусоидальности напряжения сети. На рис.2 представлен фрагмент разработанной программы определения энергетических параметров БУ, где: Скн – номинальная емкость конденсатора для фильтра; kтзз – коэффициент трансформации силового трансформатора; tg – тангенс угла потерь на основной частоте; Lp7 – индуктивность реактора для фильтра 7 гармоники; Lp5 - индуктивность реактора для фильтра 5 гармоники; rp7 – активное сопротивление реактора для фильтра 7 гармоники; rp5 - активное сопротивление реактора для фильтра 5 гармоники.

Сравнительный анализ энергетические показателей сети питания БУ на основе приводов постоянного тока и асинхронных частотно-регулируемых электроприводов при различных технологических режимах их работы показал техническую целесообразность и эффективность применения асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих в 1,5 раза больший средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети вне зависимости от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.

В соответствии с технологическими режимами работы механизмов БУ в качестве основной структуры управления асинхронным частотно-регулируемым их приводом обоснована векторная система управления пере- менными электропривода с обратной связью по частоте вращения двигателя для главных приводов и с обратной связью по ЭДС двигателя для привода насоса.

Рис. 2. Фрагмент программы определения энергетических

параметров БУ

Системы автоматического регулирования САР электроприводами представляют собой стандартную двухзонную систему подчиненного регулирования скорости с ПИ - регуляторами скорости РС и тока РТ. Функциональная схема САР электропривода лебедки в режимах спуско-подъемных операций «СПО» и подачи долота «ПОДАЧА» представлена на рис.3.

Особенностью предлагаемой САР электропривода лебедки является узел ФП1 (отмечен жирной линией), обеспечивающий автоматическое управление скоростью привода лебедки в зависимости от веса. Характеристика ФП1 определяет зависимость задаваемой установившейся скорости подъема и спуска от сигнала датчика веса ДВ, причем раздельно для каждой передачи лебедки. Расчетные характеристики ФП1 строятся на основе нагрузочных характеристик лебедки таким образом, чтобы при превышении мак-

симального усилия на крюке, меньшего на 12% критического усилия, производилось автоматическое снижение скорости до нуля. Отличительной особенностью разработанной САР электропривода лебедки является отсутствие при превышении веса аварийного отключения привода с наложением аварийного тормоза и оставлением талевой системы в натянутом и неуправляемом состоянии. В результате исключается опасность резких колебаний талевого блока БУ при включении привода лебедки после аварийного останова в результате превышения веса.

Для исключения возможных превышений давления и обратных гидравлических ударов в манифольде, по которому промывочная жидкость подается в скважину, предложено в схему управления частотно-регулируемыми электроприводом главного насоса БУ ввести функциональные блоки автоматического и взаимосвязанного ограничения рабочих скоростей и моментов их электродвигателей в функции давления в манифольде. Предлагаемое решение обеспечивает защиту от гидроударов в системе подачи жидкости по быстродействию и надежности значительно выше штатных систем подобных защит.

Для частотно-регулируемого электропривода лебедки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ дан пример определения параметров РС и РТ системы управления, обеспечивающих требуемые технологические показатели привода.

Рассмотрена одна из основных задач автоматизации спуско-подъемных операций СПО привода лебедки в пределах одного цикла спуска (подъема) колонны на длину одной свечи, от решения которой зависит производительность БУ. Предложена система управления СПО с использованием подроторного датчика положения ДП, представляющего собой электромагнитный датчик перемещения, конструктивно устанавливаемый на уровне стола ротора. При прохождении замка свечи через ДП он вырабатывает логический сигнал, поступающий в вычислительное устройство ВУ, где определяется однозначная для данной свечи связь между положениями талевого блока и замка и на ее основании формируется желаемая диаграмма замедления и точная остановка замка в зоне ключа.

Обобщенный алгоритм работы предложенной системы управления СПО в цикле спуска и подъема свечи дан на рис.4. При спуске свечи происходит разгон незагруженного элеватора из исходного нижнего до верхнего положения, поддержание максимальной скорости подъема элеватора, замедление элеватора, подхват бурильной колонны, снятие ее с клиньев, разгон загруженного элеватора вниз, выбор и поддержание заданной скорости спуска, замедление загруженного элеватора до точной остановки замка в зоне ключа, посадка колонны на клинья, спуск незагруженного элеватора в исходное нижнее положение. При подъеме свечи обеспечивается подхват колонны и снятие ее с клиньев, разгон загруженного элеватора вверх, выбор и стабилизация оптимальной скорости подъёма, замедление до точной остановки замка в зоне ключа, посадка на клинья, разгон и спуск незагруженного элеватора, его замедление и остановка в исходном нижнем положении.

Разработанная система управления СПО устраняет ранее существующий недостаток по запоминанию нижнего и верхнего положений талевого блока при текущем весе колонны, и, следовательно, при текущем растяжении

Рис.4. Алгоритм работы СУ СПО, общие, для спуска, для подъема свечи операции

троса барабана лебедки. По мере увеличения глубины скважины вес бурильной колонны растет, меняя растяжение троса. Поскольку желаемые точки останова талевого блока прежде запоминались при первоначальном растяжении троса, то возникала значительная погрешность определения положения талевого блока. В предлагаемой системе управления СПО отпала необходимость предварительного измерения длин свечей, что для разных их длин практически невозможно. При этом определение точного положения талевого блока становится независимым от растяжения троса барабана лебедки.

На основании технологических режимов работы и предложенной системы управления СПО был разработан и реализован алгоритм и логика управления электроприводами главных механизмов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ.

Третья глава посвящена разработке систем технологического управления и технического диагностирования электроприводов БУ.

Разработана трехуровневая система управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами главных механизмов БУ, где нижним уровнем являются локальные системы управления электроприводов на базе микропроцессорных систем управления преобразователей частоты, средним – системы управления технологическими режимами работы электроприводов

и верхним – организация интерфейса человек-машина, визуализация, архивирование и анализ технического состояния приводов БУ.

Разработаны и технически реализованы системы логического управления электроприводами БУ на основе ПЛК Simatic S7-300, системы регистрации, обработки и визуализации текущих переменных асинхронных частотно-регулируемых электроприводов БУ, системы регистрации аварийно-предупредительных режимов и оповещения обслуживающего персонала о нештатных событиях в электроприводах БУ. Реализованы аппаратно-программные средства, осуществляющие интерфейс «человек-машина».

На основе логических схем и технологических сигналов управления главных электроприводов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ разработаны алгоритмы диагностирования их технического состояния, включая диагностирование элементов их системы управления.

Предложен и реализован графический интерфейс оперативного и наглядного отображения результатов диагностирования технического состояния электроприводов БУ на экране монитора панели оператора. Реализация требуемых функций панели оператора потребовала разработки прикладных программ и баз данных на различных уровнях программного обеспечения системы диагностирования.

Особенностью разработанной системы диагностирования является возможность отображения трендов о состоянии главных электроприводов БУ, что более наглядно и информативно, чем отражение лишь мгновенных переменных приводов. Количество экранов не ограничено для работы с весом, подачей долота, насосами. В итоге у оператора появляется возможность не только наблюдать мгновенные значения переменных приводов и графики их изменения во времени, но и оценивать приближение проблемных участков бурения.

Четвертая глава связана с экспериментальными исследованиями энергетических режимов работы электроприводов БУ, технологических режимов разработанных систем и алгоритмов их управления, а также решением проблем обеспечения электромагнитной совместимости элементов электропривода БУ в реальных условиях их эксплуатации.

Исследования энергетических показателей выполнялись на входе сети питания 6 кВ БУ-3200/200 М-ДЭП с приводами постоянного тока и БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ с асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами. Определялись реальные значения напряжений и токов, полной, активной и реактивной мощностей, коэффициента мощности системы питания электроприводов БУ, коэффициента искажения синусоидальности напряжения сети при наличии и отсутствии фильтро-компенсирующих устройств в цепи питания БУ. На рис.5 представлен график изменения коэффициента мощности, заданной скорости и фактического электромагнитного момента двигателя лебедки в режиме подъема инструмента с промывкой и работой системы верхнего привода БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ.

Исследования позволили оценить энергетические показатели сети питания электропривода БУ при различных режимах их работы и подтвердить

целесообразность применения регулируемых асинхронных частотно-регулируемых электроприводов БУ.

Экспериментальные исследования технологических режимов и алгоритмов управления электроприводами БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ подтвердили работоспособность и высокое качество статических и динамических характеристик разработанного асинхронного частотно-регулируемого электропривода механизмов БУ.

Проблема обеспечения ЭМС элементов электропривода БУ решалась экспериментальным исследованием ЭМО в районе их расположения. Для ее оценки использовался комплект устройств для анализа спектра напряженностей электрического и магнитного полей, датчики которых были протарированы в эталонных магнитном и электрическом полях соответственно.

В качестве объекта исследования был выбран преобразователь частоты электропривода насоса БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ. При исследованиях ЭМО электропривод насоса работал со скоростью 900 об/мин в установившемся режиме при напряжении 540 В и токе статора 420 А.

На рис. 6 и рис. 7 представлены спектры напряженностей электрического и магнитного полей в районе силовых шин переменного тока. Амплитуды напряженности электрического поля не превышали 710 и 600 В/м на частотах 4000 и 7812 Гц, а амплитуды напряженности магнитного поля достигали 250 и 310 А/м на частотах 9766 и 19531 Гц соответственно.

Рис. 6. Спектр напряженности электрического поля в районе силовых шин переменного тока шкафа ПЧ электропривода насоса

Рис. 7. Спектр напряженности магнитного поля в районе силовых шин переменного тока шкафа ПЧ электропривода насоса

Разработанным комплектом проведены комплексные исследования ЭМО электрооборудования БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ и ее вспомогательных электроустановок. При этом максимальные уровни напряженностей электрического Em и магнитного Hm полей при анализе ЭМО электрооборудования БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ достигали 1180 В/м и 90 А/м в области выпрямителя питания ПЧ, 1080 В/м и 115 А/м в области ПЧ, 600 В/м и 40 А/м в области элементов систем управления.

На основе информации об ЭМО предложены и внедрены способы и рекомендации по обеспечению ЭМС электроприводов БУ 4200/250 ЭЧРК-БМ, использование которых позволило решить существовавшие проблемы ложных срабатываний сигналов управления, а также разработаны и внедрены рекомендации по обеспечению ЭМС элементов электропривода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Обобщены технологические и допустимые режимы работы главных механизмов БУ и на их базе обоснованы технологические и эксплуатационные требования к асинхронным частотно-регулируемым электроприводам механизмов БУ. На основе кинематических схем и технологических режимов работы электроприводов главных механизмов БУ обоснованы типовые диаграммы изменений их нагрузок в функции скорости движения и времени работы механизмов.

2. По технологическим характеристикам насоса БУ и его обобщенной втулке для асинхронных двигателей различных типов и передаточных отношений клиноременной передачи предложен алгоритм определения мощности двигателя, обеспечивающий наиболее рациональное и эффективное ее согласование с мощностью насоса.

3. Доказана целесообразность и эффективность применения для главных механизмов БУ асинхронных частотно-регулируемых электроприводов, обеспечивающих более высокий ( в 1,5 раза) средневзвешенный коэффициент мощности питающей сети, не зависимый от диапазона регулирования скорости приводов, снижение расчетной мощности трансформатора питания электроустановок БУ до 10%, уменьшение искажения питающего их напряжения без установки дополнительных фильтро-компенсирующих устройств, снижение практически вдвое падения напряжения питающей сети на входе БУ в функции длины линии питания по сравнению с БУ на основе приводов постоянного тока.

4. Разработаны и технически реализованы способ и системы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами лебедки и главного насоса БУ с автоматическим и взаимосвязанным ограничением рабочих скоростей и моментов их электродвигателей, обеспечивающих технологическую безопасностью работы лебедки и главного насоса.

5. Разработаны и технически реализованы способ и система управления спуско-подъемными операциями привода лебедки БУ с использованием подроторного датчика положения, обеспечивающая высокую производительность БУ за счет точности определения положения талевого блока при работе БУ с буровыми колоннами из свечей различных длин без предварительного их измерения.

6. На примере буровой установки БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом главных механизмов обоснована суммарная электрическая мощность электроприводов механизмов при различных длинах линии питания БУ, определены основные параметры силовых элементов электроприводов механизмов БУ.

7. Разработаны и технически реализованы алгоритмы логического управления технологическими режимами работы асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных механизмов БУ и аппаратно-программные средства на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300, сетевой коммуникационной платы SIMATIC NET CP 5611, монитора SIMATIC FLAT PANEL, а также программного обеспечения SIMATIC WinCC v6.0 и Simatic Manager v. 5.4, осуществляющие интерфейс «человек-машина».

8. Разработаны алгоритмы диагностирования технического состояния асинхронных частотно-регулируемых главных электроприводов БУ, включая диагностирование элементов их систем управления.

9. Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов БУ, сосредоточенных в едином контейнерном исполнении. Обоснованы способы и рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости элементов электропривода БУ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли практическое применение при внедрении БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ, обеспечив заметное увеличение энергетических показателей по сравнению с БУ на постоянном токе. В итоге для БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ отпала необходимость применения фильтро-компенсирующих устройств. При этом время простоя БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ из-за возможных аварий по линии электрооборудования за счет более высокой надежности асинхронных электродвигателей, их систем управления и диагностирования сократилось не менее, чем в три раза. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования БУ-4200/250 ЭЧРК-БМ нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Электропром» (г. Москва) электроприводов БУ.

Предложенные технические решения по асинхронному частотно-регулируемому электроприводу главных механизмов БУ позволили уменьшить мощность силовых преобразовательных устройств, сечения и количество силовых кабелей для питания двигателей, снизить массогабаритные показатели электропривода насосов, обеспечить снижение затрат и средств на техобслуживание и ремонт электроприводов, повысить надежность работы в крайне неблагоприятных условиях внешней среды БУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Осипов О.И., Е. А. Бабкин Е.А., Ю. В. Шевырев Ю.В. Энергетические показатели электротехнического комплекса буровой установки. Вестник МЭИ. Вып. 1. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – с.42-45.

2. Бабкин Е.А., Симонов А.В., Щеболев А.Ю. Системы управления электроприводами лебедки и насоса буровых установок. // Известия тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. – Т.: Издательство ТулГУ, 2010. ч. 2. – с. 226-229.

3. Бабкин Е.А. Автоматизация технологических операций спускоподъемных механизмов буровой установки. // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 683. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – с. 38-42.

4. Бабкин Е.А. Согласование мощностей буровых насосов и их асинхронных электродвигателей. // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 684. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – с. 51-56.

5. Осипов О.И., Бабкин Е.А. Системы управления спускоподъемными операциями в буровых установках. //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 17.// Под ред. А.А. Радионова – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2009. с. 192–197.

6. Бабкин Е.А., Осипов О.И. Энергетические показатели электротехнического комплекса буровой установки. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Пятнадцатой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. Т. 2. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – с. 116-117.

7. Бабкин Е.А., Осипов О.И. Система визуализации и диагностирования электроприводов буровой установки. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Шестнадцатой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов.– М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – с. 121-122.



 


Похожие работы:

«ШКЛЯРСКИЙ Андрей Ярославович Повышение Качества электроэн ер гии в промысловых распределительных сетях предприятий нефтедобычи Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет Горный. Научный...»

«ЛОВЛИН Сергей Юрьевич РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ КОМПЛЕКСОВ ВЫСОКОТОЧНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский...»

«Петрицкий Сергей Александрович НОРМИРОВАНИЕ И ЭКОНОМИЯ РАСХОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород- 2010 Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) на кафедре Электроэнергетика и электроснабжение. Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор...»

«Ильин Данила Владимирович НЕЗАКОННЫЕ СДЕЛКИ С ЗЕМЛЕЙ: УГОЛОВНО-ПРАВОВАЯ ОЦЕНКА 12.00.08 – уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата юридических наук Москва 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный юридический университет имени О.Е. Кутафина (МГЮА) Научный руководитель доктор...»

«ФИЛОНОВ Сергей Александрович ПОИСК РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С МАССИВНЫМ ЗУБЧАТЫМ РОТОРОМ Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж – 2010 Работа выполнена в НОУ ВПО “Международный институт компьютерных технологий” (г. Воронеж) Научный руководитель доктор технических наук, доцент Анненков Андрей Николаевич Официальные оппоненты:...»

«АЛФЕРЕНОК АРТЕМ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННОЙ КАНАЛЬНОЙ ПЕЧИ С УПРАВЛЕНИЕМ ДВИЖЕНИЕМ РАСПЛАВА В КАНАЛЕ Специальность 05.09.10 – Электротехнология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2009 Работа выполнена на кафедре Физика электротехнических материалов и компонентов и Автоматизированные электротехнологические комплексы Московского энергетического института (технического университета). Научный руководитель: доктор...»

«ЛАВРЕНТЬЕВ Владимир Александрович ВЛИЯНИЕ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПОКСИДНОГО КОМПАУНДА Специальность 05.09.10. – Электротехнология А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов 2009 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент...»

«Сухенко Николай Александрович АКТИВНЫЕ СИЛОКОМПЕСИРУЮЩИЕ Электромеханическ ИЕ систем Ы СБАЛАНСИРОВАННЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новочеркасск 2011 Работа выполнена на кафедре Электропривод и автоматика в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российском государственном техническом...»

«АНДРЕЕВ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ повышения эффективности ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ электротехнического комплекса ГОРОДСКИХ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Тула – 2013 Работа выполнена в Новомосковском институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования Российский химико-технологический...»

«Певчев Владимир Павлович Разработка методов анализа и синтеза мощных короткоходовых импульсных электромагнитных двигателей Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук Самара 2012 Работа выполнена на кафедре Промышленная электроника Тольяттинского государственного университета. Научный консультант: Ивашин Виктор Васильевич доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель...»

«НОЯБРЬ А А 471 Алексеев, Александр Сергеевич. Самонастройка регуляторов исполнительных подсистем мехатронных устройств : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.13.01 / А. С. Алексеев ; науч. рук. В. И. Гончаров ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск, 2010. - 20, [1] с : ил. - Библиогр.: с. 19-20 Экземпляры всего: 1 счз1 (1) А А 810 Аринова, Наталья Владимировна. Автоматизация технологического процесса дозирования...»

«Артыкаева Эльмира Мидхатовна ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ НЕФТЕДОБЫВАЩИХ УСТАНОВОК С ПЛУНЖЕРНЫМ ПОГРУЖНЫМ НАСОСОМ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«Соснина Елена Николаевна НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Самара 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального...»

«ВОЛОШКИН Михаил Михайлович ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2006 Работа выполнена в Санкт-Петербургском госуда р ственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом униве р...»

«Раев Владимир Альбертович ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород - 2008 Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом универ­ситете им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) на кафедре Электрооборудование судов. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Титов...»

«Доценко Анастасия Владимировна ОПТИМИЗАЦИЯ УЩЕРБА И РЕЗЕРВИРОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА Специальность 05.09.10 – Электротехнология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов 2008 Работа выполнена в ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Архангельский Юрий Сергеевич Официальные...»

«Плотников Игорь Геннадьевич ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ПАРАМЕТРОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом...»

«Макаричев Юрий Александрович МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА АКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Самара 2013 Работа выполнена на кафедре Электромеханика и автомобильное электрооборудование ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет. Научный консультант: доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович...»

«АНАНЬЕВ Сергей Станиславович АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С УЛУЧШЕННЫМИ ВИБРОШУМОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иваново 2008 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина (ИГЭУ). Научный руководитель: доктор технических...»

«Кузнецов Кирилл Юрьевич Полупроводниковый комплекс для импульсного электропитания частотно-регулируемых озонаторов Специальность 05.09.12 - Силовая электроника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород - 2008 Работа выполнена на кафедре Электрооборудование судов Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, дДоктор технических наук,...»






 
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.