Асинхронный электромеханический преобразователь возвратно-вращательного движения для динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Соловьев, Владимир Александрович

• Соловьев, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соловьев, Владимир Александрович

Введение.

Глава. 1. Анализ существующих электромеханических систем.

1.1. История развития электрического бурения.

1.2. Принципы построения электроприводов колебательного движения.

1.3. Буровые электромеханические снаряды на грузонесущем кабеле.

1.4. Режимы работы породоразрушающего инструмента.

1.5. Особенности технологии бурения электробурами.

1.6. Современное состояние электробурения.

1.7. Асинхронные двигатели со специальным ротором.

1.8. Погружной электродвигатель.

1.9. Вентильный двигатель.

1.10. Аспекты морского бурения.

1.11. Пескопроявление.

1.12. Цели и задачи исследования.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Теоретические исследования электромеханического преобразователя.

2.1. Конструктивная и расчетная динамические схемы бурового снаряда с электромеханическим преобразователем возвратно-вращательного действия.

2.2. Математическая модель электромеханического преобразователя.

2.3. Разомкнутая система со статическим модулем жесткости.

2.4. Замкнутая система со статическим модулем жесткости.

2.5. Методика определения основных параметров динамически уравновешенного бурового снаряда.

2.6. Пример расчета основных параметров динамически уравновешенного бурового снаряда.

2.7. Реализация знакопеременного момента на валу двигателя.

Выводы к главе 2.

Глава.З. Имитационное моделирование процессов в асинхронном электромеханическом преобразователе.

3.1. Моделирование вынужденных колебаний в механической системе с комбинацией сухого трения с вязким трением.

3.2. Имитационное моделирование механических колебаний с разомкнутой системой управления.

3.3. Имитационное моделирование механических колебаний с замкнутой системой управления.

3.4. Имитационная модель с учетом электромагнитных процессов.

3.5. Результаты анализа при питании асинхронного электромеханического преобразователя от преобразователя частоты.

3.6. Результаты анализа при питании асинхронного электромеханического преобразователя от блока реверса.

Выводы к главе 3.

Глава.4. Лабораторно-экспериментальные исследования асинхронного электромеханического преобразователя.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Конструкция лабораторной установки асинхронного электромеханического преобразователя.

4.3. Определение момента инерции.

4.4. Исследование режимов работы электромеханического преобразователя на физической модели.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Асинхронный электромеханический преобразователь возвратно-вращательного движения для динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле»

Повышение эффективности ряда поисковых, разведочных и вспомогательных буровых работ может быть достигнуто применением буровых снарядов на грузонесущем кабеле. Буровые установки при этом обладают высокой мобильностью, малой металлоемкостью и не требуют применения наземных систем циркуляции промывочных жидкостей.

К указанным работам можно отнести: бурение скважин в ледниковых отложениях в отдаленных областях Земли (Антарктида, Арктика, и т.д.), взятие проб грунтов со дна Мирового океана на больших глубинах, алмазное бурение с предельно допустимыми линейными средними скоростями движения породоразрушающего инструмента, очистка призабойных интервалов эксплуатационных нефтяных и газовых скважин в продуктивных пластах, склонных к пескопроявлению.

Работы по созданию колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле проводились в СССР, России, США, Дании, Франции, Японии.

Наивысшие результаты, занесенные в Книгу рекордов Гиннеса, получены при бурении ледниковых отложений в Антарктиде (3623 м) электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле, разработанным и изготовленном в России (Санкт-Петербургский Государственный горный институт).

Все известные электромеханические буровые снаряды включают в себя электродвигатель, редуктор, колонковую трубу, шламосборник, циркуляционный насос и распорное устройство для компенсации реактивного момента породоразрушающего инструмента (коронки). Одним из перспективных направлений совершенствования электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле может явится разработка безредукторного динамически уравновешенного бурового снаряда. Современное состояние силовой преобразовательной техники и систем управления позволяет создать электромеханический преобразователь на основе короткозамкнутого асинхронного двигателя, обеспечивающего резонансные гармонические возвратно-вращательные движения коронки.

Анализу процессов в динамически уравновешенном колонковом электромеханическом буровом снаряде с возвратно-вращательным движением коронки на базе погружного маслозаполненного асинхронного двигателя посвящена настоящая работа.

Научные положения выносимые на защиту:

- Амплитуда возвратно-вращательных колебаний на собственной частоте асинхронного динамически уравновешенного преобразователя при частотном управлении формированием знакопеременного электромагнитного момента с неизменным потокосцеплением статора на холостом ходу прямо пропорциональна отношению амплитудных значений угловых скоростей электромагнитного поля асинхронного двигателя и ротора относительно статора, а под нагрузкой уменьшается обратно пропорционально отношению моментов сопротивления на валу ротора и критического момента асинхронного двигателя.

- Положительная регулируемая обратная связь по скорости ротора относительно статора резонансного асинхронного преобразователя обеспечивает устойчивую работу на собственной частоте в диапазоне изменений значений коэффициента передачи этой связи от нуля до величины прямо пропорциональной моменту нагрузки и обратно пропорциональной коэффициенту жесткости линейной части механической характеристики асинхронного двигателя и соотношению моментов инерции статорной и роторной частей преобразователя.

- Номинальный тепловой режим работы резонансного преобразователя на базе погружного маслозаполненного короткозамкнутого асинхронного электродвигателя обеспечивается при питании от преобразователя частоты со скалярным управлением при средних действующих значениях фазных токов и моментов, равных номинальным (паспортным) значениям, а при питании от реверсивных тиристорных блоков при скважности подачи номинального напряжения 0,4-0,6 в каждый полупериод колебаний и включением-отключением его при скоростях движения ротора относительно статора, соответствующих указанной скважности.

Работа базируется на результатах исследований отечественных ученых в области бурения электромеханическими буровыми снарядами под руководством заслуженного деятеля науки и техники, проф. Б.Б. Кудряшова, Г.К. Степанова, В.Ф. Фисенко, В.К. Чистякова, Н.И. Васильева, Н.Д. Михайловой, Г.К. Степанова., в области электропривода А.А. Булгакова, О.В. Иванова, И.П. Копылова, В.И. Луковникова, в области теоретической механики В.В. Болотина, Г.Ю. Бать, Р.Ф. Нагаева, С.П. Тимошенко, в области автоматического регулирования В.А. Бесекерского, JI.C. Гольдфарба.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электротехники и Электромеханики» Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Автор выражает искреннюю глубокую благодарность заведующему кафедрой «ЭиЭМ» СПбГГИ(ТУ) д.т.н., проф. Козяруку А.Е., научному руководителю д.т.н., проф. Загривному Э.А., к.т.н., доц. Емельянову А.П., к.т.н., доц. Коновалову Б.П. за помощь в подготовке диссертационной работы.

ГЛАВ АЛ. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Соловьев, Владимир Александрович

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

1. Экспериментально подтверждена работоспособность бурового снаряда с асинхронным двигателем в качестве привода.

2. С увеличением момента сопротивления происходит незначительное уменьшение резонансной частоты.

3. Использование для реверса тиристорных ключей приводит к перегреву асинхронного двигателя даже на холостом ходу, а снижение амплитуды питающего напряжения и введение скважности приводит к потерям мощности.

4. Использование преобразователя частоты для питания и реверса установки приводит к улучшению теплоэнергетических показателей асинхронного двигателя.

5. Целесообразно использование положительной обратной связи по скорости для настройки системы на резонансную частоту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические выводы заключаются в следующем:

1. Перспективным направлением развития технологии и техники бурения скважин буровыми снарядами на грузонесущем кабеле следует считать создание резонансного динамически уравновешенного безредукторного снаряда на базе АД.

2. Существенным техническим преимуществом динамически уравновешенного бурового снаряда является отсутствие неподвижных конструктивных частей, что снижает аварийность выполнения спускоподъемных операций.

3. Перспективными областями применения предлагаемого бурового снаряда можно считать очистку призабойных зон добычных нефтяных и газовых скважин, отрабатывающих продуктивные пласты с пескопроявлением, пласты с высоковязкой нефтью с применением забойных электротермических устройств, а так же взятие проб со дна Мирового океана, бурение ледников.

4. Амплитуда колебаний ротора относительно статора на холостом ходу ограничена отношением амплитудных значений угловых скоростей электромагнитного поля АД и механических резонансных колебаний, а при номинальной нагрузке - расчетными значениями амплитуды колебаний и резонансной частоты, а так же электромеханическими параметрами системы.

5. Колебания на собственной частоте механической системы может быть обеспечено введением регулируемой положительной обратной связи по скорости, при этом коэффициент передачи определяется выражением К = 1 + у^р •

6. Для обеспечения технологических параметров бурового снаряда момент АД должен удовлетворять условию 0.8МК > Мс.

7. Разработанная методика позволяет выбирать динамические параметры системы как с использованием в качестве источника питания ПЧ со скалярным управлением, так и с питанием от реверсивных тиристорных блоков, при этом основным требованием при расчете параметров является обеспечение теплового режима работы АД равного номинальному режиму.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соловьев, Владимир Александрович, 2005 год

1. Cibon. New drilling technique with motordriven bit. "World Oil.", vol. 126, No 6, 1947, p.37-39.

2. A.c. №1716067, Буровой снаряд. 1992, Бюл.№8. Васильев Н.И., Тала-лай П.Г., Чистяков В.К.

3. А.с. №20028405, Колонковый буровой снаряд с электроприводом. 2004, Бюл.№1. Загривный Э.А., Соловьёв В.А.

4. А.с. №2209912, 10082003, Колонковый электромеханический буровой снаряд Бюл.№22. Литвиненко B.C., Кудряшов Б.Б., Соловьев Г.Н., Загривный Г.А., Васильев Н.И.

5. А.с. №399000, Электробур для бурения скважин во льду. 1973, Бюл. №39.Кудряшов Б.Б., Фисенко В.Ф., Степанов Г.К.

6. А/д. Аксенова Н.А. Исследование и разработка техники, технолгии за-канчивания скважин с неустойчивыми коллекторами. «НИПИ ТСС» при ГОУ ВПО ТюмГНГУ. 2004.

7. А/д. Федотов В.М. Асинхронный колебательный электропривод с регулируемой собственной частотой. Томск, ПолиТех, 1982.

8. Абдулрахманов К.А. Асинхронные электроприводы с регулируемой ЭДС двигателя. «Электротехника» №04/01.

9. Адкинс Б. Общая теория электрических машин. М.; Л.: ГЭИ, 1970.

10. АиповР.С. Линейный электропривод колебательного движения. Уфа, 1994.

11. Альтшуллер М.И. Регулируемый электропривод с вентильным двигателем для погружных насосов нефтяных скважин. «Электротехника» №2/01.

12. Бабков Н. А., Воронов А. А. и др. Теория автоматического управления, ч. I. М., "Высшая школа", 1977.

13. БатьМ.И. Теоретическая механика в примерах и задачах. Механика. — М.: Наука.

14. Бирюков В.Я. Перспективы инженерно-геологического бурения подводными буровыми станками-автоматами. Рига: ВНИИморгео, Сборник научных трудов, 1987.

15. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы. М., Гостоп-техиздат, 1957.

16. Богданов А.А. Тенденции в нефтяном бурении США. Американская техника и промышленность. Амторг, 1948, №8-9

17. Булатов А. И., Аветисов А. Г. Справочник инженера по бурению. Том 1, М., "Недра", 1985.

18. Васильев А.И. Оптимальные процессы в электроприводах. М.: Энергия, 1966.

19. Васильев Н.И. Результаты испытаний электромеханического снаряда КЭМС-112 на станции Восток, и др./ №79, 1995.

20. Вешеневский С.Н. «Характеристики двигателей в электроприводе». JI. Энергия, 1977.

21. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт., 2001.

22. Дегтярева E.JL, Потапов JI.A. «Исследование механических характеристик электрических машин с массивным ферромагнитным ротором». Известия ВУЗ №2-3, 1998.

23. Иванов О.В., Комаров Б.И., Сигаррета А.Д. «Асинхронный двигатель с последовательными конденсаторами при периодической нагрузке». Записки ЛГИ, t.LXX, выпуск 1, «Блочные оптимальные системы электроприводов горных машин».

24. Кадеев Г.Д. «Момент трехфазного асинхронного двигателя и теория качающегося магнитного поля», Электромеханика №3, 1977.

25. Климентов М.Н. «Новые буровые снаряды с фильтровыми колоннами для сооружения наклонно-восстающих скважин». "Шахтное строительство" №10, 1990.

26. Ковач К.П., Рац И. «Переходные процессы в машинах переменного тока». М: Госэнергоиздат. 1963.

27. Копылов И.П. и др. Математическое моделирование асинхронных машин. -М: Энергия, 1969.

28. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. — М.: Энергия, 1973.

29. КудряшовБ.Б. Механическое бурение скважин во льду, Лениниград, 1988.

30. Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. М: 1986.

31. ЛандаП.С. Автоколебания в распределенных системах. М.: Наука 1983.

32. ЛандаП.С. Автоколебания в системе с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980.

33. Лисичкин С.М. Очерки по истории развития отечественной нефтяной промышленности. М., Гостоптехиздат, 1954.

34. Луковников В.И. «Проблемы разработки и исследования электродвигателей периодического движения», ДЭМ, Омск, 1984.

35. Луковников В.И. «Рабочие характеристики обобщенного колебательного электродвигателя»., Электричество, №5, 1979.

36. Луковников В.И. «Электропривод колебательного движения», -М. Энер-гоатомиздат, 1984.

37. Луковников В.И. О статье КадееваГ.Д. «Момент трехфазного асинхронного двигателя и теория качающегося магнитного поля», Изв. ВУЗов, Электромеханика, №7, 1982.

38. Луковников В.И. Символический метод расчета характеристик электродвигателя колебательного движения. Электричество, №4, 1978.

39. Луковников С.А. Исследование электромеханических переходных процессов при колебательном режиме электродвигателей серий ДИД, АДП, ЭМ. -Изв. Томского политехи, ин-та, 1975.

40. Лукошков А.В. Бурение неглубоких разведочных скважин в море с борта плавсредств. -М: Недра, 1980.

41. Минин А.А., Погарский А.А. Форсирование механической скорости беструбного электробура. «Нефтяное хозяйство», 1956, №3.

42. Минин А.А., Погарский А.А., ЧефрановК.А. Техника беструбного бурения скважин. М., Гостоптехиздат, 1956.

43. Мительман Б.И. К вопросу о сравнении балансовой мощности при бурении глубоких скважин электробурами и турбобурами. «Гидравлика в бурении». М., «Недра», 1965.

44. Михайлова Н.Д. Техническое моделирование колонкового бурения. -М: Недра, 1985.

45. Могильников B.C. «Асинхронный двигатель с двухслойным ротором», -М: Энергия 1983.

46. Олейников A.M. «Экспериментальное сравнение асинхронных двигателей с короткозамкнутыми и двухслойными роторами в различных режимах работы», Электричество №3, 1975.

47. Петров И.И., Мейстель A.M. Специальные режимы работы асинхронного электропривода. М: Энергия, 1968.

48. Петров Л.П. Моделирование асинхронных электроприводов с тиристор-ным управлением. М.: Энергия, 1977.

49. Пиотровский Л.М. Электрические машины. М., Госэнергоиздат, 1950.

50. Сандлер А.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. — М.: Энергия, 1974.

51. Свиридов B.C., Паненко И.А. Повышение нефтеотдачи пластов месторождений на поздней стадии разработки: "Нефтяное хозяйство" №4, 1993.

52. Сили С. Электромеханическое преобразование энергии. М., 1968.

53. Скворцов Ю. Бурение бурению рознь. «Нефтегазовая Вертикаль» №9, 2000.

54. Соловьёв В.А «Влияние устройства продольной емкостной составляющей на работу асинхронного двигателя в режиме возвратно-вращательного движения.» Межвузовский сборник «Проблемы машиноведения и машиностроения» №29, СПб. 2003.

55. Соловьёв В.А. «Особенности электропривода динамически уравновешенного бурового снаряда на грузонесущем кабеле». Сборник научных трудов ЮРГТУ г. Новочеркасск. №12, 2001.

56. Солтыш В. М., Меерсон Е.Г., Бубнов Е.С. Руководство по алмазному бурению геологоразведочных скважин. М., Госгеолтехиздат, 1963.

57. Столяров И. М. Автоматизированный электропривод станков шарошечного бурения. JL, ЛГИ, 1979.

58. Строганов В. Состояние и развитие работ в области крепления приза-бойной зоны пескопроявляющих скважин. «Освоение и добыча трудноизвле-каемых и высоковязких нефтей». Сборник докладов 2-й Международной конференции, "Советская кубань", 2000.

59. Счастливый Г.Г., Семак В.Г., Федоренко Г.М. Погружные асинхронные электродвигатели. М.: Энергоатомиздат, 1983.

60. Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др Технология и техника разведочного бурения, и др. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., Недра, 1983.

61. Теодорчик К.Ф. Автоколебательные системы. -М. Л.:ГИТТЛ, 1952.

62. Тетельбаум И.М., Электрическое моделирование. Физматгиз, 1959.

63. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. / Пер. с англ. Л.Г. Корнейчука; Под. ред. Э.И. Григолюка. М: Машиностроение, 1985.

64. Фоменко Ф.Н. «Бурение скважин электробуром». М.: Недра, 1974.

65. Хайруллин X. и др. Вибрационный электродвигатель со спиральным вторичным элементом. Электротехника, № 9, 1994.

66. ЧиликинМ.Г. Основы автоматизированного электропривода. М.: Энергия. 1974.

67. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. «Теория автоматизированного электропривода». М.: Энергия, 1979.

68. Чувашев В.А., Железняков А.В. Математическая модель взрывозащи-щенного асинхронного погружного электродвигателя для привода центробежных бесштанговых насосов. «Электротехника» №10/2.

69. Шкурко О.А. Бесконтактный электропривод возвратно-вращательного движения для бурового снаряда. // Сборник трудов молодых ученых СПбГГИ. СПб, 1998.

70. Шкурко О.А. Динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле. // Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1996.

71. Шкурко О.А. Математическая модель процесса бурения скважин. // Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1997.

72. Шкурко О.А., Козярук А.Е. Автономный буровой снаряд на грузонесущем кабеле с поворотноугловым движением породоразрушающего инструмента. // Молодежная научная конференция в рамках 26й недели науки СПбГТУ. Материалы докладов, ч. 2. СПб, 1998.