Система автоматического управления скоростью спуска и подъема колонны бурильных труб

 

Изобретение относится к электроприводу /ЭП/ спускоподъемного агрегата и позволяет достичь высокой точности управления скоростью перемещения колонны бурильных труб за счет регулирования частоты вращения ЭП. Устройство снабжено последовательно соединенными элементом вычитания и элементом деления, которые включены между узлом выбора масштаба и нелинейным элементом. Выход источника напряжения смещения подключен к вторым входам элемента вычитания и элемента деления. Сигнал с выхода задатчика 9 частоты вращения через фазочувствительный выпрямитель 10 поступает на первый вход узла ограничения /УО/ 11. Выходной сигнал УО 11 ограничен сигналом, определяющим необходимую частоту вращения ЭП в функции момента нагрузки и поступающим на его второй вход с выхода блока формирования оптимальной скорости /БФОС/ 6 спуско-подъемного агрегата. Сигнал с выхода УО 11 через задатчик 12 интенсивности, определяющий допустимую величину ускорения в процессе разгона ЭП, поступает на узел 13 регулирования ЭП и является сигналом задания его частоты вращения. Входы узла выбора масштаба являются входами БФОС 6 и соединены соответственно с выходами задатчика 7 веса и задатчика 8 количества двигателей, а выход нелинейного элемента является выходом БФОС 6. Это обеспечивает управление частотой вращения ЭП в режиме установившегося движения по закону постоянства среднеквадратических потерь в якоре. 4 ил.

„„SU„„1476114 A1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОф АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5g у Е 21 В 44/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ г б

I

t!

Н А BTGPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4294091/23-03 (22) 11. 08. 87 (46) 30.04.89. Бюл. № 16 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промьппленности, сельском хозяйстве и на транспорте (72) Б.И. Моцохейн, Б.M. Парфенов и А.Д. Чурсин (53) 622.242(088 ° 8) (56) Унифицированные системы тиристорного электропривода постоянного тока наземных буровых установок. M.:

Информэлектро, 1985, с. 9-14.

Колодезев С.В., Парфенов Б.N. Система автоматического ограничения мощности электропривода буровой лебедки. РНТС "Электротехническая промышленность", еер. Электропривод, ¹ 10, 1982, с. 18-20. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЫО СПУСКА И ПОДЪЕМА КОЛОННЫ БУРИЛЪНЫХ ТРУБ (57) Изобретение относится к электро- приводу (ЭП) спуско-подъемного агрегата и позволяет достичь высокой точности управления скоростью перемещения колонны бурильных труб за счет регулирования частоты вращения ЭП.

Устройство снабжено последовательно

- соединенными элементом вычитания и элементом деления, которые .включены между .узлом выбора масштаба и нелинейным элементом. Выход источника напряжения смещения подключен к вторым входам элемента вычитания и элемента деления. Сигнал с выхода задатчика 9 частоты вращения через фазочувствительный выпрямитель 10 поступает на первый вход узла ограничения (УО) 11. Выходной сигнал УО 11 ограничен сигналом, определяющим необходимую частоту вращения ЭП в функции момента нагрузки и поступающим на его второй вход с выхода блока формирования оптимальной скорости (БФОС)

6 спуско-подъемного агрегата. Сигнал с выхода УО 11 через задатчик 12

Ю интенсивности, определяющий допустимую величину ускорения в процессе разгона ЭП, поступает на узел 13 регулирования ЭП и является сигналом С задания его частоты вращения. Входы узла выбора масштаба являются входа- 2 ми БФОС 6 и соединены соответственно с выходами задатчика 7 веса и задатчика 8 количества двигателей, а выход нелинейного элемента является выходом

БФОС 6. Это обеспечивает управление частотой вращения ЭП в режиме уста1аю новившегося движения по закону постоянства среднеквадратических потерь )4 в якоре. 4 ил.

1476114

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам дпя осуществления управления скоростью машинных операций по спуску и подъему инструмента при электрическом приводе спуско-подъемного аргегата (СПА), и может применяться на установках для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения неф- 10 тяных и газовых скважин.

Целью изобретения является повы- шение точности управления скоростью перемещения колонны бурильных труб за счет регулирования частоты вра- 15 щения электропривода при поддержании постоянного уровня среднеквадратических потерь в якоре, т.е. обеспечения управления, гарантирующего наивысшую производительность машин- 20 ных операций при заданных ограничениях (установленная мощность электропривода, максимально допустимая линейная скорость перемещения).

На фиг. 1 приведена взаимосвязь элементов, обеспечивающих формирование оптимальной скорости электропривода спуско-подъемного агрегата для осуществления оптимального управле.ния скоростью спуска и подъема колон- 30 ны бурильных труб (КБТ); на фиг. 2структурная схема системы; на фиг.3принципиальная схема системы; на фиг. 4 — расчетные механические характеристики электропривода буровой установки БУ-15000.

Длительность рабочего цикла спуско-подъемных операций (СПО) - величина переменная в связи с тем, что изменяется продолжительность машинных 40 операций. Ллительность вспомогатель» ных операций при достаточной квалификации обслуживающего персонала и существующем уровне механиэациивеличина практически постоянная, 45 не зависящая от веса КБТ. Следовательно, в целом для электропривода

CIIA продолжительность включениявеличина переменная, уменьшающаяся по мере снижения веса КБТ и повышения скорости подъема. В данном случае рациональным законом регулирования является управление, оптимальное по нагреву, при котором реализуется дифференцированный выбор коэффициента статической перегрузки с целью поддержания постоянного уровня среднеквадратичных потерь в якоре электродвигателя, Уравн е ние оптимальной механической характеристики для регулирования по условию поддержания постоянного уровня среднеквадратических потерь в якоре, т.е. по условию постоянства циклового тока, имеет следующий вид .

Мо ;-1

M° . - — (1 +8 -); (1) т Д ° > -1

1 vaiC (2),,1, es . /

А

03 (3)

М;-В где . — заданное значение угловой

1 скорости вращения электродвигателя в установившемся режиме движения электропривода, рад/с;

M — статический момент на валу

1 электродвигателя, Н-м;

А = М„(1 -й)мо= сопв1;

 — и М = const

М " статический момент на валу электродвигателя в основной расчетной точке.

Соотношение (3) позволяет оперативно оценить необходимые с точки зрения рационального управления значения частоты вращения электродвигателя в процессе перемещения КБТ где М, и м; — текущие зн ач ения момента на валу электродвигателя и угловой скорости вращения;

М и

О о параметров в основной расчетной точке;

Л вЂ” относительное приращение момента по сравнению с характеристикой постоянства мощности при максимально допустимой (для СПА) частоте вращения электродвигателя.

В системах электропривода буровых лебедок ы„ м = 2ыоо следовательно мк< 2 °

Блок формирования оптимальной скорости электропривода СПА обеспечивает управление частотой вращения электродвигателя в режиме установившегося движения по закону постоянства циклового тока (1).

Поскольку для конкретной буровой установки, значения Мо, 4, v„»„ ïoñòoÿíны, соотношение (1) преобразуется к виду:

1476114 (4) 35 где

Г пр

М

"l тс 1пв

Выбор MBcIIITRGHblx коэффициентов вида макс m

m = m

F макс где макс 10  — максимальное зна40 чение сигнала с датчика веса, пропорциональное мак- 45 симальному (F м«нс ) усилию на крюке;

m — масштабный коэффим циент статического момента на валу элетродвигателя, В/H м;

m „ - масштабный коэффициент усилия на крюке, В/Н. позволяет определить значение статического момента на валу электродвига55 теля в виде

М п (5) для каждого цикла в функции момента нагрузки M, который зависит от текущего значения нагрузки на крюке °

Рациональное значение частоты вращения электродвигателя определяется на основании сигнала датчика веса КБТ и после проведения ряда преобразований согласно соотношению (3) блок формирует необходимое задающее воздействие на систему регулирования электроприводом СПА в.виде аналогового сигнала управления.

Аналоговый сигнал, поступающий от задатчика веса, преобразуется в значение, соответствующее статическому моменту на валу электродвигателя.

Преобразования основаны на использовании соотношения 20

F кр.r вр 1

М1

У тс 66 где F kp - усилие на крюке, Н;

r „- радиус приведения, м; ,%

n - количество работающих электродвигателей.

Если принять КПД и радиус приведения постоянными для конкретной буровой установки, то справедливым является соотношение

M ° =AF

Кр где F; — текущее значение сигнала датчика веса, В;

М

= m „M,— значение статического момента с учетом масштабного коэффициента, В.

Из соотношения (5) следует, что величина статического момента на валу электродвигателя однозначно связана с сигналами датчика веса КБТ, однако при этом необходимо учитывать заданное количество работающих электродвигателей.

С учетом масштабных коэффициентов т и т расчетное соотношение (3) преобразуется к виду а (а

F; -Ь и где ш;=

=ш -ы, — расчетное значение рациональной угловой скорости вала электродвигателя, в;

-а = m m,„ А = сопят, В;

Ь = m мВ = constр В

Масштабный коэффициент по угловой скорости 4 макс

m (4

У макс где w »„, — максимальная угловая скорость вала электродвигателя, рад/с; .о„, „, — максимальная величина аналогового сигнала, В.

Поскопьку т,„ равен коэффициенту обратн и связи по угловой скорости

К,, а задающее воздействие з на систему регулирования связано с угловой скоростью вала электродвигателя соотношением то справедливо равенство в,с. К о.с °

Формирование оптимальной скорости электропривода по критерию постоянства средневадратических потерь в якоре осуществляется путем последовательного соединения узла 1 выбора масштаба, элемента 2 вычитания, элемента 3 деления и нелинейного элемента 4. Выходы источника 5 напряжения смещения подключены к входам элементов вычитания 2 и деления 3.

14761

Входы узла 1 выбора масштаба (фиг.2) блока 6 формирования оптимальной скорости электропривода СПА по критерию постоянства среднеквадратических по- 5 терь в якоре связаны с выходами датчика 7 веса и задатчика 8 копичества двигателей. Зацатчик 9 частоты вращения, фазочувствительный выпрямитель 10, узел 11 ограничения, задат- 1О чик 12 интенсивности и узел 13 регулирования электропривода соединены последовательно, причем выход нелинейного элемента 4 подключен к второму входу узла 11 ограничения. 15

Узел 1 выбора масштаба (фиг. 3) содержит операционный усилитель 14 с резисторами 15, 16 и 17 и реле 18 выбора количества двигателей. На вход усилителя 14 подается сигнал, 20

Ui с датчика 7 веса. На второй вход узла 1 подается дискретный логический сигнал с задатчика 8 количества двигателей. В обратную связь операционного усилителя 14 включены параллель- 25 но два резистора 15 и 16 и контакт

P 1 реле 18 выбора количества двигателей.

Элемент 2 вычитания содержит резисторы 19 и 20 на входе операцион- ЗО ного усилителя 21 и резистор 22 в цепи обратной связи. Входными сигналами элемента 2 вычитания являются аналоговый сигнал ц „ с выхода, узла 1 выбора масштаба и сигнал U,ñ первого выхода источника 5 напряжения смещения, причем сигналы U „ и U, имеют различную полярность.

Входными сигналами элемента 3 деления являются сигнал с выхода эле- @О мента 2 вычитания U и сигнал с второго выхода источника 5 напряжения смещения U

Выходной сигнал элемента 3 деления U подключен к входу нелинейного элемента 4, содержащего стабилитрон

23 и резистор 24 в цепи обратной связи операционного усилителя 25, а на

его входе резистор 26.

Сигнал U, ðñ выхода нелинейного элемента 4 подается на вход узла 11 ограничения.

Операция по подъему колонны бурильных труб осуществляется по сигналу от задатчика 9 частоты вращения (сельсинный командоаппарат), расположенного на пульте бурильщика. При работе бурильщик устанавливает ручку сельсина в положение, соотве тствующее максимальному задающему сигналу частоты вращения электродвигателя. В результате с выхода задатчика 9 частоты вращения на вход фазочувствительного выпрямителя 10 подается максимальное значение сигнала

U, . Величина выходного сигнала фазочувствительного выпрямителя 10 также устанавливается на максимальном уровне 10 В.

Поскольку выход фазочувствительного выпрямителя 10 связан с первым входом узла 11 ограничения, то и на этом входе устанавливается сигнал максимальной величины. Выходной же сигнал U „, узла 11 ограничения после окончания разгона электропривода, ограничивается на уровне, равном сигналу U,„, который определяет необходимую с точки зрения рациональI ного управления, частоту вращения эле к тр од в иг а те ля в фун кции мом ен та нагрузки И,.

В процессе разгона электропривода допустимая величина ускорения задается задатчиком 12 интенсивности.

Таким образом, частота вращения электродвигателя в режиме установившегося движения является функцией момента нагрузки, так как выходной сигнал узла ограничения U „ равен

В свою очередь, U „, равен сигналуу U, а . сигнал U < является сигналом задания частоты вращения электродвигателя и подается непосредственно на узел 13 регулирования электропривода.

Зависимость величины сигнала Uo> от статического момента на валу электродвигателя в блоке 6 формирования оптимальной скорости электропривода

СПА воспроизводится следующим образом..

Узел 1 выбора масштаба осуществляет корректировку сигнала датчика 7 веса в зависимости от заданного количества работающих электродвигателей. На его первый вход с датчика 7 веса подается аналоговый сигнал, пропорциональный усилию на крюке.

Диапазон изменения аналогового сигнала 0-10 В.,На второй вход узла 1 выбора масштаба подается дискретный логический сигнал с задатчика 8 количества двигателей.

При работе одним электродвигателем уровень сигнала с задатчика 8 соответствует логическому нулю (О1476114

1

М -- В. п

Вьгходной сигнал элемента 2 вычитания и сигнал U с источника 5 напряжения смещения подается на два входа элемента 3 деления.

Величина напряжения смещения U пропорциональна с учетом масштабного коэффициента m „ и m расчетному значению А в формуле (3).

Выходной сигнал U > элемента 3 деления пропорционален расчетному значению

40

1;. --в

Сигнал U является входным сигналом нелинейного элемента 4, который выполнен на операционном усилителе 25, в Обратную связь которого включены резистор 24 и стабилитрон

23. Коэффициент усиления нелинейного элемента 4 равен единице. Стабилитрон

23 ограничивает .выходной сигнал

Uz p нелинейного элемента 4 на уров0,5 В), а при работе двумя электродвигателями — логической единице (+t2 В).

Если сигнал с задатчика 8 равен

+12 В, то включается реле 18 и своим контактом замыкает цепь обратной связи операционного усилителя 14. При этом в обратную связь включаются параллельно два резистора 15 и 16 и коэффициент усиления операционного усилителя 14 становится равным 0,5 °

Если сигнал с задатчика Я.равен логическому нулю, то реле 18 не включено, контакт реле в цепи обратной связи усилителя 14 не замкнут и его коэффициент усиления .определяется только резистором 15 и равен единице.

Входными сигналами элемента 2 вычитания являются выходной сигнал U>Ä 20 узла 1, пропорциональный усилию на крюке F и выходной сигнал U, источника 5 напряжения смещения. Величина напряжения смещения U, пропорциональна, с учетом масштабного .25 коэффициента m „ расчетному значению

В в формуле (3), поскольку входные сигналы элемента 2 вычитания разной полярности, то его выходной сигнал равен разности сигналов U z„ и U; .

Сигнал на выходе элемента 2 вычитания соответствует с учетом масштабного коэффициента m „ расчетному значению не 10 В при статическом моменте на валу электродвигателя, равном или меньшем 0,2 NH что исключает выход сигнала U за максимальный рабочий огр уровень изменений аналоговых сигналов устройства -10 В.

Сигнал U „ подается на второй вход узла 11 ограничения. Таким образом, при изменении статического момента на валу электродвигателя изменяется величина сигнала U, è, в режиме установившегося движения U U„„=0 с Koñ >

Реализация изобретения позволяет повысить частоту вращения электродвигателя и, следовательно, среднюю скорость движения исполнительного органа электропривода спуско-подъемного агрегата, что позволяет сократить общее время СПО на буровых установках.

Из расчетных механических характеристик электропривода лебедки буровой установки БУ-15000 (фиг. 4) видно, что частота вращения электродвигателя при управлении по закону постоянства циклового тока (кривая б) больше, чем при управлении по закону постоянства мощности (кривая а), что указывает на целесообразность использования данного принципа в системе регулирования электропривода СПА.

Формула изобретения

Система автоматического управления скоростью спуска и подъема колонны бурильных трубь содержащая задатчик частоты вращения, выход которого через фазочувствительный.выпрямитель соединен с первым входом узла ограничения, выходы задатчика количества двигателей и датчика веса соединены с соответствующими входами узла выбора масштаба, выход узла ограничения через задатчик интенсивности соединен с входом узла регулирования скорости электропривода, источник напряжения смещения и нелинейный элемен г, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повьш ения точности управления за счет регулирования частоты вращения электропривода при поддержании, постоянного уровня среднеквадратических потерь в якоре, система снабжена элементом вычитания и элементом деления, при этом выход узла выбора масштаба соединен с первым входом элемента вычитания, выход которого подключен к первому входу элемента

147б114

Составитель В. Шилов

Техред Л.Олийнык

Редактор A. Лежнина

Корректор М., Васильева

Заказ 2139/32 Тираж 515 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,101 деления, выходы источника напряжения смещения соединены с вторыми входами соответственно, элемента вычитания и элемента деления, выход последнего подключен к входу нелинейного элемента, а выход нелинейного элемента соединен с вторым входом узла ограничения.