Способ определения крутящего момента на роторе буровой установки

(71) Научно-исследовательский и проеконструкторский институт автомативанных систем управления транспогаза(56) 1. Заявка ЯпонииМ 62-9242, кл. 6 01 1 5/00, 1987,2. Авторское свидетельство СССРМ 876971, кл. Е 21 В 44/00, 1980.3. Авторское свидетельство СССРМ 1377630, кл. 0 01 Е 3/10, 1986. Я КРУТЯЩЕГО РОВОЙ УСТАтноо- ом И Изобретение относ тельной технике и може для измерения крувтящ торе буровой установки скважин,Известен способ оп го момента, согласно к измерение момента на короткозамкнутого элек его вычисления по знач тока и параметрам элек тся к силоизмбыть использого момента наефтяных и газ оых ределения крутящеоторому производят валу асинхронного тродвигателя путем ению напряжения и тродвигателя 11. Недостатком данного способа является то, что для вычисления момента на валу электродвигателя необходимо знать значение активных и реактивных сопротивлений статора и реакгивных сопротивлений статора и ротора, которые различны даже для одной марки каждого электродвигателя. Кроме того, эти параметры изменяются в процессе работы электродвигателя в зависимости от температуры, Все это приводит к невысокой точности измерения,ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИМОМЕНТА НА РОТОРЕ БУНОВКИ(57) Сущность изобретения: определяют потери холостого хода электропривода установки в виде активной Рхх и реактивной Охх мощностей, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную Ра и реактивную 0 мощности и коэффициент а несимметрии питающей цепи, при этом величину М крутящего момента определяют из выражения М = а(Рхх Ра + 0 хху 0) (Р,-Рхх) / Рхх(Ра+О) + 0 хх(0-Ра (1- а), где а - коэффициент, постоянный для данного типа электропривода, 3 ил. Известен способ измерения моментапогружного электродвигателя, в котором измерение момента производят по величинемеханической скорости проходки 2,Недостатком данного способа являетсянизкая точность, обусловленная необходимостью вводить коэффициенты, учитывающие потери в токопроводе и двигателе, Овеличина которых изменяется, соответст- Свенно от длины токопровода и температуры ( )работающего двигателя. Кроме того, при моментах, близких к максимальному, для любого типа электродвигателя линейнаязависимость между активной мощностью,оборотами и моментом нарушается из-заперераспределения активных и реактивныхмощностей в электродвигателе, что приводит к дополнительной погрешности измерения момента.Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является техническоерешение на способ определения крутящегомомента на роторе буровой установки. Соние крутящего момент а на роторе буровой установки по напряжениям и током, действующим в роторной цепи приводного асинхронного электродвигателя с фазным ротором с учетом передаточного отношения коробки передач 3.Недостаткам этого способ являются невозможность его использования для измерения момента асинхронных короткоэамкнутых двигателей, используемых, например, в электробурах установок нефтяных и газовых скважин, а также низкая точность измерения, обусловленная тем, что при моментах, близких к максимальному, линейная зависимость между активной мощностью, оборотами и моментом нарушается из-за перерасчпределения активных и реактивных мощностей в электродвигателе, что приводит к дополнительной погрешности измерения момента.Целью изобретения является повышение точности,Цель достигается тем, что по способу определения крутящего момента на роторе буровой установки определяют потери холостого хода электропривода установки, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную мощность Р потрубляемую электроприводом, и коэффициент а не- симметрии питающей сети, дополнительно на рабочем режиме измеряют реактивную мощность О, потребляемую электроприводом, а потери холостого хода находят путем измерения в режиме холостого хода активной Рхх и реактивной Охх мощности, при этом величину М крувтящего момента определяют иэ выражения- - а), где а - коэффициент, постоянный для данного типа электропривода.Существенным отличием предлагаемого способа является то, что для определения крутящего момента на роторе буровой установки исключается необходимость измерения активных и реактивных сопротивлени й электропривода, а также потерь в токопроводе, что в значительной степени уменьшает погрешность и повышает точность измерения.Экономический эффект от использования предлагаемого способа составляет порядка 60 тыс. руб. в год за счет упрощения изготовления и эксплуатации увстройства, реализующего предлагаемый способ, а также за счет повышения точности измерения,На фиг, 1 приведан функциональная схема устройства, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 приведен труугольник мощностей; на фиг, 3 приведан Г-образнаядр., Киев; Вища ш Рпоан = 7 Я где Рлолн - полная мощность р - угол сдвига фаз меж 5 пряжением на зажимах ус этомтоком и найства, при схема замещения асинхронного электродвигателя и токопровода.Устройство содержит датчик 1 нап ряжения, датчики 2 и 3 тока, включенные в цепь 5 электрической машины 4, измерители 5 и 6прямой и обратной симметричнных напряжения сети, измерители 7 и 8 активной и реактивной мощностей, формирователь 9, устройство 10 ввода, пульт 11 управления, 10 микроконтроллер 12 и индикатор 13.Устройство работает следующим образом.При включении электродвигателя в сетьсигналы с датчика 1 напряжения поступают 15 на измерители прямой 5 и обратной 6 симметричных составляющих напряжения, формирователь 9, измерители активной 7 и реактивной 8 мощностей, на которые поступают также сигналы с датчиков 2 и 3 тока, 20 Двигатель начинает работать на холостомходу, На первом выходе формирователя 9 появляется сигнал высокого уровня, свидетельствующий о включении электродвигателя и работе его на холостом ходу, При этом 25 значение активной и реактивной мощностей холостого хода заносятся в память микроконтроллера 12, после чего микроконтроллер воздействует через устройство 10 ввода на формирователь 9, сни мает на его первом выходе напряжениевысокого уровня, На втором выходе формирователя 9 поддерживается сигнал высокого уровня, свидельствующий о том, что на электродвигатель подано напряжение. Да лее микроконтроллер 12 через устройство10 ввода опрашивает измерители 5 и 6 прямой и обратной симметричных составляющих, измерители 7 и 8 активной и реактивной мощностей и формирователь 9 40 и по соответствующей программе управления производит вычисления значения момента согласно выражениям, приведенным ниже.Известно, что полная, активная и реак тивная мощности связаны между собой тренугольником мощностей, приведанным на фиг, 2 (см. например, общая электротехника с основами электроники. В, А, Гаврилюк икола, 1989, с. 92, 93).010 15 20 25 а где Оххода; ность холостого тд и= Я - . Х Ви сдвиг фаавен ммар шинь Р 1 9 Р 2 (10)тд тЛ 1 тд Р 2Из рассмотрения Г-образной схемы замещения асинхронного электродвигателя и токоподвода, приведенной на фиг, 3, находим, что полное сопротивление электродвигателя равно(Во+ Хо)(В 1+ - + (Х 1+Х 3)В 2Е"(Вт +1 Хт) + -Во + В 1 + - +1 ( Хо + Х 1 + Х 2 )Вгде В Х, - активное и реактивное сопротивления токопровода;Во,Хо - активное и реактивное сопротивления намагничивающей ветви;В 1,Х 1 - активное и реактивное сопротивления статора электродвигателя;В 2, Х 2 - приведенные к статору актив 1 1ные и реактивные сопротивления ротора электродвигателя;Я - скольжение;1 - мнимая единица 0 = 7 - т ).На холостом ходу скольжения мало, поэтому, устремив Я к нулю, нетрудно найтиЕхх = Во+ Вт+ 1(Хо+ Хт), (4) где Ухх - К полное сопротивление токопровода и электрической машины на холостом ходу;Очевидно, чтоХо +Хттд р - , +, (5)где тр 1 - угол сдвига фаз между током и напряжением на холостом ходу,Следовательно, пользуясь выражением (2), можно записатьтур 1 - , (6)х - реактивная мощ вная мощность холосто да,При увеличении момента на валу электродвигателя угол сдвига фаз между током и напряжением начинает уменьшаться за счет увеличения угла сдвига фаз роторной цепи р 2, Из литературы известно (см. например, Клюев В. И. Теория электропривода, М.; Энергоиздат, 1985, с, 156), что Созф 2 В/Я(7)2 Таким образом, снагруженной электром ф= ф 1 ф 2 С учетом того, что а также выражений (2), (5), (6), (8), после соответствующих математических преобразований, получаем величину, скольжения как функцию активной и реактивной мощностей Охх ОаРхх 0 (11) Ра Рхх + 0 Охх Выражение для определения момента асинхронного электродвигателя имеет следующий вид где гпту - фазность питающего электродви гатель напряжения; р - число полюсов электродвигателя; 11 - частота питающей сети; а - коэффициент несимметрии питающей электродвигатель сети;Ьбр ГДЕ Ообо - НаПРЯжЕНИЕ ОбРатНОй СИММЕтРИЧ- но составляющей;Олр - напряжение прямой симметричной составляющей,Таким образом, с учетом выражений (11) и (12) после соответствующих материматических преобразований выражение для определения момента на валув асинхронного электродвигателя примет следующий вид М=-а РххРа+Охх О)Ра Рхх)(1 - а)Рхх Ра+О +Охх( О - Ра рт 1- коэффициент, постоянный для данного типа электропривода.Преимущество данного способа состоит и в том, что его реализация. с помощью описанного выше устройства может быть осуществлена на отечественных серийно выпускаемых изделиях высокого класса точности. Например, в качестве измерителей активной и реактивной мощностей могут быть использованы измерительные преобразователи соответственно типа Е 748 и Е 849 или им подобные, выпускаемые Витебским ПО "Электроизмеритель". класса точочности 0,250, Б качестве микроконтроллера возможно применение программируемого микроконтроллера "Электроника МС 2702" или аналогичная, а в качестве индикатора - показывающие приборы комплекса нСкуб-М". Устройством ввода может служить аналого-цифровой преобразователь К 572 ПВ 4, представляющий собой восьмиканальную систему сбора данных. Измерители прямой и обратной симметричных составляющих могут быть легко выполнены по схемам, приведенными, например, авт. св, М.817503, кл, 6 01 М 15 с 00.Формула изобретения Способ определения крутящего момента на роторе бувровой установки. заключающийся в том, что определяют потери холостого хода электропривода установки, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную мощность Р. потребляемувю электроприводом, и коэффициент несимметрии питающей сети, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно на рабочем режиме измеряют реактивную мощность О, потребляемую электроприводом, а потери холостого хода находят путемизмерения в режиме холостого хода активной Рхх и реактивной Ох мощности, при этом величину У крутящего моментаределяют из выражения 5( Р Р,О а Р, - р Ма. 1 - а).о.+о +оа-р. где а - коэффициент постоянный для данного типа электропривода. 101760398Составитель В.Загоруйко Редактор Техред М.Моргентал Корректор И. Шу каз 3181 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1