Способ определения крутящего момента на роторе буровой установки

 

Сущность изобретения: определяют потери холостого хода электропривода установки в виде активной Рхх и реактивной QXx мощностей, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную Ра и реактивную Q мощности и коэффициент а несимметрии питающей цепи, при этом величину М крутящего момента определяют из выражения М а(Рхх Ра + Qxx Q) (Ра-Рхх) / Pxx(Pa+Q) + Qxx(Q-Pa) (1-а), где a - коэффициент , постоянный для данного типа электропривода . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 3/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4783244/10 (22) 31.10.89 (46) 07.09.92. Бюл. М 33 (71) Научно-исследовательский и проектноконструкторский институт автоматизированных систем управления транспортом газа (72) В. Т. Загоруйко, К. Е. Панченко и А. И.

Яценко (56) 1. Заявка Японии

М 62-9242, кл. 6 01 1 5/00, 1987, 2. Авторское свидетельство СССР

N- 876971, кл. Е 21 В 44/00, 1980.

3. Авторское свидетельство СССР

М 1377630, кл. G 01 L 3/10, 1986.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения крувтящего момента на роторе буровой установки нефтяных и газовых скважин, Известен способ определения крутящего момента, согласно которому производят измерение момента на валу асинхронного короткоэамкнутого электродвигателя путем его вычисления по значению напряжения и тока и параметрам электродвигателя (11.

Недостатком данного способа является то, что для вычисления момента на валу электродвигателя необходимо знать значение активных и реактивных сопротивлений статора и реакгивных сопротивлений статора и ротора, которые различны даже для одной марки каждого электродвигателя.

Кроме того, эти параметры изменяются в процессе работы электродвигателя в зависимости от температуры, Все это приводит к невысокой точности измерения.. Ж 17о9398 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРУТЯЩЕГО

МОМЕНТА HA РОТОРЕ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ (57) Сущность изобретения: определяют потери холостого хода электропривода установки в виде активной Рхх и реактивной 0хх мощностей, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную Ра и реактивную 0 мощности и коэффициент а несимметрии питающей цепи, при этом величину

M крутящего момента определяют из выражения М = а((Рхх Ра + 0хxIQ) {Ра Рхх) /

Р„„(Р,+О) + 0„(0-Pa)) {1- а), где а — коэффициент, постоянный для данного типа электропривода. 3 ил.

Известен способ измерения момента погружного электродвигателя, в котором измерение момента производят по величине механической скорости проходки (2), Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная необходимостью вводить коэффициенты, учитывающие потери в токопроводе и двигателе, величина которых изменяется, соответственно от длины токопровода и температуры работающего двигателя. Кроме того, при моментах, близких к максимальному, для любого типа электродвигателя линейная зависимость между активной мощностью, оборотами и моментом нарушается из-за перераспределения активных и реактивных мощностей в электродвигателе, что приводит к дополнительной погрешности измере ния момента.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является техническое решение на способ определения крутящего момента на роторе буровой установки. Со1760398

Рполн= 7 Я +я2

tgp =—

Q (2) ние крутящего момент а на роторе буровой установки по напряжениям и током, действующим в роторной цепи приводного асинхронного электродвигателя с фазным ротором с учетом передаточного отношения коробки передач(3).

Недостаткам этого способ являются невозможность его использования для измерения момента асинхронных короткозамкнутых двигателей, используемых, например, в электробурах установок нефтяных и газовых скважин, а также низкая точность измерения, обусловленная тем, что при моментах, близких к максимальному, линейная зависимость между активной мощностью, оборотами и моментом нарушается из-за перерасчпределения активных и реактивных мощностей в электродвигателе, что приводит к дополнительной погрешности измерения момента.

Целью изобретения является повышение точности.

Цель достигается тем, что по способу определения крутящего момента на роторе буровой установки определяют потери холостого хода электропривода установки, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную мощность Р,, потрубляемую электроприводом, и коэффициент и несимметрии питающей сети, дополнительно на рабочем режиме измеряют реактивную мощность Q, потребляемую электроприводом, а потери холостого хода находят путем измерения в режиме холостого хода активной Рхх и реактивной Охх мощности, при этом величину М крувтящего момента определяют из выражения (рхх pa+Qxx Q ра Рхх

М-а

РР„„Qa+Q +Qxx Q — Р где а — коэффициент, постоянный для данного типа электропривода.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что для определения крутящего момента на роторе буровой установки исключается необходимость измерения активных и реактивных сопротивлени и электропривода, а также потерь в токопроводе, что в значительной степени уменьшает погрешность и повышает точность измерения.

Экономический эффект от использования предлагаемого способа составляет порядка 60 тыс. руб. в год за счет упрощения изготовления и эксплуатации увстройства, реализующего предлагаемый способ, а также за счет повышения точности измерения, На фиг. 1 приведан функциональная схема устройства, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 7 приведен труугольник мощностей; на фиг. 3 приведан Г-образная схема замещения асинхронного электродвигателя и токопровода.

Устройство содержит датчик 1 нап ряжения, датчики 2 и 3 тока, включенные в цепь электрической машины 4, измерители 5 и-6 прямой и обратной симметричнных напряжения сети, измерители 7 и 8 активной и реактивной мощностей, формирователь 9, устройство 10 ввода, пульт 11 управления, микроконтроллер 12 и индикатор 13

Устройство работает следующим образом.

При включении электродвигателя в сеть сигналы с датчика 1 напряжения поступают на измерители прямой 5 и обратной 6 симметричных составляющих напряжения, формирователь 9, измерители активной 7 и реактивной 8 мощностей, на которые поступают также сигналы с датчиков 2 и 3 тока.

Двигатель начинает работать на холостом ходу. На первом выходе формирователя 9 появляется сигнал высокого уровня, свидетельствующий о включении электродвигателя и работе его на холостом ходу. При этом значение активной и реактивной мощностей холостого хода заносятся в память микроконтроллера 12, после чего микроконтроллер воздействует через устройство 10 ввода на формирователь 9, снимает на его первом выходе напряжение высокого уровня, На втором выходе формирователя 9 поддерживается сигнал высокого уровня, свидельствующий о том, что на электродвигатель подано напряжение. Далее микроконтроллер 12 через устройство

10 ввода опрашивает измерители 5 и 6 прямой и обратной симметричных составляющих, измерители 7 и 8 активной и реактивной мощностей и формирователь 9 и по соответствующей программе управления производит вычисления значения момента согласно выражениям, приведенным ниже.

Известно, что полная, активная и реактивная мощности связаны между собой тренугольником мощностей, приведанным на фиг. 2 (см. например, общая электротехника с основами электроники. В, А, Гаврилюк и др.,; Вища школа, 1989, с. 92, 93). где Рлолн — полная мощность. р — угол сдвига фаз между током и напряжением на зажимах устройства, при этом

1760398

R//S (7) СО$уя 2

xg и= S —.

XJ

Rj (8)

Таким образом, суммарный сдвиг фаз нагруженной электромашины равен

P= P1 PZ (9)

С учетом того, что

Из рассмотрения Г-образной схемы замещения асинхронного электродвигателя и токоподвода, приведенной на фиг. 3, находим, что полное сопротивление электродвигателя равно 5 (Во+> Хо)(R1+ —, +1(X1+Xj)

RJ

Е-(Кт +)Хт) +—

Rp+R1+ —, + (Х. +Х1+Х1)

R где Вт, Х, — активное и реактивное сопротив10 ления токопровода;

Ro,Xp — активное и реактивное сопротивления намагничивающей ветви;

R1,X1 — активное и реактивное сопротивления статора электродвигателя;

R 2, Х 2 — приведенные к статору актив1 1 ные и реактивные сопротивления ротора электродвигателя;

S — скольжение;

i — мнимая единица 0 = v — т ).

На холостом ходу скольжения мало, поэтому, устремив S к нулю, нетрудно найти

Zxx = Ro+ Rx+ j(Xo+ Хт) (4) где Zxx — К полное сопротивление токопровода и электрической машины на холостом ходу;

Очевидно, что

Хо +Хт т9 p1 —, +, (5) о т

30 где р1 — угол сдвига фаз между током и напряжением на холостом ходу, Следовательно, пользуясь выражением (2), можно записать тур 1 — "", (6) где Охх — реактивная мощность холостого хода;

Rxx — активная мощность холостого хода, 40

При увеличении момента на валу электродвигателя угол сдвига фаз между током и напряжением начинает уменьшаться за счет увеличения угла сдвига фаз роторной цепи р2. Из литеРатУРы известно (см. на- 45 пример, Клюев В. И. Теория электропривода, M. Энергоиздат, 1985, с. 156), что а также выражений (2), (5), (6), (8), после соответствующих математических и реобразований, получаем величину, скольжения как функцию активной и реактивной мощностей

Охх Оа Рхх О (1" )

Ра Рхх + О Охх

Выражение для определения момента асинхронного электродвигателя имеет следующий вид где m1 — фазность питающего электродвигатель напряжения; р — число полюсов электродвигателя;

f1 — частота питающей сети;

c — коэффициент несимметрии питающей электродвигатель сети;

Ъбр

Р где Uo5p — напряжение обратной симметрично составляющей;

Upp — напРЯжение пРЯмой симметРичной саста вля ющей.

Таким образом, с учетом выражений (11) и (12) после соответствующих материматических преобразований выражение для определения момента на валув асинхронного электродвигателя примет следующий виц:

M=-а (Рхх Ра + Qxx С1 ) Ра Рхх ) (1 — u ))

Рхх а а+Q +Qxx(Q — Pa р где а 2 — коэффициент, постоянный

2 7тт1 для данного типа электропривода.

Преимущество данного способа состоит и в том, что его реализация. с помощью описанного выше устройства может быть осуществлена на отечественных серийно выпускаемых изделиях высокого класса точности. Например, в качестве измерителей активной и реактивной мощностей могут быть использованы измерительнь|е преобразователи соответственно типа Е 748 и Е 849 или им подобные, выпускаемые Витебским ПО "Электроизмеритель". класса точочности 0,25%. Б качестве микроконтроллера возможно применение программируемого микроконтроллера

"Электроника MC 2702" или аналогичная, а в качестве индикатора — показывающие приборы комплекса нСкуб-M". Устройством ввода может служить аналого-цифровой преобразователь К 572ПВ 4, представляющий собой восьмиканальную систему сбора данных. Измерители прямой и обратной симметричных составляющих могут быть легко выполнены по схемам, приведенными, например, авт. св. N..

817503, кл. G 01 M 15 00.

Формула изобретения

Способ определения крутящего момента на роторе бувровой установки. заключа1760398 ющийся в том, что определяют потери холостого хода электропривода установки, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную мощность Р . потребляемувю электроприводом, и коэффициент несимметрии питающей сети, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно на рабочем режиме измеряют реактивную мощность О, потребляемую электроприводом, а потери холостого хода находят путем измерения в режиме холостого хода активной Рхх и реактивной Qxx мощности. при этом величину M крутящего моментаределяют из выражения

1 Рхх >a + Gx G Ра Р

Мa.. (1 — а). „„о,+о +о а-Ра где а — коэффициент постоянный для данного типа электропривода.

1760398

Составитель В.Загоруйко

Техред М.Моргентал Корректор И. Шулла

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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