Система автоматического управления скоростью спуска и подъема колонны бурильных труб

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 9) Л 1) 14 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промьппленности, сельском хозяйстве и на транспорте (72) Б.И. Моцохейн, Б,М, Парфенов и А.Д. Чурсин(56) Унифицированные системы тиристорного электропривода постоянного тока наземных буровых установок. М.: Информэлектро , 1985, с. 9-14.Колодезев С.В., Парфенов Б.М. Система автоматического ограничения мощности электропривода буровой лебедки, РНТС "Электротехническая промышленность", еер. Электропривод, Ф 10, 1982, с. 18-20.(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЫО СПУСКА И ПОДЪЕМА КОЛОННЫ БУРИЛЪНЫХ ТРУБ(57) Изобретение относится к электро- приводу (ЭП) спуско-подъемного агрегата и позволяет достичь высокой точности управления скоростью перемещения колонны бурильных труб за счет регулирования частоты вращения ЭП. Устройство снабжено последовательно соединенными элементом вычитания и элементом деления, которые .включены между узлом выбора масштаба и нелинейным элементом, Выход источника напряжения смещения подключен к вторым входам элемента вычитания и элемента деления. Сигнал с выхода задатчика 9 частоты вращения через Фазочувствительный выпрямитель 10 поступает на первый вход узла ограничения (УО) 11. Выходной сигнал УО 11 ограничен сигналом, определяющим необходимую частоту вращения ЭП в функции момента нагрузки и поступающим на его второй вход с выхода блока Формирования оптимальной скорости (БФОС) 6 спуско-подъемного агрегата, Сигнал с выхода УО 11 через задатчик 12 интенсивности, определяющий допустимую величину ускорения в процессе разгона ЭП, поступает на узел 13 регулирования ЭП и является сигналом задания его частоты вращения. Входы узла выбора масштаба являются входами БФОС 6 и соединены соответственно с выходами задатчика 7 веса и задатчика 8 количества двигателей, а выход нелинейного элемента является выходом БФОС 6. Это обеспечивает управление частотой вращения ЭП в режиме установившегося движения по закону постоянства среднеквадратических потерь в якоре. 4 ил.Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для осуществления управления скоростью машинных операций по спуску и подъему инструмента при электрическом приводе спуско-подъемного аргегата (СПА), и может применяться на установках для эксплуатационного и глубокого разведочного бурения неф тяных и газовых скважин.Целью изобретения является повы-шение точности управления скоростью перемещения колонны бурильных труб за счет регулирования частоты вра щения электропривода при поддержании постоянного уровня среднеквадратических потерь в якоре, т.е. обеспечения управления, гарантирующего наивысшую производительность машин ных операций при заданных ограничениях ( установленная мощность электропривода, максимально допустимая линейная скорость перемещения).На фиг. 1 приведена взаимосвязь элементов, обеспечивающих формирование оптимальной скорости электропривода спуско-подъемного агрегата для осуществления оптимального управле.ния скоростью спуска и подъема колон ны бурильных труб (КБТ); на фиг. 2 - структурная схема системы; на фиг.3- принципиальная схема системы; на фиг. 4 - расчетные механические характеристики электропривода буровой установки БУ.Длительность рабочего цикла спуско-подъемных операций (СПО) - величина переменная в связи с тем, что изменяется продолжительность машинных 40 операций. Ллительность вспомогательных операций при достаточной квалификации обслуживающего персонала исуществующем уровне механиэациивеличина практически постоянная, 45 не зависящая от веса КБТ, Следовательно, в целом для электроприводаСПА продолжительность включениявеличина переменная, уменьшающаясяпо мере снижения веса КБТ и повышения скорости подъема, В данном случаерациональным законом регулированияявляется управление, оптимальное понагреву, при котором реализуется дифференцированный выбор коэффициентастатической перегрузки с целью поддержания постоянного уровня среднеквадратичных потерь в якоре электродвигателя,Уравнение оптимальной механической характеристики для регулирования по условию поддержания постоянного уровня среднеквадратических потерь в якоре, т.е. по условию постоянства циклового тока, имеет следующий вид:Мо 1;-1М- (1 + -); (1)т тЯ ) 1 ф1 маьс(2)где М и м, - текущие значения момента на валу электродвигателя и угловой скорости вращения;М и в - значения вышеуказанных0 опараметров в основнойрасчетной точке;Л - относительное приращение момента по сравнению с характеристикойпостоянства мощностипри максимально допустимой (для СПА) частотевращения электродвигателя.В системах электропривода буровых лебедок ы= 2 ы , следовательно м ксБлок формирования оптимальной скорости электропривода СПА обеспечивает управление частотой вращения электродвигателя в режиме установившегося движения по закону постоянства циклового тока (1).Поскольку для конкретной буровой установки, значения М, д,постоянны, соотношение (1) преобразуется к виду:АЩ ЮВ (3)М -Вгде ц, - заданное значение угловой1скорости вращения электродвигателя в установившемсярежиме движения электропривода, рад/с;М - статический момент на валуэлектродвигателя, Н м; А = М(1 - й)м, = сопз 1;В - й М = сопзй,М " статический момент на валуэлектродвигателя в основнойрасчетной точке.Соотношение (3) позволяет оперативно оценить необходимые с точки зрения рационального управления значения частоты вращения электродвигателя в процессе перемещения КБТ(4) 35 где Г лр Д Ы аеаеа ф 1 тс 1 пв Выбор масштабных коэффициентов ви да 40 макс ШЩ аа ееШЮ еГ макс м 4 РГде У макс 10 В - максимальное значение сигнала с датчика веса, пропорциональное максимальному (Г макс )усилию на крюке;ш - масштабный коэффимциент статическогомомента на валу эле тродвигателя, В/Н м;ш- масштабный коэффициент усилия накрюке, В/Н, позволяет определить значение статического момента на валу электродвига 55 теля в виде1М: - Г;п(5) для каждого цикла в функции момента нагрузки М , который зависит от текущего значения нагрузки на крюкеРациональное значение частоты вращения электродвигателя определяется на основании сигнала датчика веса КБТ и после провецения ряда преобразований согласно соотношению (3) блок формирует необходимое задающее воздействие на систему регулирования электроприводом СПА в.виде аналогового сигнала управления.Аналоговый сигнал, поступающий от задатчика веса, преобразуется в 15 значение, соответствующее статическому моменту на валу электродвигателя.Преобразования основаны на использовании соотношения 20Г кр Г кр 1М,Утс р 1 вгде Гкр - усилие на крюке, Н;Г- радиус приведения, м;,1 в - КПД талевой системы и валабуровой лебедки;и - количество работающих электродвигателей.Если принять КПД и радиус приведения постоянными для конкретной буровой установки, то справедливым является соотношение1М =ЛГ1 "Р иРгде Г, - текущее значение сигнала датчика веса, В;где ы,= ш ы, - расчетное значение рациональной угловой скорости вала электродвигателя,-а = т,ш,А = сопят, В; Ь = ш мВ = сопяср В Масштабный коэффициент по угловойскорости 4 масс(4Уд макСгде ы - максимальная угловая скорость вала электродвигателя, рад/с;, - максимальная величинааналогового сигнала, В.Поскопьку ш, равен коэффициенту обратнй связи по угловой скорости Ка задающее воздействие з на систему регулирования связано с угловой скоростью вала электродвигателя соотношением 3 с Ос то справедливо равенство з,с. К о,се Формирование оптимальной скорости электропривода по критерию постоянства средневадратических потерь в якоре осуществляется путем последовательного соединения узла 1 выбора масштаба, элемента 2 вычитания, элемента 3 деления и нелинейного элемента 4. Выходы источника 5 напряжения смещения подключены к входам элементов вычитания 2 и деления 3. М1= ш М, - значение статического момента с учетом масштабногокоэффициента, В.Из соотношения (5) следут, что величина статического момента на валу электродвигателя однозначно связана с сигналами датчика веса КБТ, однако при этом необходимо учитывать заданное количество работающих электродвигателей,С учетом масштабных коэффициентов ш и ш расчетное соотношение (3) преобразуется к видуа1Г;п50 5 14761 Входы узла 1 выбора масштаба (фиг.2) блока 6 формирования оптимальной скорости электропривода СПА по критерию постоянства среднеквадратических по терь в якоре связаны с выходами датчика 7 веса и задатчика 8 копичества двигателей, Зацатчик 9 частоты вращения, фазочувствительный выпрямитель 10, узел 11 ограничения, задат О чик 12 интенсивности и узел 13 регулирования электропривода соединены последовательно, причем выход нелинейного элемента 4 подключен к второму входу узла 11 ограничения. 15Узел 1 выбора масштаба (фиг. 3) содержит операционный усилитель 14 с резисторами 15, 16 и 17 и реле 18 выбора количества двигателей. На вход усилителя 14 подается сигнал, 20 Б с датчика 7 веса. На второй вход узла 1 подается дискретный логический сигнал с задатчика 8 количества двигателей. В обратную связь операционного усилителя 14 включены параллель но два резистора 15 и 16 и контакт Р 1 реле 18 выбора количества двигателей.Элемент 2 вычитания содержит резисторы 19 и 20 на входе операцион- ЗО ного усилителя 21 и резистор 22 в цепи обратной связи. Входными сигналами элемента 2 вычитания являются аналоговый сигнал цс выхода, узла 1 выбора масштаба и сигнал Нс,с первого выхода источника 5 напряжения смещения, причем сигналы Би Б , имеют различную полярность.Входными сигналами элемента 3 деления являются сигнал с выхода эле- ц мента 2 вычитания Пи сигнал с второго выхода источника 5 напряжения смещения БВыходной сигнал элемента 3 деления Б подключен к входу нелинейного элемента 4, содержащего стабилитрон 23 и резистор 24 в цепи обратной свя" зи операционного усилителя 25, а на его входе резистор 26.Сигнал И,рс выхода нелинейного элемента 4 подается на вход узла 11 ограничения.Операция по подъему колонны бурильных труб осуществляется по сигналу от задатчика 9 частоты вращения (сельсинный командоаппарат), расположенного на пульте бурильщика, При работе бурильщик устанавливает ручку сельсина в положение, соотве тствующее максимальному задающемусигналу частоты вращения электродвигателя, В результате с выхода задатчика 9 частоты вращения на вход фазочувствительного выпрямителя 10 подается максимальное значение сигналаО . Величина выходного сигналафазочувствительного выпрямителя 10также устанавливается на максимальном уровне 10 В.Поскольку выход фазочувствительного выпрямителя 1 О связан с первымвходом узла 11 ограничения, то и наэтом входе устанавливается сигналмаксимальной величины. Выходной жесигнал П , узла 11 ограничения послеокончания разгона электропривода,ограничивается на уровне, равномсигналу Б , который определяет необходимую с точки зрения рационального управления, частоту вращенияэлектродвигателя в функции моментанагрузки МВ процессе разгона электропривода допустимая величина ускорения задается задатчиком 12 интенсивности.Таким образом, частота вращенияэлектродвигателя в режиме установившегося движения является функциеймомента нагрузки, так как выходнойсигнал узла ограничения ЦравенВ свою очередь, У, равен сигналу Б а сигнал У, является сигналом задания частоты вращения электродвигателя и подается непосредственно на узел 13 регулирования электропривода,Зависимость величины сигнала Пот статического момента на валу электродвигателя в блоке 6 формированияоптимальной скорости электроприводаСПА воспроизводится следующим образомУзел 1 выбора масштаба осуществляет корректировку сигнала датчика 7веса в зависимости от заданного количества работающих электродвигателей. На его первый вход с датчика 7веса подается аналоговый сигнал,пропорциональный усилию на крюке.Диапазон изменения аналогового сигнала 0-10 ВНа второй вход узла 1выбора масштаба подается дискретныйлогический сигнал с задатчика 8 количества двигателей.При работе одним электродвигателем уровень сигнала с задатчика 8соответствует логическому нулю (О147 б 114 0,5 В), а при работе двумя электродвигателями - логической единице (+12 В)Если сигнал с задатчика 8 равен +12 В, то включается реле 18 и своим контактом замыкает цепь обратной связи операционного усилителя 14. При этом в обратную связь включаются параллельно два резистора 15 и 16 и коэФФициент усиления операционного усилителя 14 становится равным 0,5Если сигнал с задатчика Я.равен логическому нулю, то реле 18 не включено, контакт реле в цепи обратной связи усилителя 14 не замкнут и его коэффициент усиления .определяется только резистором 15 и равен единице.Входными сигналами элемента 2 вычитания являются выходной сигнал Пад 20 узла 1, пропорциональный усилию на крюке Р, и выходной сигнал Б , источника 5 напряжения смещения. Величина напряжения смещения П, пропорциональна, с учетом масштабного .25 коэффициента шрасчетному значению В в формуле (3), поскольку входные сигналы элемента 2 вычитания разной полярности, то его выходной сигнал равен разности сигналов Би Пс30Сигнал на выходе элемента 2 вычитания соответствует с учетом масштабного коэффициента ш расчетному зна- чению 10 Система автоматического управления скоростью спуска и подъема кОлонны бурильных труб 1 содержащая задатчик частоты вращения, выход которого через Фазочувствительный.выпрямитель соединен с первым входом узла ограничения, выходы задатчика количества двигателей и датчика веса соединены с соответствующими входами узла выбора масштаба, выход узла ограничения через задатчик интенсивности соединен с входом узла регулирования скорости электропривода, источник напряжения смещения и нелинейный элемен г, о т - л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повьшения точности управления за счет регулирования частоты вращения электропривода при поддержании, постоянного уровня среднеквадратических потерь в якоре, система снабжена элементом вычитания и элементом деления, при этом выход узла выбора масштаба соединен с первым входом элемента вычитания, выход которого подключен к первому входу элемента 35 40 1М В.пВыходной сигнал элемента 2 вычитания и сигнал П с источника 5 напряжения смещения подается на два входа элемента 3 деления,Величина напряжения смещения Б с пропорциональна с учетом масштабного коэффициента ви шц расчетному значению А в формуле (3).Выходной сигнал Бэлемента 3 деления пропорционален расчетному значению М, В50Сигнал 0является входным сигналом нелинейного элемента 4, который выполнен на операционном усилителе 25, в Обратную связь которого включены резистор 24 и стабилитрон 23, Коэффициент усиления нелинейного элемента 4 равен единице. Стабилитрон 23 ограничивает .выходной сигнал Пор нелинейного элемента 4 на уровне 10 В при статическом моменте на валу электродвигателя, равном или меньшем 0,2 МН, что исключает выход сигнала Б за максимальный рабочийОрруровень изменений аналоговых сигналов устройства -10 В.Сигнал Н рподается на второй вход узла 11 ограничения. Таким образом, при изменении статического моментана валу электродвигателя изменяется величина сигнала П, и, в режиме установившегося движения Н,р= П -К о,сРеализация изобретения позволяет повысить частоту вращения электродвигателя и, следовательно, среднюю скорость движения исполнительного органа электропривода спуско-подъемного агрегата, что позволяет сократить общее время СПО на буровых установках.Из расчетных механических характеристик электропривода лебедки буровой установки БУ(фиг. 4) видно, что частота вращения электродвигателя при управлении по закону постоянства циклового тока (кривая б) больше, чем при управлении по закону постоянства мощности (кривая а), что указывает на целесообразность использования данного принципа в системе регулирования электропривода СПА. Формула изобретения147 б 114 деления, выходы источника напряжениясмещения соединены с вторыми входами соответственно, элемента вычитания и элемента деления, выход последСоставитель В. Шилов Редактор А. Лежнина Техред Л.Олийнык Корректор М., ВасильеТираж 515омитета по изобретенияосква, Ж, Раушская одписно ГКНТ ССС и открытиям праб., д. 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина,Заказ 2139/32 ВНИИПИ Государственног 113035него подключен к входу нелинейногоэлемента, а выход нелинейного элемента соединен с вторь 1 м входом узла ограничения,