автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Теоретические основы, диагностические средства и методы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок

ГТБ О*

> 7 ОМ «98

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ Михаил Иванович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

И МЕТОДЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре энергетики Московской государственной геологоразведочной академии.

Научные консультанты: -заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Лимитовский A.M.,

-заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Козловский Е.А.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники, академик РАЕН

доктор технических наук, профессор, Калинин А.Г.

доктор технических наук, профессор *' Юнин Е.К.

доктор технических наук АхметВ.Х.

Ведущая организация: СКБ «Геотехника», г. Москва.

Защита состоится 19 ноября 1998 г. в 13-00 часов в аудитории №4-15а на заседании диссертационного совета Д.063.5 5.01 в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА. Автореферат разослан "14" октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета заслуженный деятель науки и техники, профессор

доктор технических наук, академик РАЕН Лимитовский

V Э

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка методов энергосберегающей эксплуатации бурового оборудования при проведении геологоразведочных работ является комплексной проблемой,. имеющей научные, технические, технологические . и организационные аспекты, решение которой- ■ позволит повысить эффективность поиска и разведки месторождений твердых полезных ископаемых.

Особенности эксплуатации: большие динамические нагрузки, вибрация, работа в режиме частых пусков, остановок и реверсов; частая передислокация, интенсивное деградационное влияние окружающей среды; низкое качество питающей электроэнергии от автономных маломощных источников; определяемые удаленностью от промышленных центров ограниченные возможности снабжения горючим, запасными частями и средствами технической диагностики, неоптимальная система технического обслуживания и ремонта и т.п., обусловливают интенсивный износ оборудования и частые отказы, наносящие большой экономический ущерб (например, при бурении установками ЗИФ-650М в Кировской и Приазовской экспедициях затраты рабочего времени на простои и ремонты достигали 33%).

Автоколебания бурового геологоразведочного оборудования, возникающие в процессе эксплуатации, требуют для своего поддержания значительных (до 50%) бесполезных затрат механической энергии.

Устранение аварийных отказов оборудования и непроизводительных затрат является существенным резервом для повышения эффективности использования энергии, потребляемой геологоразведочным оборудованием.

Значительная часть отказов основного технологического оборудования геологоразведки приходится на долю электропривода, содержащего, в основном, трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (ТАД). Специфика работы геологоразведочного бурового станка такова, что в большинстве случаев для бурения и спуско-подъемных операций используется один и тот же электродвигатель, а т.к. требуемая мощность для бурения и спуско-подъемных операций значительно различается, то при бурении, особенно в начальных стадиях, ТАД работает с недогрузкой, при низких значениях коэффициентов мощности и полезного действия. Такие режимы эксплуатации электропривода неэффективны, как по экономическим, так и по энергетическим показателям.

Следовательно, разработка методов энергосберегающей эксплуатации бурового геологоразведочного оборудования является актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является комплексная разработка теоретических основ энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых геологоразведочных установок, создание и внедрение диагностических средств, методов и технологий, обеспечивающих повышение энергетической эффективности использования асинхронного электропривода бурового оборудования путем:

• теоретического анализа динамических процессов в буровом снаряде, бурильной колонне и электроприводе бурового станка при крутильных автоколебаниях с помощью электрических моделей бурового снаряда и бурильной колонны;

• выявления дефектов асинхронных электродвигателей и оборудования на ранней стадии их возникновения с помощью системы непрерывной дистанционной диагностики и проведения предупредительных ремонтов, исключающих аварийные отказы оборудования;

• эксплуатации асинхронного электропривода в энергосберегающих режимах с использованием диагностической информации для оптимизированного регулирования его энергетических параметров;

• повышения устойчивости бурового станка к возникновению автоколебаний, отбирающих значительную часть механической энергии, вырабатываемой асинхронным электроприводом, с использованием диагностической информации для оптимизированного управления технологическим режимом бурения.

Основные задачи исследований. Комплексный системный подход к разработке научно-технических проблем предусматривает поиск возможных решений на трех уровнях: надсистемы, системы и подсистемы. При таком подходе буровой станок можно рассматривать как надсистему, асинхронный электропривод бурового станка - как систему, а электродвигатель привода - как подсистему.

Решение поставленной задачи на уровне надсистемы, связано с поиском оптимальных технологических режимов эксплуатации станка, исключающих появление в бурильной колонне стоячих волн механической энергии, и обеспечивающих устойчивость станка к автоколебаниям для устранения потерь энергии при передаче бурильной колонной механической мощности от электропривода к забою. Решение задачи на уровне системы предусматривает анализ специфических особенностей эксплуатации ТАД в электроприводе бурового станка (неполная загрузка), анализ динамических процессов, протекающих в асинхронном электроприводе бурового станка при наличии крутильных автоколебаний в нагрузке - буровом снаряде и бурильной колонне, являющейся системой с распределенными параметрами; а также - и разработку системы автоматического регулирования, обеспечивающей оптимизацию его энергетических характеристик при значительных изменениях нагрузки на валу. Решение проблемы на уровне подсистемы, предполагает применение в реальных условиях эксплуатации асинхронных электродвигателей непрерывной диагностики для заблаговременного устранения возникающих дефектов и возмущающих факторов, обусловленных конструктивными просчетами, технологическими погрешностями изготовления, и. сборки, как отдельных узлов, так и двигателя в целом, а также возникающих в результате его износа или неправильной эксплуатации, для максимального сокращения времени простоев и снижения затрат на техническое обслуживание и ремонты.

Рис.1. Методы энергосберегающей эксплуатации электропривода буровых

установок.

Сущность методов энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок (рис.1) заключается в . комплексном использовании оперативной информации, получаемой от диагностических средств, объединенных в единую информационно-измерительную систему, для: • ■ ,,.,... |

•диагностики технического состояния электродвигателей, электропривода и оборудования с целью своевременного выявления их дефектов; •оптимизированного регулирования энергетического режима работы электродвигателей (по критериям минимума потерь мощности, максимума коэффициента мощности и др.); к;.

•оптимизированного (по критерию минимума колебаний) управления технологическим процессом бурения с целью минимизации потерь мощности, передаваемой бурильной колонной от электропривода на забой.

Информационно-измерительная система использует информацию, заключенную в параметрах тока, потребляемого электроприводом бурового станка, по которой определяется закон изменения мгновенного скольжения ротора s(t) и его производная dsfdtmn(t), соответствующая закону изменения мгновенного момента на валу ТАД. По этим данным находят спектральный состав мгновенных скольжений ротора и строят фазовый портрет системы, которые являются основой для принятия решения о необходимости проведения профилактических работ с оборудованием, оперативного вмешательства в технологический процесс бурения для максимального использования на забое механической энергии, вырабатываемой электроприводом, или регулирования энергетического режима эксплуатации ТАД.

Временной, спектральный или корреляционный анализ закона изменения мгновенного скольжения ротора позволяет одновременно идентифицировать дефекты ТАД, электропривода, .оборудования, а также - оптимизировать энергетические режимы эксплуатации асинхронного электропривода.

Для эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок в энергосберегающих режимах и повышения его эксплуатационной надежности ■ в условиях геологоразведочных работ, путем непрерывной диагностики,

регулирования режима и управления технологическим процессом бурения необходимо решить следующие задачи:

•разработать теоретические основы анализа динамических процессов в буровом снаряде, бурильной колонне и асинхронном электроприводе бурового станка с использованием информации, заключенной в параметрах потребляемого тока;

•теоретически обосновать и практически разработать метод непрерывной диагностики асинхронного электропривода основного технологического оборудования по обобщенному диагностическому параметру - мгновенному скольжению ротора ТАД, работающего в штатном режиме;

•теоретически обосновать и практически разработать метод регулирования, обеспечивающий эксплуатацию электроприводов буровых станков в энерго- и ресурсосберегающих режимах с использованием диагностической информации;

•теоретически обосновать и практически разработать метод управления технологическим процессом бурения, обеспечивающий устранение колебаний оборудования, выявляемых в процессе непрерывной диагностики;

•выявить диагностические признаки отдельных дефектов: установить аналитические и экспериментальные закономерности, связывающие законы вариаций мгновенного значения скольжения ротора ТАД с его дефектами, дефектами бурового оборудования и особенностями режимов его эксплуатации;

•разработать комплекс технических средств для управления, регулирования и непрерывной дистанционной невозмущающей диагностики узлов, механизмов и ТАД по параметрам тока, потребляемого им в штатных условиях эксплуатации;

•оценить точность, надежность и достоверность диагностической информации, получаемой из параметров тока, потребляемого двигателем;

•провести экспериментальную проверку полученных теоретических выводов и разработанных технических средств в условиях энерго- и ресурсосберегащей технологии эксплуатации и ремонта геологоразведочного оборудования;

•разработать рекомендации и методики использования разработанных методов и диагностического оборудования в производстве и учебном процессе.

Методической основой работы является комплексное решение проблемы энергосберегающей эксплуатации электропривода буровых установок путем использования обобщенного диагностического параметра1- мгновенного значения скольжения ротора асинхронного двигателя электропривода, определяемого по параметрам потребляемого тока.

■ В работе использованы методы: теории колебаний для систем с сосредоточенными и распределенными параметрами, теории решения нелинейных и параметрических дифференциальных уравнений, теории

функций комплексных переменных, теории автоматического регулирования, теоретической механики, теоретической электротехники, спектрального анализа, электрического моделирования механических систем, синтеза электрических цепей и электромеханических аналогий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. доказана теорема о балансе активных и реактивных механических мощностей, позволившая сформулировать требования к электроприводу бурового станка, выполнение которых повышает устойчивость электропривода бурового станка к возникновению крутильных автоколебаний; определены условия уменьшения потерь механической энергии в бурильной колонне и предложены способы их реализации;

2. разработаны электрические модели бурового снаряда и бурильной колонны с сосредоточенными и распределенными параметрами, с помощью которых выявлены специфические особенности нагрузки электропривода: при изменении длины колонны в некоторых случаях периодически возникают условия для возбуждения крутильных автоколебаний, характеризующихся режимами стоячих волн механической энергии, требующих для своего поддержания больших бесполезных затрат мощности;

3. синтезирован алгоритм аналоговой обработки параметров (амплитуды и фазы) потребляемого тока, позволяющий определять в реальном масштабе времени закон изменения обобщенного диагностического параметра -мгновенного скольжения ротора асинхронного электродвигателя в штатном режиме его эксплуатации;

4. разработан комплекс диагностических средств: синтезированы новые структурные схемы электронных измерительных устройств для дистанционной, бесконтактной, невозмущающей экспресс-диагностики асинхронных электродвигателей, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, по которым разработаны и изготовлены действующие макетные образцы; разработаны оригинальные схемы отдельных узлов диагностических измерительных устройств, обеспечивающие высокую точность, чувствительность и помехоустойчивость их работы;

5. предложена концепция системного комплексного использования информации, заключенной в обобщенном диагностическом параметре -мгновенном скольжении ротора приводного электродвигателя, объективно отражающем техническое состояние асинхронного электродвигателя, электропривода и бурового станка, для одновременной непрерывной экспресс-диагностики, оптимизированного регулирования энергетических режимов и оптимизированного управления технологическим процессом бурения;

6. определены диагностические признаки основных дефектов асинхронных электродвигателей и основного технологического оборудования спектральные составляющие мгновенного скольжения, позволяющие осуществлять их непрерывную диагностику по параметрам потребляемого тока в штатном режиме эксплуатации;

7. разработан метод бесконтактной дистанционной, невозмущающей экспресс-диагностики асинхронных электродвигателей, электропривода и оборудования, позволяющий выявлять дефекты на ранней стадии их появления и проводить предупредительные профилактические ремонты;

8. разработана использующая диагностическую информацию система автоматической стабилизации скольжения, оптимизирующая величину питающего напряжения при изменениях нагрузки на валу и обеспечивающая эксплуатацию асинхронного электропривода в энергосберегающих режимах: максимальных КПД и коэффициента мощности, минимальных потребляемых мощности и тока статора;

9. разработан использующий диагностическую информацию метод оптимизированного управления процессом бурения с помощью регулирования скорости вращения и величины осевой нагрузки на буровой снаряд, обеспечивающий уменьшение потерь мощности в бурильной колонне.

Основные защищаемые положения:

1.Уменьшение потерь механической энергии при бурении скважин достигается путем повышения устойчивости бурового станка к возникновению в бурильной колонне режима стоячих волн крутильных автоколебаний, требующего для своего поддержания больших бесполезных затрат энергии, при учете специфических особенностей нагрузки электропривода бурового станка и выполнении условий, разработанных с помощью электромеханических аналогов и электрических моделей, на основании доказанной теоремы о балансе активных и реактивных механических мощностей.

2.Теоретически выведенный алгоритм определения закона изменения мгновенного скольжения ротора асинхронного электродвигателя по параметрам (амплитуды и фазы) потребляемого тока, положенный в основу создания комплекса новых многофункциональных диагностических средств, обеспечивает их высокую чувствительность, помехоустойчивость и точность при диагностике оборудования.

3.Диагносгические признаки отдельных дефектов асинхронных электродвигателей и основного технологического оборудования - теоретически выявленные и экспериментально подтвержденные наборы определенных спектральных составляющих мгновенного скольжения, обеспечивают возможность обнаружения на начальной стадии зарождающихся дефектов и предупреждения внезапных аварийных отказов оборудования путем проведения непрерывной экспресс-диагностики в штатном режиме эксплуатации.

4.Энергосберегающая эксплуатация буровых установок обеспечивается комплексным использованием оперативной информации, заключенной в экспериментально установленном законе изменения мгновенного скольжения ротора, которая может быть, помимо диагностики, одновременно эффективно

использована для регулирования энергетических параметров электропривода и управления технологическим процессом бурения.

Практическая ценность диссертационной работы определяется:

• уменьшением вероятности внезапных аварийных отказов основного технологического оборудования, применяемого на буровых геологоразведочных работах;

• снижением затрат рабочего времени на простои и ремонты бурильного оборудования;

• уменьшением экономических потерь, вызываемых внезапными аварийными отказами основного технологического оборудования;

• более полным вырабатыванием ресурса основного технологического оборудования путем его эксплуатации в энергосберегающих режимах;

• экономией энергии и ресурсов путем использования основного технологического оборудования в оптимизированных энергетических режимах;

• увеличением производительности геологоразведочных буровых работ за счет повышения механической скорости проходки путем устранения крутильных автоколебаний бурового инструмента, бурильной колонны и электропривода;

• увеличением срока службы бурового станка, бурильной колонны и бурового инструмента за счет устранения их автоколебаний и уменьшения усталостного износа;

• уменьшением резервируемого объема запасных частей и оборудования путем применения непрерывной невозмущающей диагностики;

• повышения производительности труда бурильщиков за счет снижения шума и вибраций, вызываемых колебаниями бурового станка и бурильной колонны.

Реализация и внедрение результатов исследований. Представляемая работа выполнялась в течение ряда лет в рамках комплексной программы Минэлектротехпрома СССР по повышению качества выпускаемых электродвигателей, комплексной программы Минэнерго по повышению безопасности эксплуатации АЭС, комплексной программы Госкомнедра РФ по оптимизации технологических процессов на геологоразведочных буровых работах, гранта Госкомобразования РФ. по фундаментачьным наукам в области электротехники. Основные теоретические и практические результаты разработки диагностических устройств внедрены на предприятиях Минэлектротехпрома, Госкомнедра и Минхлебопродуктов в виде действующих измерительных . диагностических устройств, а также -используются в учебном процессе на кафедрах Энергетики и Автоматизации и механизации МГГА при теоретических и практических занятиях по курсу "Электропривод геологоразведочного оборудования", при курсовом и дипломном проектировании студентами специализаций "Энергоснабжение

геологоразведочных работ" и "Эксплуатация и ремонт геологоразведочного оборудования".

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

•Всесоюзной НТК "Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин" , Тбилиси, 1981 г.;

•6-й Всесоюзной НТК "Перспективы развития производства асинхронных двигателей", Владимир, 1982 г.;

•Всесоюзной НТК "Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин" , Тбилиси, 1983 г.;

•8-й Всесоюзной НТК "Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах", Николаев, 1984 г;

•7-й Всесоюзной НТК "Состояние и перспективы совершенствования разработки и производства асинхронных двигателей", Владимир, 1985 г.;

• 1-й международной конференции по электромеханике и электротехнологии "МКЭЭ-94", Суздаль, 1994 г.;

•2-й и 3-й международных конференциях "Новые достижения в науках о Земле", Москва, МГГА, 1996 и 1997 гг.;

•8-й международной НТК "8 Бенардосовские чтения", Иваново, 1997 г.;

•3-й международной НТК "Новые идеи в науках о Земле", Москва, 1997г.;

•Всесоюзных семинарах "Централизованный ремонт

электрооборудования" и "Организация электроремонта в современных условиях" в МДТНП в 1989 и 1993 гг; ,

•НТК профессорско-преподавательского состава Московского института радиотехники, электроники и автоматики в 1977-1980 гг, Всесоюзного заочного инженерно-строительного института в 1982-1984 гг, Московского авиационного института; в 1985-1986 гг, Московского геологоразведочного института в 1989-1998 гг.;

•заседаниях Энергетической комиссии РАЕН РФ в 1995-1998 гг;

•заседании Центра по грантам в области фундаментальных исследований в электротехнике в 1994 г.

•международной специализированной выставке "Научные достижения в высшей школе", проводившейся ГКНТ СССР в Германии, Италии и Франции;

•выставке достижений народного хозяйства СССР (2 бронзовых медали).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, включая 3 авторских свидетельства на изобретения й отчет по фанту Госкомвуза РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 149 наименований и включает 214 страниц основного текста, 135 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Краткие сведения по изучаемому вопросу. Решению проблемы повышения эффективности геологоразведочных буровых работ посвящены фундаментальные труды известных ученых: Воздвиженского В.И., Волкова С.А., Комарова М.А., Сулакшина С.С., Козловского Е.А., Кудряшова С.С., Грабчака Л.Г., Питерского В.М., Калинина А.Г., Башкатова Д.Н., Кардыша В.Г., Киселева А.Т., Лачиняна Л.А., Ребрика Б.М., Соловьева Н.В., Алексеева В.В., Владиславлева B.C., Кирсанова А.Н., Зиненко В.П., Симонова В.В., Юнина Е.К. и многих других, уделивших большое внимание исследованию и совершенствованию принципиальных вопросов развития геологоразведочного бурения, создания наиболее эффективной буровой техники и инструмента. При этом следует особо отметить, что в последние годы получила развитие оптимизация процесса разведочного бурения и. создание универсальных автоматических систем, ориентированных на проведение бурового процесса в автоматическом режиме, диагностику, выявление работоспособности отдельных узлов и механизмов и предупреждения различных аварийных ситуаций в основном технологическом процессе.

Проблемы создания средств и методов технической диагностики технологического оборудования и электродвигателей исследовались такими крупными учеными, как Фролов К.В., Кораблев С.С., Клюев В.В., Нахапетян Е.Г., Балицкий М.А., Юферов Ф.М., Гольдберг О.Д., Абдуллаев И.М., Абиев А.Н., Демихов В.И., Леонов А.И., Коллакот Р., Немченко Н.М., Шаповал A.A., Стрельбицкий Э.К., Темник Л.Г., Шубов И.Г. и многими другими, отмечавшими эффективность применения систем технической диагностики и актуальность комплексной разработки диагностических средств и методов непрерывного контроля технологического оборудования в процессе его штатной эксплуатации.

Энергосберегающим методам эксплуатации асинхронного электропривода посвящены труды таких известных ученых, как Ильинский Н.Ф., Горнов А.О., Соколов М.М., Юньков М.Г., Попов С.А., Киселев Н.В., Мядзель В.Н., Рассудов Л.Н., Кадымов Я.Б., Лимитовский A.M., Безаев В.Б., Сарбатов P.C., Хайдар М., Аржаева Е.Л., Рожанковский Ю.В., Анисимов В.А., Бычков М.Г., Сидоров Н.В., Никитин В.М., Поздеев А.Д., Лезнов Б.С. и других, указывавших на актуальность разработки этих проблем, необходимость учета специфических свойств нагрузки электропривода бурового станка в виде системы с распределенными параметрами и практическую значимость решения этих вопросов для многих отраслей промышленности и народного хозяйства.

Анализ состояния рассматриваемого вопроса определил конкретные задачи настоящих исследований и позволил в результате их теоретического решения и экспериментальной проверки сформулировать следующие защищаемые положения.

Первое защищаемое положение. Уменьшение потерь механической энергии при бурении скважин достигается путем повышения устойчивости бурового станка к возникновению в бурильной колонне режима стоячих волн крутильных автоколебаний, требующего для своего поддержания больших бесполезных затрат энергии, при учете специфическш особенностей нагрузки электропривода бурового станка и выполнении условий, разработанных с помощью электромеханических аналогов и электрических моделей, на основании доказанной теоремы о балансе активных и реактивных механических мощностей.

Известно, что между отдельными элементами механической системы и соответствующей ей электрической модели могут быть составлены аналогии, одна из которых представлена в таблице 1:

Момент сил М = ч>-Ск Электрическое напряжение U ~ ц/С,

Угловое перемещение Ч> = м/с„ Электрический заряд <7 = С,U

Угловая скорость П = (¡фсИ Электрический ток ¡=dq/dt

Упругость 1>С„ Емкость //С> U/q

Момент инерции 3 = М/ЫШо Индуктивность L = Widi/dt)

Механический импеданс г = и/а Электрическое сопротивление 7. - U/1

Механическая проводимость К„ = !/: = О/М Электрическая проводи мост ь У, = >/Z = i/U

Механическая -мощность />„ = МО Электрическая мощность Л, = U-1

Потенциальная энергия П = С -ф/2 Энергия электрическою поля W, ' С, U2/2

Кинетическая энергия Г = Л?'/? Энергия магнитного поля

Применение электромеханических аналогов дает возможность: использовать для описания и анализа процессов в механических системах широкий круг электротехничеких понятий и терминов (таких, как реактивное и комплексное сопротивления, фазовый сдвиг векторов, коэффициент мощности и др.); изменять при экспериментах электрические параметры элементов в широких пределах; применять большое количество разнообразных электроизмерительных и электронных приборов; использовать для анализа математический аппарат и методы теорий комплексного исчисления и спектрального анализа, которые в настоящее время не имеют широкого практического применения в классической механике; переносить принципиальные результаты и выводы качественного анализа процессов на исходные механические системы.

Комплексные динамические реакции механических конструкций на воздействие периодических колебаний рассмотрены с помощью понятий комплексного механического импеданса и комплексной механической

мощности, соответствующих аналогичным понятиям комплексного электрического.сопротивления и комплексной электрической мощности.

На основании второго закона Ньютона и принципа Даламбера для линейной механической системы доказана теорема о балансе активных и реактивных механических мощностей: в любой линейной механической системе сумма отдаваемых источниками энергии активных мощностей равна сумме активных потребляемых мощностей, а сумма отдаваемых реактивных мощностей - сумме потребляемых реактивных мощностей.

Математической записью сформулированной теоремы является:

• для механической системы с поступательным движением: равенство действительных частей: ReEF^v^ = 1,v2kpR kp, (1) и равенство мнимых частей: ImX = Yy1^, (2)

где: F - вектор вынуждающей силы, v - вектор скорости перемещения, Z -полный комплексный механический импеданс Z=F/v =R +jX.

• для механической системы с вращательным движением:

равенство действительных частей: RcYMi4&iip = lL&2k^R kp, (3)

и равенство мнимых частей: ImZ М^Ор = ЪП (4).

где: М - вектор вращающего момента, Q - вектор угловой скорости, Z - полный комплексный механический импеданс: Z=M/Q~R+jX.

На основании доказанной теоремы сформулированы условия передачи максимальной механической мощности от электропривода к забою, в соответствии с которыми, максимальная мощность в нагрузке (на забое) при заданном коэффициенте мощности нагрузки достигается при равенстве полных комплексных сопротивлений нагрузки и источника энергии:

ZZ ;,г,ц • (5)

Использовано понятие механического коэффициента мощности

costpЧ1еч = R/Z, (6)

позволяющее оценивать влияние фазовых сдвигов векторов момента и скорости на энергетические показатели системы.

В настоящее время требования к двигателю электропривода бурового станка в режиме бурения ограничиваются, в основном, условием соответствия мощности двигателя Рбе эквивалентной мощности нагрузки Рнагр: Р,,„ >РИ1,,р .

Установлено, что в процессе бурения для обеспечения статической устойчивости системы выполнения только этого условия недостаточно и, кроме того, необходимо: эксплуатировать двигатель с номинальной нагрузкой Р„а,.р~Рп.

и обеспечивать электроснабжение от источника большой мощности с малым внутренним сопротивлением (например, - от ЛЭП): Rm ист min. Другие требования, предъявляемые к двигателю бурового станка и режиму его эксплуатации, сформулированы ниже.

При анализе особенностей нагрузки электропривода геологоразведочных буровых установок - системы (бурильная колонна - буровой снаряд - буримая порода) использован метод электромеханических аналогий, позволяющий представлять механические системы эквивалентными электрическими

моделями, процессы в которых описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, затем качественно анализировать происходящие в них процессы методами теории колебаний, теории подобия и теоретической электротехники, а в заключение - переносить полученные качественные результаты и выводы на исходную механическую систему.

Механическая модель бурового снаряда представлена в виде сплошного цилиндра -1, вращающегося с постоянной угловой скоростью П. Взаимодействие бурового снаряда с породой представлено тормозной колодкой -2, удерживаемой от вращения пружинами -4, прикрепленными к рычагу -3 (рис.2). При вращении цилиндра тормозная колодка разворачивается на некоторый угол <р, зависящий ог момента инерции колодки ,/, скорости вращения цилиндра Д величины силы трения и упругости пружины С.

Дифференциальное уравнение движения колодки:

ф'=С<?+Мс(П-<р), (7)

где: щ (р\ (р" -угол поворота рычага и его производные, Л/С=/ГД) -характеристика трения.

На участках характеристики МС=/(П) с отрицательным трением, где производная <Ю/с1Мс<0 отрицательна, критерий устойчивости не выполняется, состояние равновесия колодки (<р'=ф"=0) неустойчиво, и тормозная колодка периодически приходит в движение одного из двух типов:

1. при равенстве моментов трения и упругих сил пружины (Мс=Мпр) система имеет малые угловые ускорения (<р"-*0), т.е. тормозная колодка движется со скоростью вращения вала £2 в том же направлении;

2. при неравенстве моментов (Мпр>Мс) резко возрастает вторая производная (<р"—>ж). При этом изображающая точка перемещается на фазовой плоскости по вертикальным прямым, а тормозная колодка движется под действием пружины в обратном направлении.

Режим автоколебаний колодки включает в себя оба типа Движения с периодом Т - Т/ + Г2.

Решение уравнения (1) позволяет выявить закон изменения скорости перемещения колодки во времени <р'0), состоящий из: горизонтальных участков, при которых колодка движется с угловой скоростью вращения вала 9>'=Д и участков, соответствующих возвратному движению' колодки под действием пружин (рис.3,а). Интегрирование кривой <р'(0 дает возможность построить кривую <р($, соответствующую закону изменения мгновенного момента, действующего на колодку (рис.3,6).

П

О"

а)

Рис.3. Законы изменения мгновенной скорости движения - а), и мгновенного момента, действующего на колодку -б).

Механическая модель процесса взаимодействия бурового снаряда с породой может быть заменена электрической моделью с нелинейным элементом (рис.4), в качестве которой используется схема релаксационного генератора с газоразрядной лампой, имеющей на статической вольтамперной характеристике участок с отрицательным сопротивлением. Закон изменения напряжения на лампе аналогичен закону изменения угла поворота, а закон изменения тока через лампу повторяет закон изменения угловой скорости тормозной колодки в механической модели.

Рис.4. Электрическая модель бурового снаряда, взаимодействующего с

породой.

Характеристическое уравнение схемы:

р2аа + р[1лкс г'о,,)] + к + = о. (8)

Решение этого уравнения позволяет определить законы изменения тока и напряжения на отдельных участках схемы. На рис.5 показаны зависимости и(0 и ф), из которых видно пилообразное изменение напряжения и скачкообразное изменение тока с периодом Т= Т1 + Т2, аналогичные изменениям вращающего момента и скорости колодки в механической модели (рис.3).

Т, т2

Сотрудниками ВИТР, независимо от автора настоящей работы, проведены экспериментальные исследования различных режимов работы породоразрушающего инструмента, в результате которых установлено, что при бурении твердосплавной коронкой, находящейся в рабочем состоянии, изменений величины крутящего момента не происходит (рис.6, кривая 1).

Рис.6. Экспериментально установленные изменения крутящего момента при бурении работоспособной коронкой -1, и изношенной коронкой -2.

Бурение изношенной коронкой вызывало появление периодических разрывных колебаний величины крутящего момента (рис.6, кривая 2), имевших пилообразную форму. Период колебаний крутящего момента составлял около 1,5 сек. Аналогичные результаты также были получены при 30%-м увеличении осевой нагрузки. Пилообразная форма изменения момента, полученная экспериментальным путем, подтверждает адекватность механической и электрической моделей.

Результаты исследований механизма возбуждения автоколебаний бурового снаряда с помощью механической и электрической моделей позволили сделать следующие выводы:

• качественный характер динамических процессов, происходящих в реальном буровом снаряде, взаимодействующем с буримой породой, адекватно отображается механической и электрической моделями;

• участвующие в процессе взаимодействия бурового снаряда с породой упругости и инерционности, совместно с демпфирующими свойствами и нелинейностью механической характеристики буримой породы, создают условия для возникновения периодических автоколебаний системы (буровой снаряд-порода) с широким спектром частот, которые могут совпадать с собственными частотами автоколебаний бурильной колонны, вызывая резонансные явления в буровом станке.

Адекватность и эффективность электрических моделей позволяет применять их и для анализа процессов, происходящих в бурильной колонне.

С помощью предложенной электрической модели бурильной колонны с сосредоточенными параметрами (рис.7) установлено, что переходный процесс изменения угловой скорости её вращения £3(1) может происходить по колебательному экспоненциальному закону:

П(1ЛОе т(ю„1 + V). (9)

Длительность процесса затухания свободных крутильных колебаний бурильной колонны зависит от величины возмущения баланса моментов, величины потерь на трение о стенки скважины, вязкости промывочной жидкости и от параметров бурильной колонны, при этом энергия свободных колебаний рассеивается в виде тепла в материале колонны и в окружающей среде.

Рис.7. Электрическая модель бурильной колонны с сосредоточенными

параметрами.

При отсутствии последующих возмущений баланса моментов колебания мгновенной угловой скорости колонны затухают; изменение одного из моментов по синусоидальному закону с частотой сом вызывает синусоидальные изменения мгновенной угловой скорости вращения сечений колонны с такой же частотой.

При резонансе^го^- со0) фазы колебаний вращающего мгновенного момента и мгновенной угловой скорости совпадают; в дорезонансном диапазоне частот (со^соя) фаза колебаний вращающего мгновенного момента отстает от фазы колебаний мгновенной угловой скорости вращения; в зарезонансном диапазоне (а>и>а>0) фаза колебаний вращающего мгновенного момента опережает фазу мгновенной угловой скорости вращения.

Бурильная колонна может быть также представлена в виде механической системы с распределенными параметрами: массой, упругостью и потерями, характеристики которой зависят не только от времени, но также являются функциями её длины и граничных условий закрепления её концов (рис.8).

ф,0 <р<х+(1х,1) М (дМ/дх)(1х

Рис.8. Механическая модель бурильной колонны с распределенными

параметрами.

Е.К. Юниным, В.В. Симоновым, Я.Г. ГТановко, Р.Ф. Нагаевым и другими учеными проведен анализ механической модели бурильной колонны с распределенными параметрами, процессы в которой описываются волновым уравнением:

д2(р/дх2 -сГ(<Г(р/аГ), (10)

где: а=(й/р)ш -скорость распространения волны крутильных колебаний, ср -угол поворота колонны.

Решение этого уравнения имеет вид:

(р! = Асох(р/а)х + Взм(р/а)х. (11)

Получены аналитические выражения, позволяющие определять частоты собственных крутильных колебаний бурильной колонны, зависящие от её конструктивных параметров (длины, диаметра, материала, жесткости и др.), наличия реактивной нагрузки на её концах, характера и величины этой нагрузки.

Однако, как показывает анализ механизма возникновения колебаний в буровом снаряде, являющемся для бурильной колонны источником вынуждающих колебаний, на параметры крутильных колебаний колонны (период и амплитуду) существенно влияют не только скорость вращения снаряда и величина осевой нагрузки, но и характеристики буримой породы, существенно смещающие области резонансных частот колонны (рис.9).

Использование механической модели не позволяет однозначно решить проблему выбора и оптимизации нагрузки бурового станка.

Рис.9. Собственные частоты крутильных колебаний колонны при различных закреплениях одного конца и реактивной нагрузкой на другом конце.

Возможности получения значительно более глубоких качественных выводов о влиянии нагрузки на параметры и характеристики волновых процессов в бурильной колонне с распределенными параметрами предоставляет использование электрической модели (рис. 10),

И„с1х _

1<4>с

сЬ

СЛх

г

С^сЬс С0с/х

I

г/ \ (ди/дх)<1х С^х

Рис.10. Электрическая модель бурильной колонны с распределенными

параметрами.

которая представляет собой в простейшем случае однородную электрическую линию с распределенными по длине параметрами: емкостями, индуктивностями и сопротивлениями, соответствующими упругостям, инерционностям и потерям в реальной колонне, составленную из бесконечно большого числа отдельных звеньев, аналогичных показанным на рис.7.

К одному концу линии подключен источник переменного напряжения и=ие1"*, благодаря которому по линии распространяется ток '

являющиеся аналогами механического момента и скорости соответственно. К другому концу линии подключена нагрузка являющаяся аналогом

момента сопротивления, создаваемого буровым снарядом, взаимодействующим с буримой породой.

В общем случае, в таких системах энергия в полном объеме передается только при выполнении условия отсутствия стоячих волн.

Когда в системе имеются стоячие волны механическая мощность в узлах момента и скорости равна нулю. В остальных сечениях колонны имеется только реактивная мощность, т.к. в них векторы мгновенного момента и мгновенной скорости сдвинуты по фазе на угол 90°. В этих случаях энергия системой не передается, а происходит лишь обмен между кинетической и потенциальной энергиями на участках, расположенных между узлами момента и скорости.

Дифференциальные уравнения для напряжения и тока в линии с распределенными параметрами:

. -ди/дх = Ц(д1Ш)л -дУдх = С0и+Сб(диШ).

При Яо=0 и С„-=0, получают волновые уравнения для тока и напряжения в линии без потерь:

д2и/дх2 = (1/и2)-д2иШ\

д2Идх2 = (1/и2)-д21.Ш2, (12)

где: о = (ЬьсУг -скорость распространения электромагнитной волны.

Сравнение идентичных уравнений (10) и (12) дает основания утверждать об идентичности процесов, происходящих в электрической и механической моделях, и позволяет применять качественные результаты, полученные при анализе одной из них, для описания процессов в другой.

Анализ уравнения (12) показывает, что входное сопротивление линии без потерь, нагруженной произвольным комплексным сопротивлением 7,2, определяется формулой: _ -

= г„{ [т +М2л(х,+х)1Ц1 [ 1 +]т\%2л(х'+х)Гк)}}, (13)

Входное сопротивление линии с потерями, нагруженной произвольным комплексным сопротивлением равное отношению напряжения к току в

начале линии, и учитывающее как падающие, так и отраженные волны энергии, является в общем случае комплексной величиной, определяемой из соотношения:

2„,= 7„[12+21:1к(-р:')]/[22 +гв-аИ(ухУ, (14)

где: и м11(ух) - гиперболические тангенс и котангенс комплексного

аргумента (ух), 2=2„-с1к(р;% 2к=2е-1к(ух') -величины входных сопротивлений линии при холостом ходе и коротком замыкании соответственно.

Волновое сопротивление линии определяется произведением:

26=(2Х-2К)'2. (15)

На рис.11 изображены кривые изменения модулей входного сопротивления линии без потерь, из которых видно, что при двух экстремальных значениях нагрузки на конце линии (холостой ход и короткое замыкание) кривые повторяют друг друга, отличаясь лишь сдвигом на Л/4. Все остальные возможные реактивные нагрузки будут создавать такое же входное сопротивление, отличающееся лишь тем или иным сдвигом по оси абсцисс.

Рис. 11. Входные сопротивления линии без потерь при холостом ходе (-) и коротком замыкании («•).

Характер входного сопротивления с изменением длины линии периодически изменяется: ниже оси абсцисс оно имеет емкостный характер (механический аналог - упругая пружина), выше оси - индуктивный (механический аналог - маховик). Сравнение рис. 11 с рис.9 подтверждает адекватность механической и электрической моделей.

На рис.12 показаны кривые изменения модулей входного сопротивления линии с потерями 2К и 2К в зависимости от длины линии. Из рисунка видно, что качественный характер изменения входного сопротивления в этом случае такой же, как и в линии без потерь, лишь величины модулей сопротивления

асимптотически убывают с увеличением длины линии. В пределе, при х->х>, максимумы и минимумы обеих кривых стремятся к значению волнового сопротивления линии 2е.

Рис.12. Входные сопротивления линии с потерями при холостом ходе и коротком замыкании.

Благодаря идентичности исходных уравнений (10) и (12) и аналогии зависимостей (рис.9 и рис.11), качественные выводы, полученные для электрической модели, в полном объеме относятся к исходному механическому аналогу - колонне бурильных труб с распределенными параметрами, входной механический импеданс которой при крутильных колебаниях периодически существенно изменяется по величине и характеру с изменением глубины скважины, скорости вращения и величины осевого усилия на буровом снаряде, что необходимо учитывать при выборе технологических параметров процесса бурения.

Перенося полученные выводы на реальную бурильную колонну, можно констатировать, что, независимо от способа закрепления нижнего конца колонны (холостой ход, рабочий режим или заклинивание), при увеличении длины колонны нагрузка, приведенная к валу электродвигателя, периодически изменяется, как по величине, так и по характеру.

Идентичность кривых для холостого хода, короткого замыкания и промежуточных нагрузок дает возможность определять и исследовать волновые свойства реальной бурильной колонны путем проведения испытаний, заключающихся в изменении её длины в режиме холостого хода и измерении мощности, потребляемой при этом электроприводом.

На рис.13 представлена экспериментальная зависимость изменений мощности, потребляемой асинхронным электродвигателем типа 4АМ180М4УЗ

мощностью 30 кВт бурового станка СКБ-5, вращавшим горизонтальную однородную бурильную колонну, составленную из бурильных труб типа ЛБТН-54, работавшую в режиме холостого хода при отсутствии смазки и промывки.

Испытания проводились на двух скоростях вращения: п=715 об/мин и п*=1150 об/мин, изменявшихся при помощи штатной коробки передач станка.

Р, кВт

Рис.13. Экспериментальные зависимости потребляемой мощности от длины бурильной колонны.

В процессе эксперимента установлено, что с изменением длины колонны, работавшей в режиме холостого хода, потребляемая активная мощность периодически изменялась в пределах (2+20)% относительно среднего значения. С увеличением длины колонны амплитуда изменений уменьшается, что можно объяснить потерями на трение о стенки горизонтальной скважины. В приблизительно таких же пределах изменялся и коэффициент мощности, причем периоды чередования экстремумов обеих величин коррелировались между собой.

Результаты эксперимента полностью подтверждают полученные с помощью электрической модели качественные выводы о волновых процессах в бурильной колонне с распределенными параметрами, поскольку, как следует из рис.12, входное сопротивление бурильной колонны, работающей в режиме холостого хода, сначала уменьшается, а затем периодически изменяется около некоторого значения. Это означает, что крутизна механической характеристики бурильной колонны периодически изменяется с увеличением её длины. Такие изменения могут привести к потере устойчивости электропривода и всего станка в целом.

Из сравнения приведенных зависимостей видно, что при постоянной разности скоростей вращения колонны: An=(n*-n)=const, разность потребляемых мощностей для соответствующих длин не является постоянной величиной, т.е. АР ~ var (рис. 14).

АР, кВт

/ / /

О 9 18 27 36 ¿,м

Рис.14. Разность потребляемых мощностей в зависимости от длины бурильной колонны.

Отсюда можно сделать вывод, что крутизна механической характеристики колонны, пропорциональная отношению р,к = АР/Ап, также не является постоянной величиной:

Д, = АР/Ап - уаг, и зависит от её длины бурильной колонны.

Результаты проведенного эксперимента позволяют сделать вывод о том, что при изменении длины колонны, работающей в режиме холостого хода, момент сопротивления создаваемый ею на валу электродвигателя, при неизменной моменте сопротивления на забойном конце колонны (в данном случае Мс=0), периодически изменяется по величине, о чем свидетельствует изменение величины потребляемой двигателем мощности, что находится в полном соответствии с результатами теоретического анализа.

Согласно известному критерию устойчивости, в точке пересечения механических характеристик касательная к характеристике рабочей машины Д>„ должна иметь больший наклон, чем касательная к характеристике электропривода Д„.

Следовательно, для компенсации изменений крутизны механической характеристики бурильной колонны необходимо одновременно изменять крутизну механической характеристики электродвигателя или работать на участке механической характеристики колонны с неизменной крутизной.

В любых колебательных системах по определению должны обязательно присутствовать два типа накопителей дуальной энергии. Для механической системы этими накопителями являются упругость и момент инерции, для электрической - емкость и индуктивность.

Природа колебаний, возникающих в асинхронном электродвигателе, являющегося электромеханической системой, имеет два источника -электрический и механический, благодаря которым в нём могут возникать собственные автоколебания с различными частотами на разных скоростях вращения. Независимыми от автора исследованиями установлено, что особенно сильно эти источники проявляют себя при неполной загрузке двигателя, при питании от инверторов в нижнем диапазоне скоростей вращения и при питании от маломощных источников электроэнергии с большими внутренними сопротивлениями; т.е. со всеми факторами, сопутствующими работе электропривода геологоразведочного бурового станка.

При совпадении собственных частот с частотами источников возмущений, электромеханическая система, содержащая асинхронный электродвигатель, теряет устойчивость и в ней возбуждаются периодические колебания, сопровождающиеся осцилляциями скорости вращения, негативно влияющими, с одной стороны, на параметры технологического процесса бурения, а с другой - на динамическую устойчивость питающей энергосистемы, особенно, - маломощной.

Таким образом, на бурильную колонну с обеих сторон воздействуют два источника периодических крутильных колебаний: асинхронный электропривод и буровой снаряд.

В линии без потерь кривые действующих значений напряжения и тока представляют собой синусоиды, минимумы и максимумы которых чередуются между собой. Точки максимумов напряжения совпадают с точками минимумов тока (рис.] 5).

КонаI линии

О

Г 1 = 00

б) К и

7

Г 2=2«

в)

Рис.15.

5Ш 2Л ЗЯ/2 /I Я/2 О

Действующие значения тока и напряжения вдоль линии без потерь.

При отсутствии отраженной волны («2=0) действующие значения напряжения и тока вдоль линии неизменны (рис. 15,б).

С увеличением коэффициента отражения в линии появляется отраженная волна напряжения (тока), которая, складываясь с прямой волной, изменяет величину действующего напряжения (тока). При |«2|=1> т.е. при полном отражении от нагрузки, и при равенстве амплитуд прямой и отраженной волн, в линии устанавливаются стоячие волны напряжения (тока) (рис.15, а и в).

Условие |/7г|=1 выполняется в трех случаях: при 7.2 = оо (холостой ход), 22 =0 (короткое замыкание) и 2?-]х (реактивная нагрузка).

Из рисунка видно, что в двух экстремальных режимах: при холостом ходе (а) и при коротком замыкании (в) в линии образуются стоячие волны, когда мощность в узлах тока и напряжения равна нулю. В остальных точках линии имеется только реактивная мощность, т.к. в них векторы напряжения и тока сдвинуты по фазе на угол 90°. В этих режимах энергия вдоль линии не передается, а происходит лишь обмен энергией между электрическим и магнитным полями на участках линии, между узлами напряжения и тока. Отраженные волны в линии отсутствуют лишь в одном случае, а именно, -при активной нагрузке равной волновому сопротивлению линии (рис. 15,5).

Полученные результаты имеют большое практическое значение при переносе их на исходный механический аналог - реальную бурильную колонну.

Из приведенных графиков следует, что во всем диапазоне возможных нагрузок реальной бурильной колонны (от холостого хода до заклинивания), режим бегущих волн, при котором обеспечивается отсутствие в бурильной колонне стоячих волн механической энергии, существует только в одном случае, а именно, когда нагрузка имеет активный характер (типа демпфера) и точно равна волновому сопротивлению колонны, зависящему только от геометрических размеров самой колонны и характеристик ее материала. Учитывая это, можно предложить следующие рекомендации по выбору технологического режима бурения, при котором в бурильной колонне отсутствуют стоячие волны крутильных колебаний, требующие для своего поддержания больших бесполезных затрат механической энергии, вырабатываемой электроприводом:

•нагрузка, прикладываемая к забойному концу, должна иметь активный характер (типа демпфера) и величину, равную волновому сопротивлению используемой бурильной колонны;

•при комплексном характере нагрузки на забойном конце, для сохранения устойчивости бурового станка в процессе углубления скважины необходимо одновременно периодически изменять частоту вращения бурового снаряда так, чтобы скомпенсировать изменения момента сопротивления, приведенного к валу электродвигателя, вызываемые изменением длины колонны; •периодические изменения крутизны механической характеристики нагрузки электропривода возможно восполнять одновременным периодическим изменением крутизны механической характеристики электродвигателя.

Второе защищаемое положение. Теоретически выведенный алгоритм определения закона изменения мгновенного скольжения ротора асинхронного электродвигателя по параметрам (амплитуды и фазы) потребляемого тока, положенный в основу создания комплекса новых многофункциональных диагностических средств, обеспечивает их высокую чувствительность, помехоустойчивость и точность при диагностике оборудования.

Путем анализа эквивалентной схемы фазы асинхронного электродвигателя выявлено наличие взаимной корреляции изменений параметров вращения двигателя и параметров потребляемого им тока, позволившее сформулировать алгоритм определения мгновенного значения скольжения ротора s по параметрам (амплитуде / и фазе ф) потребляемого тока:

5 = (р'2/х'2)(1 isirKpi -loSinípayOiCospi -]<,cos(p(,). (16)

Полученное уравнение устанавливает связь величины скольжения ротора с амплитудами и фазами статорного тока при холостом ходе (/«, <ро) и в рабочем режиме (Ii,(pi), которые могут быть непосредственно замерены в реальном асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором. На основе этого уравнения определена совокупность последовательных действий или операций, приводящих к решению поставленной задачи, т.е. составлению алгоритма измерений скольжения ротора асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором по параметрам потребляемого им тока.

Согласно этого алгоритма, на первом этапе измерений необходимо перевести диагностируемый двигатель в режим холостого хода и произвести измерения амплитуды потребляемого им тока !п и его мгновенного фазового сдвига (рп относительно опорного колебания, в качестве которого, в целях упрощения алгоритма, использован сигнал, пропорциональный напряжению U, приложенному к данной фазе асинхронного электродвигателя.

Следующей операцией является определение величин произведений: Iifiincpn и l(fios(pn.

После проведения первых двух операций диагностируемый двигатель должен быть переведен в рабочий режим и с ним повторены действия, аналогичные проделанным в первых двух операциях, в результате которых должны быть найдены значения произведений:

!¡sincpi и l,cos(p¡.

Пятая и шестая операции заключаются в сравнении (нахождении разностей) результатов, полученных после второй и четвертой операций, (индексы 5 и 6 соответственно) т.е.

(hsincpi -Jí)SÍn(p<,) И (IjCOS(Pi-J(iCOS<Po).

Заключительной операцией разработанного алгоритма является нахождение частного от деления друг на друга результатов пятой и шестой операций, т.е.

(/isintpi - InSÍn<Pn)/(JICOS <Pi - h)COS(po)-

Результат последней операции соответствует (в некотором масштабе, определяемом отношением {ЛУх?}) исходному уравнению (16) и, следовательно, представляет собой искомую величину скольжения ротора электродвигателя, работающего в заданном режиме.

При изменении рабочего режима диагностируемого электродвигателя для определения нового значения скольжения необходимо вновь повторить операции 3+7.

Если эти операции (умножения, вычитания и деления) выполняются достаточно быстродействующими функциональными узлами, реализация которых (из-за простоты их выполнения для обработки сигналов с временами переходных процессов длительностью порядка миллисекунд) на современном уровне развития электроники не представляет практических трудностей, то в результате реализации разработанного алгоритма будет определяться закон изменения мгновенной величины скольжения $(1) в реальном времени.

Составленный алгоритм использован для синтеза ряда новых функциональных схем измерительных устройств разной сложности и степени точности получаемых результатов измерений (Авт. свид. №1068817 и №1140043), предназначенных для дистанционного невозмущающего контроля мгновенного скольжения ротора по параметрам потребляемого тока.

Структурная схема наиболее совершенного из разработанных устройств для измерения мгновенного скольжения ротора асинхронного электродвигателя по параметрам потребляемого им тока показана на рис.15.

Рис. 15.Структурная схема устройства для измерения скольжения ротора асинхронного электродвигателя по параметрам потребляемого тока.

Сигнал, пропорциональный потребляемому двигателем току, с датчика тока 1 поступает на входы фазовых детекторов 3, где сравнивается с сигналом, пропорциональным питающему напряжению, поступающим от датчика 2. Выходные сигналы фазовых детекторов поступают на схемы сравнения 5, вычитающие из них сигналы источников опорного напряжения 6. К выходам схем сравнения через коммутаторы 7 подключены входы блока деления 8, выходной сигнал которого пропорционален мгновенному скольжению ротора диагностируемого асинхронного электродвигателя.

Получаемый с выхода измерительного устройства аналоговый сигнал может измеряться непосредственно электроизмерительными приборами, фиксироваться на магнитный носитель или анализироваться с помощью электронных осциллографов и анализаторов спектра. Аналого-цифровое преобразование этого сигнала позволяет использовать для его комплексной обработки средства вычислительной техники, например, персональные компьютеры.

Высокие помехоустойчивость, точность и чувствительность разработанных устройств для измерения скольжения обеспечиваются применением новых безынерционного фазового детектора с принудительным разрядом емкости фильтра (Авт. свид. №612388) и фазового дискриминатора на индуктивных параметрических регенераторах с регулируемой формой дискриминационной характеристики.

Снижение влияния внешних возмущающих факторов достигается использованием разработанного параметрического трансформатора, позволяющего одновременно с трансформацией электроэнергии осуществлять фильтрацию напряжения и защиту от перенапряжений и перегрузок.

Наиболее совершенное из разработанных устройств для измерения скольжения обладает реальной чувствительностью не хуже М0'4о.е., обеспечивая превышение полезного сигнала над шумом почти в десять раз, при погрешности результатов измерений не более 2,5%.

Разработанные измерительные устройства используются для одновременного осуществления:

• непрерывной диагностики технического состояния отдельного ТАД, асинхронного электропривода бурового станка и всего технологического комплекса в целом, работающих в штатном режиме;

• работы в составе системы автоматического управления режимом работы асинхронного электродвигателя в энергосберегающем режиме;

• оптимизированного (по минимуму потерь энергии на поддержание колебаний) управления технологическим режимом бурения.

Третье защищаемое положение. Диагностические признаки отдельных дефектов асинхронных электродвигателей и основного технологического оборудования - теоретически выявленные и экспериментально подтвержденные наборы определенных спектральных составляющих мгновенного скольжения, обеспечивают возможность обнаружения зарождающихся дефектов и предупреждения аварийных отказов оборудования путем проведения непрерывной экспресс-диагностики в штатном режиме эксплуатации.

В настоящей работе в качестве обобщенного диагностического параметра используется мгновенное скольжение ротора асинхронного электродвигателя

х(0=^^11+1\<ь,п„зт()Ш), (17)

определяемое в результате амплитудно-фазовой демодуляции потребляемого тока, и его логической функциональной обработки.

Дефекты двигателя, низкое качество питающей электроэнергии (например, от маломощной автономной электростанции), вариации момента сопротивления на валу, вызываемые неисправностями механизмов электропривода и рабочей машины, неоднородностями нагрузки на валу (например, трещинноватостью породы при буровых работах) и т.д., вызывают соответствующие вариации мгновенного скольжения ротора электродвигателя.

Мгновенное скольжение ротора асинхронного электродвигателя является весьма чувствительным параметром, позволяющим достоверно судить о многих механических и электромагнитных процессах преобразования энергии, происходящих в двигателе и его нагрузке. Оно отображает: изменения момента сопротивления, прикладываемого к валу двигателя; величина среднего значения скольжения ^зависит от состояния обмоток статора, рабочего зазора, износа подшипников и состояния их смазки; эксцентриситет, эллипсность и перекосы ротора, обрывы и раковины стержней беличьей клетки заметно влияют на спектральный состав мгновенного скольжения X$тп-вт(пой), как во время одного, так и во время многих оборотов ротора.

Спектральная или корреляционная обработка вариаций скольжения дает возможность, при наличии массива априорной информации и соответствующих алгоритмов обработки, произвести дистанционную бесконтактную невозмущающую экспресс-диагностику всего комплекса. Определяемая при этом величина среднего значения скольжения позволяет одновременно оптимизировать режим эксплуатации электропривода по минимуму потерь мощности, что способствует не только экономии электроэнергии, но также существенно продлевает срок службы электродвигателя за счет замедления скорости старения изоляции обмоток, работающих при этом в наиболее благоприятном режиме.

Возможность определения мгновенного скольжения по параметрам тока ¡(0, потребляемого электродвигателем, позволяет избавиться от необходимости размещения на нём специальных датчиков, усложняющих и удорожающих процесс диагностики в реальных условиях эксплуатации геологоразведочного оборудования.

Мерами диагностических оценок технического состояния асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором могут быть: абсолютная и относительная величины отклонений мгновенного скольжения от номинального значения; спектральный состав и амплитуды отдельных составляющих мгновенного скольжения ротора; статистические характеристики: среднее значение и дисперсия.

На современном этапе развития измерительной техники наиболее рациональной мерой следует считать спектр мгновенных скольжений ротора, а статистические характеристики являются перспективными мерами диагностических оценок.

Информация, извлекаемая из закона изменения мгновенной угловой скорости вращения (скольжения) ротора асинхронного электродвигателя, позволяет произвести оценку величины неравномерности мгновенной угловой скорости вращения (скольжения), а также - качественно и количественно идентифицировать конкретный дефект, возникающий при эксплуатации двигателя.

Анализ спектрального состава мгновенных угловых скоростей вращения или скольжений ротора дает возможность по динамическим характеристикам стационарного режима обнаружить и идентифицировать отдельные дефекты, возникающие в асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором: неидеальность геометрической формы ротора и расточки статора (эксцентриситет, дисбаланс, эллипсность); дефекты изготовления обмоток статора и ротора (обрывы, раковины, пустоты, неидентичность, короткозамкнутые витки, погрешности взаимного пространственного расположения); асимметрию магнитных систем ротора и статора, вызванную отклонениями геометрических размеров или анизотропией магнитных материалов; погрешности взаимного пространственного расположения статора и ротора, возникающие из-за несоосности ротора и расточки статора, износа или разрушения подшипниковых узлов, эксцентриситета ротора, статических и динамических неравномерностей рабочего зазора, поскольку, в соответствии с результатами теоретического анализа, подтвержденными экспериментально, их спектры имеют существенные различия.

Получены выражения, устанавливающие связь между спектральным составом мгновенных скольжений ротора и спектром роторного тока асинхронного электродвигателя.

Наиболее широкий спектр мгновенных угловых скоростей вращения (скольжений) ротора создается эллиптическим вращающимся полем, возникающим из-за иаличия дефектов в обмотках или в магнитной системе статора, а также из-за низкого качества питающих фазных напряжений:

[а^О/б)/]=1-2Мсо52о)11+2М2соз4со11-М10086(011+^00380)^+...

...+2(-1)" М!соз2па)11 (18)

Максимальные величины спектральных составляющих могут превышать значение синхронной угловой скорости вращения поля (в наиболее неблагоприятном случае, при М=1, - в 2 раза).

Различным видам дефектов соответствуют различные наборы спектральных составляющих скольжения.

Для примера на рис.16 приведена спектрограмма мгновенных скольжений асинхронного электродвигателя с дефектом в виде раковин в двух соседних стержнях короткозамкнутого ротора, на которой выделена яркостью спектральная составляющая, соответствующая диагностическому признаку подобных дефектов.

Следует отметить, что ни одним из известных в настоящее время способов диагностирования невозможно обнаружить дефекты такого рода в асинхронных электродвигателях.

Рис. 16. Спектрограмма мгновенных скольжений ТАД с раковинами в двух соседних стержнях ротора.

Ширина полосы пропускания амплитудно-частотной характеристики диагностического устройства, предназначенного для измерения мгновенной угловой скорости вращения (скольжения) ротора должна, по крайней мере, десятикратно превышать величину синхронной частоты вращения поля в рабочем зазоре. Амплитудная характеристика диагностического устройства (динамический диапазон) должна обеспечивать неискажающую передачу сигнала, пропорционального мгновенной угловой скорости вращения (скольжения) ротора, в пределах: от нулевого значения до значения, равного удвоенной величине синхронной угловой скорости вращения поля. Именно эти требования учитывались при проектировании измерительного устройства.

Четвертое защищаемое положение. Энергосберегающая эксплуатация буровых установок обеспечивается комплексным использованием оперативной информации, заключенной в экспериментально установленном законе изменения мгновенного скольжения ротора, которая может быть, помимо диагностики, одновременно эффективно использована для регулирования энергетических параметров электропривода и управления технологическим процессом бурения.

Одновременное использование диагностической информации для регулирования режима эксплуатации электропривода и управления технологическим процессом бурения позволяет более эффективно использовать диагностическое оборудование, снизить материальные и энергетические затраты на проведение геологоразведочных работ.

В зависимости от специфики отрасли, особенностей эксплуатации, сложившихся приоритетов и внимания, оказываемого каждой из сфер, предпочтение отдается одной из трех (рис.17) стратегий технического обслуживания оборудования, ориентированных на повреждение, на время и на состояние:

1 СТРАТЕГИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ!

1 - I - 1

|но ПОВРЕЖДЕНИЮ! | по времени"] | по состоянию I Рис.17. Основные стратегии технического обслуживания.

Суть этих стратегий заключается в следующем.

• техническое обслуживание, ориентированное на повреждение, практически не предусматривает расходов по уходу и инспекции оборудования, сводит к минимуму участие персонала в его техническом обслуживании. Оборудование используется до полного вырабатывания ресурса и его отказ в большинстве случаев происходит неожиданно. По такой стратегии эксплуатируется оборудование в развивающихся странах.

• техническое обслуживание, ориентированное на время, получило широкое распространение в нашей стране, и в частности, - при эксплуатации электропривода геологоразведочного оборудования, где в настоящее время широко используется система планово-предупредительного ремонта (ППР), предусматривающая периодическое техническое обслуживание. (ТО) при достижении им установленной наработки. Периодичность проведения ТО определяется типом ТАД и особенностями его эксплуатации. Текущему ремонту (ТР) подвергаются ТАД, прошедшие нормированное количество ТО. В случае отказа ТАД подвергаются капитальному ремонту и затем вновь вводятся в эксплуатацию или заменяются новыми. Наряду с несомненными достоинствами, обеспечившими ее широкое применение, система ППР имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что установленные систематическим путем значения межремонтных периодов применяются к конкретному ТАД независимо от его реального технического состояния. При проведении ремонтов через усредненные периоды без предварительного точного диагностирования ТАД в реальных условиях его эксплуатации, с одной стороны приходится выполнять большой объем преждевременных, не обоснованных необходимостью работ, сопровождаемых остановкой, разборкой, ТО или ремонтом электрооборудования, с другой стороны, -невозможно гарантировать полное отсутствие отказов в межремонтные периоды. В обоих случаях затраты на ТО и ТР возрастают и суммируются с экономическими потерями от простоя (планового или вызванного отказом) основного технологического оборудования.

• техническое обслуживание, ориентированное на состояние, предусматривает использование диагностической аппаратуры, непрерывно

измеряющей, обрабатывающей и интерпретирующей параметры, важные доя эффективной эксплуатации оборудования, а также - оценивающей тенденции их изменения для прогнозирования остаточного ресурса. Пользуясь получаемой информацией, возможно заблаговременно определять оптимальный срок проведения мероприятий ТО оборудования и свести к минимуму вероятность его аварийных отказов. Такая стратегия позволяет обеспечивать максимальную экономию затрат на ТО, эффективное использование ресурса оборудования с минимумом его остановок и заменой деталей только по достижении ими фазы критического износа.

Сравнение трех вышеприведенных стратегий по экономической эффективности показало значительные преимущества стратегии технического обслуживания, ориентированной на состояние. Применение такой стратегии при эксплуатации геологоразведочного оборудования позволяет:

• полностью вырабатывать ресурс технологического оборудования;

• сократить до минимума вероятность его аварийных отказов;

• существенно снизить время простоев для проведения плановых ТО и ТР;

• отказаться от практики накопления излишков резервного оборудования и запасных частей;

• обеспечить эффективное расходование энергоносителей за счет использования оптимальных режимов работы оборудования.

Использование оперативной информации о законе изменения мгновенного скольжения ротора приводного ТАД, работающего в штатном режиме, получаемой с помощью диагностических измерительных устройств из параметров потребляемого им тока, позволяет одновременно эффективно осуществлять:

• непрерывную дистанционную невозмущающую экспресс-диагностику приводных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей, выявлять на ранней стадии зарождения дефекты его основных узлов: статора, ротора и подшипников, влияющие на эллиптичность вращающегося магнитного поля, динамическую и статическую неравномерности рабочего зазора; а также -обрывы и раковины стержней и колец короткозамкнутого ротора, выявить которые не удается другими методами;

• непрерывную дистанционную невозмущающую экспресс-диагностику технического состояния и регулирование режима эксплуатации электроприводов основного технологического оборудования: буровых станков, насосов (засорение каналов, несоосности, режим кавитации и др.) транспортеров (неоднородности ленты, обрывы ковшей и др.), компрессоров и другого оборудования, используемого на геологоразведочных работах:

• оперативное регулирование (ручное или автоматическое) величины питающего напряжения приводного ТАД для эксплуатации его в энергосберегающих режимах;

• эффективное управление технологическим режимом бурения, обеспечивающее отсутствие стоячих волн в бурильной колонне,

отнимающих значительную часть механической энергии, вырабатываемой электроприводом, и снижающих механическую скорость проходки скважин.

В работах М. Хайдара, А.О. Горнова, В.А. Анисимова, М.Г. Бычкова и др. показано, что потери в ТЛД возможно минимизировать, используя информацию о величине скольжения для регулирования питающего напряжения таким образом, чтобы при изменении нагрузки на валу ЭДС Е изменялась по закону:

Е=(МсоУ2/3-$т1)<>т1)12. (19)

где: 5,л,)„„,„ - оптимизированная величина скольжения.

Используя это уравнение, возможно определить величины скольжений для оптимизации режима эксплуатации ТАД по различным критериям.

Оптимизация по минимуму потерь в ТАД обеспечивается путем изменения величины питающего напряжения при изменении нагрузки на валу ТАД при стабилизации заданной величины скольжения: 8*=[(г'2/Х„)(Хп2/гп + г,)]/(г'2+ п).

Оптимизация по минимуму тока статора обеспечивается при стабилизации заданной величины скольжения:

5; = Г ух„.

Оптимизация по минимуму потребляемой активной мощности обеспечивается при стабилизации заданной величины скольжения:

8Р = г'2р+Хо:/(пг0)]'-/Х„. Оптимизация по максимуму коэффициента мощности обеспечивается при стабилизации заданной величины скольжения:

= гУп+Рг+ХМ' 2]/(ХкХ„).

Сравнение различных способов оптимизации энергетических показателей ТАД показывает, что стабилизация скольжения на уровне минимума потерь мощности 5* в режиме бурения обеспечивает максимальный КПД, минимальные потери, создает благоприятные условия для сохранения изоляции стагорных обмоток и полного вырабатывания ресурса ТАД. Стабилизация скольжения по максимуму коэффициента мощности 54, обеспечивает экономию энергоресурсов, что особенно актуально при питании буровых станков от маломощных автономных дизельных электростанций.

Разработанная система автомагической стабилизации скольжения (рис.18), используя постоянную заданную величину оптимизированного скольжения, обеспечивает стабилизацию величины текущего значения скольжения, измеряемого по параметрам потребляемого тока, при изменениях нагрузки на его валу путем регулирования величины напряжения £/э„ , питающего электродвигатель привода. Схема содержит буровой станок, включаюидий в себя электропривод ЭП и бурильную колонну БК с буровым снарядом БС; тирисТорный регулятор напряжения ТРИ, выполняющий функции источника питания ТАД и регулирующего элемента; дефектоскоп

МИГ-1.02, выполняющий, в данном случае, функции датчика среднего скольжения; вычитающее устройство УВ, выполняющее функции сравнения текущего значения среднего скольжения Бо с задаваемым оптимизированным значением 8впт, определяемым, в зависимости от предъявляемых к системе требований.

Рис.18. Структурная схема системы автоматической стабилизации оптимизированной величины скольжения.

На рис.19 изображена векторная диаграмма мгновенной скорости вращения и мгновенного момента в бурильной колонне с распределенными параметрами. .

Рис.19. Векторная диаграмма для мгновенных момента и угловой скорости вращения бурильной колонны.

Из диаграммы видно, что при комплексной нагрузке на забойном конце колонны фазовый сдвиг между, векторами момента и скорости периодически изменяется с изменением длины колонны. Аналогичные изменения происходят при плавном изменении скорости вращения колонны неизменной длины.

При выборе нагрузки на забое таким образом, чтобы она имела активный характер и была равна волновому сопротивлению колонны, эллипсы момента и скорости превращаются в единичную окружность и фазовой сдвиг отсутствует в любом сечении колонны.

Отсутствие фазового сдвига является признаком отсутствия в колонне отраженных от нагрузки волн колебаний механической мощности, т.е. -реализацией режима минимизации потерь механической энергии в бурильной колонне.

Для обеспечения работы станка в этом режиме, бурильщик, используя диагностическую информацию, полученную из параметров потребляемого двигателем тока, о величине мгновенного скольжения и мгновенного момента, и регулируя величины осевого усилия и скорости вращения колонны, должен добиваться на экране электронного осциллографа минимальных размеров фазового портрета (рис.20).

_Г Дефектоскоп 1 МИГ-1.02

и,

Электронный осциллограф

Дифференцирующее устройство

Фазовые портреты

Рис.20. Формирование фазового портрета крутильных колебаний бурильной колонны.

Входной механический импеданс бурильной колонны 2Ю , т.е. нагрузка, приведенная к валу электродвигателя привода, в соответствии с уравнением (14) периодически изменяется по величине и характеру с изменением длины колонны и скорости ее вращения. Следовательно, изменение величины 2СХ, вызываемое удлинением колонны в процессе бурения скважины, возможно скомпенсировать одновременным уменьшением скорости ее вращения.

Условия, обеспечивающие статическую устойчивость системы, определяемые из совместной характеристики электропривода (рис.21), выполняются в границах устойчивых областей (Ь-с, с1-е, /-</), разделенных неустойчивыми областями (а-Ь, с-с1, <7-/7), в которых эти условия не выполняются. При неизменной длине колонны положение рабочей точки на совместной характеристике (точки О, О', О"), определяемое выбором скорости вращения, может находиться в устойчивых областях (точки О и О") или в неустойчивой области (т. О').

а и а>

4- ^ 0 с N. « \

м

Рис.21. Совместная характеристика электропривода бурового станка (1-механическая характеристика колонны, 2 -механическая характеристика двигателя, 3 -совместная характеристика электропривода).

В процессе бурения, по мере удлинения колонны, рабочая точка перемещается из устойчивой области (О) в неустойчивую (О'), а затем - опять в устойчивую (О"). В диапазоне скоростей вращения, определяемом границами неустойчивой области (е:Д в системе возбуждаются автоколебания, отнимающие часть механической мощности, вырабатываемой электроприводом, в результате чего механическая скорость проходки скважины снижается. Механическая мощность колебаний передается колонной от электропривода к забою лишь в диапазонах скоростей вращения, определяемых границами устойчивых областей (¿-е) и {[-ц).

Для обеспечения устойчивости системы в процессе бурения необходимо одновременно с удлинением колонны уменьшать скорость ее вращения, компенсируя смещение рабочей точки к границе устойчивой области, по закону, показанному на рис.22.

Рис.22. Закон изменения скорости вращения колонны в процессе бурения

скважины.

Плавное регулирование скорости вращения бурильной колонны, позволяющее устранить появление крутильных автоколебаний в бурильной колонне, и оптимизация энергетического режима двигателя может осуществляться с помощью одного из известных комплектных тиристорных

электроприводов соответствующей мощности, позволяющих раздельно регулировать величину и частоту выходного напряжения (рис.23).

Рис.23. Структурная схема электропривода бурового станка с плавным регулированием скорости вращения и энергетического режима двигателя.

Таким образом, использование оперативной диагностической информации о величине мгновенного скольжения, обрабатываемой методом фазовой плоскости, для управления технологическим режимом бурения является эффективным средством, позволяющим бурильщику при помощи несложной аппаратуры путем регулирования скорости вращения бурового снаряда и осевой нагрузки на него, выбирать оптимальный режим бурения в оперативной технологической обстановке при отсутствии априорно известных данных о геологической обстановке в месте бурения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны теоретические положения: доказана теорема о балансе активных и реактивных механических мощностей, проведен анализ динамических процессов в буровом снаряде, бурильной колонне и в асинхронном электроприводе, разработан алгоритм измерения скольжения асинхронных электродвигателей по параметрам потребляемого им тока, синтезированы новые структурные схемы измерительных диагностических устройств, определены диагностические признаки отдельных дефектов , асинхронных электродвигателей и основного технологического оборудования, сформулированы условия минимизации потерь мощности при передачи механической энергии от электропривода к забою, положенные в основу технических и технологических решений, внедрение которых обеспечивает эксплуатацию асинхронного электропривода геологоразведочных буровых станков в энергосберегающих режимах,

повышает эффемивность поиска и разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

2. Анализ специфических особенностей бурильной колонны и бурового снаряда, взаимодействующего с буримой породой, проведенный с использованием электрических моделей, позволяет качественно определить характер и основные параметры динамических процессов, протекающих в буровом станке, сформулировать требования к величине осевой нагрузки и скорости вращения бурового снаряда, режиму работы и виду механической характеристики электропривода.

3. Устранение колебаний оборудования, периодически возникающих в процессе бурения, требующих значительных дополнительных затрат электроэнергии, вызывающих снижение механической скорости проходки, преждевременный износ и внезапные аварийные отказы оборудования, являющееся существенным резервом повышения эффективности буровых работ, достигается использованием разработанного с учетом специфических особенностей бурильной колонны метода управления технологическим режимом бурения.

4. Энерго- и ресурсосберегающая эксплуатация бурильного оборудования, более полное вырабатывание его ресурса, снижение вероятности отказов, уменьшение времени на профилактические ремонты, оптимизация запасов

...резервного оборудования и запасных частей обеспечивается применением информационно-измерительной системы, выходной сигнал которой одновременно используется для непрерывного дистанционного контроля за техническим состоянием оборудования, регулирования параметров его эксплуатации и оперативного управления технологическим процессом.

5. Достоверность контроля за техническим состояниянием оборудования и параметрами его эксплуатации, надежность оперативного управления технологическим процессом бурения повышается комплексным использованием обобщенного диагностического параметра - мгновенного скольжения ротора асинхронного электродвигателя, определяемого по параметрам тока, потребляемого двигателем электропривода в штатных условиях эксплуатации.

6. Предупреждение внезапных аварийных отказов путем выявления на ранней стадии возникающих дефектов, наблюдения за их развитием и своевременного принятия решений о необходимости проведения профилактических ремонтов, обеспечивается применением найденных закономерностей, устанавливающих связь между дефектами отдельных узлов оборудования и законами вариаций мгновенного скольжения ротора.

7. Минимизация потерь механической мощности, передаваемой бурильной колонной от электропривода к забою, обеспечиваемая по критерию отсутствия в системе стоячих волн механической энергии, достигается выбором оптимальных величин скорости вращения и осевой нагрузки на буровой снаряд, обеспечивающим согласование волновых свойств

бурильной колоты с механическими свойствами бурового снаряда и буримой породы.

8. Снижающие запас устойчивости системы электропривод-бурильная колонна-буровой снаряд периодические изменения крутизны механической характеристики бурильной колонны, являющейся нагрузкой электропривода, происходящие при изменении её длины, компенсируются регулированием скорости вращения и крутизны механической характеристики электродвигателя.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Григорьев М.И. Классификация средств и методов контроля параметров вращения асинхронных электродвигателей. В сб. ВИНИТИ "Электропривод и автоматизированные системы управления", -М.: №10, 1983 г.

2. Григорьев М.И., Ровенский В.Б. Анализ причин возникновения неравномерности частоты вращения асинхронных микродвигателей. В сб. докладов 6-й Весе. НТК "Новые технологические процессы и оборудование для производства машин малой мощности", Тбилиси, ВНИИТМЭ, 1983 г.

3. Григорьев М.И., Игнатов В.А., Ровенский В.Б. Анализ спектрального состава эллиптического вращающегося поля электродвигателя переменного тока. ИВУЗ, "Электромеханика", №10, 1983 г.

4. Григорьев М.И., Игнатов В.А., Ровенский В.Б. Алгоритм измерений мгновенного скольжения асинхронного электродвигателя по параметрам потребляемого тока. ИВУЗ, "Электромеханика", №4, 1984 г.

5. Григорьев М.И., Игнатов В.А., Ровенский В.Б. и др. ' Устройство для измерения скольжения асинхронных электродвигателей. Авт.свид.№ 1068817 от 26.10.82 г. опубл. в БИ №3, 1984 г.

6. Григорьев М.И., Ровенский В.Б. Выявление обрывов стержней короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателея. В сб. Доклады 7-й Вс. НТК "Состояние и перспективы совершенствования разработки и производства асинхронных двигателей".-М.: Информэлектро, 1985 г.

7. Григорьев М.И., Игнатов В.А., Ровенский В.Б. и др. Устройство для измерения скольжения асинхронных электродвигателей. Авт. свид. №1140043 от 26.07.83 г. опубл. в БИ №6, 1985 г.

8. Григорьев М.И., Ровенский В.Б. Диагностирование неравномерности рабочего зазора асинхронных двигателей по спектру скольжений ротора. В Библ. указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы", №5, 1986 г,

9. Григорьев М.И. Диагностирование дефектов асинхронных короткозамкнутых электродвигателей по динамическим характеристикам стационарного режима. Автореферат канд. диссертации. -М.: МАИ, 1985 г.

Ю.Григорьев М.И. О технической диагностике асинхронных электродвигателей. В сб. "Централизованный ремонт электрооборудования", -М.: изд. МДНТП, 1989 г., 121 с.

11 .Григорьев М.И., Пунтус В.И., Задерей Г.П. и др. Физические основы работы паратранса. Электронная промышленность, №9,1974 г.

■ 12.Григорьев М.И., Пунтус В.И., Задерей Г.П. и др. Устройства на основе паратранса. Электронная промышленность, №1,1975 г.

И.Григорьев М.И., Тертишников Ю.Ф., Казьмин Н.Д. К разработке промышленного образца паратранса-стабилизатора-фильтра. В сб. "Устройства вторичных источников питания РЭА".-М.: МДНТП, 1976 г.

И.Григорьев М.И. Фазовый дискриминатор на индуктивных параметрических регенераторах. Электронная техника, сер.5, вып.2(33), 1979 г.

15.Григорьев М.И., Федосова Т.С. Анализ статических и динамических свойств безынерционного фазового детектора. Электронная техника, сер.5, вып.2(43), 1981 г.

16.Григорьев М.И. Повышение ударной прочности узлов РЭА. Электронная техника, сер.5, вып.1(42), 1981 г.

П.Григорьев М.И., Самойло К.А., Федосова Т.С. Импульсно-фазовый детектор. Авт. свид.№612388 от 03.02.77. Опубл. в БИ №23, 1978 г.

18.Григорьев М.И. Экспресс-диагностика асинхронных электроприводов. В сб."Организация электроремонта в современных условиях", -М.: изд.МДНТП, 1993 г., 74 с.

19.Григорьев М.И. Метод бесконтактной дистанционной экспресс-диагностики асинхронных электродвигателей. В сб. Тезисы докладов 1-й международной конференции по электромеханике и электротехнологии "МКЭЭ-94", Суздаль, 1994 г.

20.Григорьев М.И., Хусейн X. Экспериментальные исследования дефектов насосного оборудования с приводным двигателем для повышения его надежности. Изв.ВУЗ, "Геология и разведка", №1, 1995 г.

21.Григорьев М.И. Разработка бесконтактного метода экспресс-диагностики ТАД. Научно-технич. отчет по гранту Госкомвуза РФ фундаментальные работы в области электротехники и энергетики №10 Гр-94. -М.: МЭИ, 1995.

22.Григорьев М.И. Исследование крутильных автоколебаний колонны бурильных труб при помощи электрической модели. В сб. Тезисы докладов 2-й международной конференции "Новые достижения в науках о Земле", -

' М., -МГГА, 1996 г.,-312 с.

23.Григорьев М.И. Выбор электропривода бурового станка с учетом крутильных колебаний колонны бурильных труб. В сб. Тезисы докладов 2-й международной конференции "Новые достижения в науках о Земле", -М., -'МГГА, 1996 г.,-312с.

24.Григорьев М.И. Результаты экспериментальных исследований возбуждения автоколебаний в бурильной колонне. В сб. Тезисы докладов 3-й международной конференции "Новые идеи в науках о Земле", -М.: МГГА, 3 т., 1997 г.,-176 с.

25.Григорьев М.И., Бородулин Ю.Б. Обобщенный диагностический параметр асинхронных электроприводов буровых станков. В сб. Тезисы докладов международной НГК "8-е Бенардосовские чтения", Иваново, ИГЭУ, 1997 г., -374 с.

26.Григорьев М.И. Метод энергосберегающей эксплуатации электроприводов буровых станков. В сб. Тезисы докладов международной НТК "8-е Бенардосовские чтения", Иваново, ИГЭУ, 1997 г., -3 74 с.

27.Григорьев М.И. Выбор технологических режимов бурения скважин с учетом волновых свойств бурильной колонны. В сб. Тезисы докладов НТК "Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже ХХ-ХХ1 веков", -М.: МГГА, 1998 г., -146 с.

Автор выражает искреннюю признательность академикам РАЕН Е.А. Козловскому и A.M. Лимитовскому, профессору Ю.Б. Бородулину за полезные советы и справедливые замечания, а также - сотрудникам факультета Техники разведки и разработки Московской государственной геологоразведочной академии за оказанную помощь в подготовке экспериментов и участие в обсуждении результатов работы.

Ч"" I 1 / V/' и

ь

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московская государственная геологоразведочная академия

ГРИГОРЬЕВ Михаил Иванович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

И МЕТОДЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.15.14 -Технология и техника геологоразведочных работ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

- заслуженный деятелььдауксГи д.т.н., професс9р,: акадегушС

- заслуженный\деят&гь'%а§й: д.т.н., профессор, академик'РА1

Москва, 1998.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. ........... 4

Глава 1. Анализ проблемы комплексной диагностики асинхронных

электроприводов геологоразведочных буровых установок. . 11

1.1 .Анализ существующих стратегий технического обслуживания. 11

1.2.Анализ и выбор диагностических параметров. ... 15

1.3.Обоснование выбора обобщенного диагностического параметра. 17

1 ^.Прогнозирование остаточного ресурса электродвигателей. . 19 1.5.Анализ факторов, влияющих на равномерность вращения двигателя. 21 1 .б.Обзор мер оценки неравномерности скорости вращения двигателя. 27

1.7.Анализ автоколебаний методом фазовой плоскости. . . 34

1.8.Краткий обзор диагностических средств контроля. . . 37 Выводы к первой главе. ....... 43

Глава 2.Исследования особенностей нагрузки электропривода буровых

станков. .......... 44

2.1 .Анализ комплексных динамических характеристик реакции

конструкций на воздействия периодических колебаний.. . 45

2.2.Научное обоснование теоремы о балансе механических мощностей.. 51

2.3.Исследования автоколебаний бурового снаряда. ... 55

2.4.Анализ нестационарных процессов в бурильной колонне с сосредоточенными параметрами. ..... 69

2.5.Анализ волновых процессов в бурильной колонне с распределенными параметрами. ..... 77

Выводы к второй главе.. ...... 103

Глава 3 .Исследования крутильных автоколебаний в электроприводе

бурового станка. ....... 105

3.1 .Анализ динамических свойств асинхронного электродвигателя. 105

3.2.Анализ устойчивости бурового станка к крутильным колебаниям. 111 3.2.1 .Исследования механической характеристики бурильной колонны. 112

3.2.2.Исследования передаточной функции бурового станка. . 116

3.2.3.Разработка требований, предъявляемых к электродвигателю бурового станка. . . . . . . . 119

3.3.Исследования крутильных колебаний, возникающих в

буровом станке с упругой бурильной колонной. . . . 121

Выводы к третьей главе. . . . . . . . 125 Глава 4.Исследования и анализ колебаний угловой скорости ТАД

при различных возмущениях. . . . . . . 127

4.1 .Анализ влияния малой перидической вариации нагрузки. . 127

4.2.Анализ влияния эксцентриситета ротора. .... 131

4.3.Анализ влияния эллиптичности вращающегося поля. . . 135 4.3.1 .Анализ спектрального состава эллиптического вращающегося

поля. .......... 142

4.3.2.Исследования зависимости энергетических показателей

ТАД от величины эллиптичности поля. . . . . 149

4.4.Исследования влияния асимметрии рабочего зазора. . . 152

4.4.1.Анализ влияния статической асимметрии рабочего зазора. . 153

4.4.2. Анализ влияния динамической асимметрии рабочего зазора. 159

4.5.Анализ влияния электромагнитной несимметрии ротора. . 166

4.6.Исследования спектрального состава токов ротора при вариациях мгновенного скольжения. . . . . . . .168

4.6.1.Анализ дифференциальных уравнений фазы ротора. . . 169

4.6.2.Спектральный анализ тока фазы ротора при периодическом изменении скольжения.. . . . . . . 171

Выводы к четвертой главе. . . . . . . . 178 Глава 5.Разработка диагностических средств контроля и исследование

их основных характеристик. . . . . . . 180

5.1.Разработка алгоритма измерений мгновенного скольжения по параметрам потребляемого тока. . . . . . 180

5.2.Синтез структурных схем измерителей скольжения. . . 186

5.2.1.Синтез функциональных схем первого приближения. . . 186

5.2.2.Синтез уточненной функциональной схемы. . . . 189

5.2.3.Физическое описание работы диагностического устройства.. 191

5.2.4.Синтез точной функциональной схемы устройства. . . 194

5.3.Анализ погрешности результатов измерений скольжения ротора. 197 5.3.1.Оценка погрешности алгоритма измерений. . . . 198 5.3.2.Оценка погрешностей, вызываемых работой отдельных узлов. 199

5.4.Разработка мер по снижению влияния возмущающих факторов. 215 5.5.Оценка чувствительности диагностического устройства. . 226 5.6.Краткое описание конструкции диагностического устройства. 229 Выводы к пятой главе. . . . . . . . . 231

Глава 6.Практическое использование результатов исследований. . . 233

6.1 .Диагностирование дефектов асинхронного электродвигателя. . 233

6.2.Диагностирование технического состояния оборудования. . 252

6.3.Оптимизация энергетических характеристик электропривода.. 276 6.4. У правление рациональным энергетическим режимом

разведочного бурения. ....... 286

Выводы к шестой главе. ....... 292

Заключение. .......... 293

Литература. .......... 296

-4 -

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности геологоразведочных работ является актуальной комплексной проблемой, имеющей научные, технические, технологические и организационные аспекты, решение которой, позволит ускорить поиск, разведку и разработку месторождений твердых полезных ископаемых.

Геологоразведочной партией выполняется целый комплекс различных технологических процессов, таких, как бурение, проведение горных выработок, водоотлив, транспортировка, водо- и воздухоснабжение, диагностические и ремонтно-механические работы, обеспечиваемых большим количеством разнообразной техники разведки. Особенности эксплуатации геологоразведочного оборудования: большие динамические нагрузки, вибрация, работа в режиме частых пусков, остановок и реверсов; непрерывная передислокация, интенсивное деградационное влияние окружающей среды; низкое качество питающей электроэнергии от автономных маломощных источников; определяемые удаленностью от промышленных центров ограниченные возможности снабжения запасными частями и средствами технической диагностики, неоптимальная система технического обслуживания и ремонта и т.п., обусловливают интенсивный износ оборудования и его частые отказы, наносящие большой экономический ущерб.

Поиску решений проблемы повышения эффективности геологоразведочных работ посвящены фундаментальные труды таких известных ученых, как Воздвиженский В.И., Козловский Е.А., Башкатов Д.Н., Калинин А.Г., Владиславлев B.C., Григорьев В.В., Грабчак Л.Г., Зиненко В.П., Кардыш В.Г., Кирсанов А.Н., Киселев А.Т., Кудряшов С.С., Лачинян Л.А., Питерский В.М., Ребрик Б.М., Алексеев В.В., Симонянц Л.Е., Симонов В.В., Сулакшин С.С., Юнин Е.К. и многих других, уделивших большое внимание системам комплексного управления процессом бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые, тенденция совершенствования которых направлена на создание универсальных автоматических систем, не ориентированных на конкретные данные: буровую установку, тип подачи бурового инструмента и способ бурения, а также указывавших на актуальность разработки систем диагностики для выявления работоспособности отдельных узлов и механизмов, поскольку затраты на ликвидацию аварий и ремонт основного технологического оборудования составляют значительную часть в общем балансе рабочего времени.

Например, по данным академика Козловского Е.А.[70] при бурении установками ЗИФ-650М в Кировской и Приазовской экспедициях эти затраты достигали 33%, т.е. трети всего рабочего времени, как показано на рис. В. 1.

Рабочее время,% 40Ь

38%

33%

20

24%

14% 12%

11%

0

3%

Технологические _операции

Бурение СПО Вспом. операции Аварии Ремонты Простои

Рис.В Л. Диаграмма рабочего времени буровой установки.

Сниженйе непроизводительных затрат рабочего времени за счет предотвращения и уменьшения тяжести последствий аварий, путем проведения предупредительных профилактических ремонтов является существенным резервом для повышения эффективности использования геологоразведочного оборудования.

Значительная часть отказов основного технологического оборудования геологоразведки приходится на долю электропривода, содержащего, в основном, трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (ТАД) и коллекторные двигатели постоянного тока. По сравнению с двигателями постоянного тока при одинаковых мощности и частоте вращения ТАД в 1,5-2 раза легче и в 3 раза дешевле. Момент инерции ротора и отношение его к номинальному моменту, определяющие динамические свойства электрических машин, у ТАД в 2-3 раза меньше, следовательно, у них имеется конструктивный запас по быстродействию. Динамический ток ТАД не ограничен условиями коммутации и может в пуско-тормозных режимах достигать (5-8)- кратных значений, обеспечивая при насыщении стали (7-10)-кратные значения электромагнитного момента. При оптимальном по минимуму потерь частотном регулировании скорости вверх от паспортного значения максимально допустимая выходная мощность ТАД больше в 1,5-2 раза, а при оптимизации конструкции ТАД, специализированного для замкнутых систем частотного регулирования, габариты и вес ТАД могут быть дополнительно уменьшены до 30% при тех же соотношениях скорости и мощности. При этом быстродействие повышается в 2-3 раза по сравнению с серийным ТАД [19]. Эти достоинства предопределяют большие

перспективы использования ТАД в электроприводе геологоразведочного оборудования.

Специфика работы геологоразведочного бурового станка такова, что в большинстве случаев для бурения и спуско-подъемных операций (СПО) используется один и тот же ТАД, а так как требуемая мощность для СПО значительно больше, то при бурении этот ТАД работает с недогрузкой. Поэтому эксплуатация ТАД в режиме бурения характеризуется низкими энергетическими показателями, поскольку, как известно, КПД и коэффициент мощности снижаются при уменьшении нагрузки на валу. Энергетические показатели ТАД возможно оптимизировать автоматическим регулированием характеристик двигателя в зависимости от величины и характера нагрузки, используя величину скольжения ротора в качестве контролируемого параметра.

Энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода посвящено большое количество трудов таких крупных ученых, как Ильинский Н.Ф., Горнов А.О., Безаев В.Б., Сарбатов P.C., Рожанковский Ю.В., Анисимов В.А., Бычков М.Г., Сидоров Н.В. и многих других.

Системный общеметодологический подход к разработке научно-технических проблем предусматривает поиск возможных решений на трех уровнях: надсистемы, системы и подсистемы.

При таком подходе буровой станок можно рассматривать как надсистему, электропривод бурового станка - как систему, а асинхронный электродвигатель привода - как подсистему:

Над система Буровой станок Повышение устойчивости станка к автоколебаниям

Система Электропривод Оптимизация энергетических режимов эксплуатации электропривода

Подсистема Асинхронный двигатель Непрерывная диагностика и заблаговременное устранение дефектов

Рис.В.2. Уровни комплексного решения проблемы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок.

Первый путь, заключающийся в решении поставленной задачи на уровне надсистемы, связан с анализом динамических процессов, протекающих в асинхронном электроприводе бурового станка при наличии крутильных автоколебаний в нагрузке - бурильной колонне, являющейся системой с распределенными параметрами; а также поиском оптимальных технологических режимов эксплуатации станка, исключающих появление в бурильной колонне (БК) стоячих волн механической энергии, и обеспечивающих устойчивость станка к автоколебаниям для передачи бурильной колонной максимума мощности от электропривода к забою.

Решение поставленной задачи на уровне системы предусматривает анализ специфических особенностей эксплуатации ТАД в электроприводе бурового станка (неполная загрузка) и разработку системы автоматического регулирования обеспечивающей оптимизацию его энергетических характеристик при значительных изменениях нагрузки на валу.

Третий путь, - решение проблемы на уровне подсистемы, -предполагает применение в реальных условиях эксплуатации ТАД непрерывной диагностики для заблаговременного устранения возникающих дефектов и возмущающих факторов, обусловленных конструктивными просчетами, технологическими погрешностями изготовления и сборки, как отдельных узлов, так и ТАД в целом, а также возникающих в результате его износа или неправильной эксплуатации, для максимального сокращения времени простоев и снижения затрат на техническое обслуживание и ремонты.

В настоящей работе использован комплексный подход к решению проблемы энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок на всех трех уровнях: надсистемы, системы и подсистемы. В основу комплексного решения проблемы положено использование обобщенного диагностического параметра -мгновенного значения скольжения ТАД, определяемого по параметрам потребляемого им тока.

Целью настоящей работы является разработка комплекса энергосберегающих методов и диагностических средств, обеспечивающих повышение энергетической эффективности эксплуатации асинхронного электропривода бурового оборудования путем:

® выявления дефектов оборудования на ранней стадии возникновения с

помощью системы непрерывной дистанционной диагностики; э эксплуатации асинхронного электропривода в энергосберегающих режимах с использованием диагностической информации для его регулирования;

э повышения устойчивости бурового станка к возникновению автоколебаний, отбирающих значительную часть механической энергии, вырабатываемой асинхронным электроприводом, с использованием диагностической информации для управления технологическим режимом бурения.

Сущность методов энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода буровых станков заключается в применении оптимизированного (по критериям минимизации потерь мощности или максимизации коэффициента мощности) управления режимом эксплуатации ТАД и устранении колебаний при помощи оптимизированного (по критерию минимума колебаний) управления

технологическим процессом бурения, а также - предупреждения возникновения дефектов, осуществляемом путем непрерывного контроля за техническим состоянием оборудования по результатам оперативной обработки информации, получаемой от диагностических средств, объединенных в единую информационно-измерительную систему, как показано на рис.В.З:

Рис.В.З. Методы и средства энергосберегающей эксплуатации асинхронного электропривода бурового оборудования.

Информационно-измерительная система использует информацию, заключенную в параметрах тока, потребляемого ТАД электропривода станка, по которой определяется закон изменения мгновенного скольжения ротора и его производная, соответствующая закону изменения мгновенного момента на валу АД. По этим данным находят спектральный состав мгновенных скольжений ротора и строят фазовый портрет колебания, которые являются основой для принятия решения о необходимости проведения профилактических работ с оборудованием или об оперативном вмешательстве в технологический процесс бурения для максимального использования на забое механической энергии, вырабатываемой электроприводом станка, и минимизации доли энергии, затрачиваемой на поддержание колебаний. Временной, спектральный или корреляционный анализ закона изменения мгновенного скольжения ротора одновременно позволяет идентифицировать дефекты ТАД, электропривода, механических узлов станка, а также характер буримой породы.

Для проведения непрерывного контроля технического состояния бурового оборудования, осуществляемого в штатных условиях эксплуатации, не требуется его остановки или демонтажа, снижающих производительность буровых работ.

Извлечение информации о наличии и характере колебаний из параметров потребляемого тока позволяет отказаться от применения

специальных датчиков, размещаемых на оборудовании, поскольку в качестве такого датчика используется ТАД электропривода, что повышает надежность работы системы и достоверность получаемой от нее информации.

Решаемые задачи

Для эксплуатации асинхронного электропривода буровых установок в энергосберегающих режимах и повышения его эксплуатационной надежности в условиях геологоразведочных работ с помощью непрерывной диагностики, регулирования и управления необходимо решить следующие задачи:

1. теоретически обосновать и практически разработать метод управления технологическим процессом бурения, обеспечивающий устранение колебаний, выявляемых в процессе непрерывного контроля;

2. теоретически обосновать и практически разработать метод регулирования, обеспечивающий эксплуатацию электроприводов буровых станков в энерго- и ресурсосберегающих режимах;

3. теоретиче