DE1929415A1 - Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung an einem Elektrotiefbohrermotor - Google Patents

Description

P ii t ei niti γϊ w a ί I e

ZELLENTiN u. LUYKEN

8000 München 22
Zvvöibrückonsfr, 6

Specialnoje konstruktorskoje bjuro po 10. Juni 1969 .elektrobureniju,

Moskau / UdSSH P 24 477

EINRICHTUNG ZUR STABILISIERUNG DER SPANlWNG AW EINEId ELEKTROTIEFBOHRERLIOTOR

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Stabilisierung der Spannung an einem Elektrotiefbohrermotor, der im Bohrloch in einer beträchtlichen Entfernung von der Speisequelle arbeitet.

Bekannt;lieh wird die bpannung an aen MocorKiemmen wegen der wechselnden Belastung des Motors oft verändert. Um ein häufiges Aussetzen des Motors bei Senkung der Spannung an seinen Klemmen zu verhüten, ist es erforderlich die Belastung des Elektrotiefbohrers zu vermindern, was wiederum die Bohrwirksamkeit herabsetzt·

Zur Verminderung des Spannungsänderungseinflusses wird eine Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung an den Klemmen des Elektrotiefbohrermotors benutzt. Eine solche

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Einrichtung enthält eine an der Erdoberfläche angeordnete Spannungsregeleinheit mit Sättigungsdrosseln, welche "an ö Stromzuleitungen zwischen der Spannun^squelle und dem kotor angeordnet werden. Diese Einheit wird durch Rückkopplung gesteuert, die einen Strom- und Spannungsgeber in den Zuleitungen und eine Einheit zum Vergleichen des_; der zu stabilisierenden Spannung entsprechenden Bezugssignals mit der Ausgangsspannung des Gebers umfaßt. Der Geber enthält zwei Stromtransformatoren, welche mit einer der ütromzuleitungen verbunden sind, und einen bpannungstransformator, welcher mit zwei büromzuleitungen verbunden ist.

Die Ausgangssignale jedes Transformators werden in Gleichstromsignale umgeformt, die algebraisch summiert und mit dem Bezugssignal in der Vergleichseinheit, welche die Regeleinheit steuert, verglichen werden·

Je nach dem Ausgangssignal der Vergleichseinheit wird der Spannungsabfall an den Drosseln verändert und somit die Spannung an den Lotorklemmen geregelt·

Da beim Arbeiten des Elektrotiefbohrers stets eine Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung vorliegt, die sich mit der Belastung ändert, so entspricht das Ausgangssignal der Vergleichseinheit _r das durch Vergleich der algebraischen Summe der Transformatorenausgangssignale und des Bezugssignale gewonnen wird, nicht dem wahren Wert der Spannung an den Motorklemmen· Infolgedessen sichert die beschriebene Ein-

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richtung nicht d6£ erforderliche Spannungsstabilisiergenauigkeit.

Die Spannungsstabilisierungsgenauigkeit kann durch Einführung eines speziellen nichtlinearen Elementes, welches derart ausgeführt ist, daß es die Strom- und Spannungsphasendifferenz berücksichtigt, erhöht werden.

Jedoch ist die praktische Ausführung eines solchen Elementes an und für sich kompliziert. Darüber hinaus macht seine Benutzung deo^Aufbau der gesamten Einrichtung kompliziert und verursacht große Schwierigkeiten beim Betrieb mit Motoren, die unterschiedliche elektrische Parameter aufweisen·

Zweck der Erfindung ist es, die Funktionsgenauigkeit der Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung an den Klemmen eines Tiefbohrermotors zu erhöhen, die beim Einsatz verschiedener Motoren unabhängig von ihren elektrischen Daten benutzt werden kann.

TJm dieses Ziel zu erreichen, ist die Aufgabe gestellt, Sie Strom- und Spannungstransf ormatoren des Spannungsgebers derart in den Stromkreis der Stromzuleitung zu legen, daß das Ausgangssignal des Gebers proportional der geometrischen Summe der Spannungen zwischen den Stromzuleitungen und der Spannungsabfälle an diesen Leitungen ist»

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung an den Klemmen eines Tiefbohrermotors, die eine an die Stromzuleitungen zwischen der Speisequelle und dem Motor angeschlossene Spannungsregelein-

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heit enthält, die durch 6ine Rückkopplung gesteuert wird, deren Ausgang durch eine Einheit zum Vergleichen der der zu stabilisierenden Spannung proportionalen Bezugsspannung mit der Ausgangsspannung des wenigstens zwei Stromtransformatoren und einen Spannungstransformator enthaltenden Stabili

se vifirc

sierspannungsgeber bildet/^ gemäß der Erfindung die Primärwicklungen der Stromtransformatoren mit zwei verschiedenen Stromzuleitungen verbunden sind, an welche auch die Primärwicklungen des Spannungstansformatore gelegt sind, während mit der Vergleichseinheit die Sekundärwicklungen des Spannungstransformators und die mit diesen in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren verbunden sind, wobei die letzteren durch Widerstände überbrückt sind, deren Widerstandswert der Impedanz der Stromzuleitungen proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor ist gleich dem Produkt aus den Transf ormationsverhältnisse/j/der Strom- und Spannungstransformatoren zu wählen·

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtimg besteht darin, daß in ihrem Geber an den die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren überbrückenden Widerständen Spannungen ausgeschieden werden, die praktisch mit der Phase der Spannungsabfälle an den Stromzuleitungen zusammenfallen· Da der Spannungstransformator einen praktisch unbedeuteamen Phasenfehler hat, während die Reihenschaltung der durch Widerstände überbrückten Sekundärwicklungen des Spannungstransformators

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und der Stromtransformatoren die Gewinnung einer geometrischen Spannungsumme sichert, so ist die Spannung des Rückkopplungsgebers genau der Spannung an den Klemmen des Motors proportional. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit der Spannungsstabilität erreicht·

Im Folgenden soll nun die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig.1 - das Prinzipsehaltbild der Stabilisierungseinrichtung gemäß der Erfindungι

Fig·2 - das Spannungsvektordiagramm, das die Wirkung des Spannungsgebers erläutert.

Der Tauchmotor 1 (Fig,1) des Tiefbohrers (nicht gezeigt) ist über die Stromzuleitungen 2, 3, 4 und über die Spannungsrege!einheit 5 an die Stromquelle angesohlossen. Als Stromzuleitung 2 kann die Bohrrohrkolonne benutzt werden. Die Spannungsregeleinrichtung 5 ist auf Grund der Kraftdrosseln 6 mit den Dioden 7 der positiven inneren Rückkopplung ausgeführt. Diese Drosseln kompensieren die Änderung der Spannung, am Motor 1 während dessen Betriebes im Bohrloch, die sowohl durch Änderung des Stromes bzw der Spannung der Speisequelle, als auch durch Änderung der Belastung am Motor 1 hervorgerufen wird.

Die Steuerung der Einheit 5 geschieht durch die Rückkopplung, die den Spanmuigsget>«r 8 und die Vergleichsein-

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hext 9, welche die der Sollspannung am Motor proportionale Bezugsspannung mit der der Istspannung an den Klemmen des Jv.otors 1 proportionalen Ausgangsspannung des Gebers 8 vergleicht. Die Einheit 9 ist mit Halbleiterelementen ausgeführt und wirkt auch als Verstärker·

Der Geber b enthält zwei Stromtransformatoren 10 und 11 und einen Spannungstransformator 12. Die Primärwicklung 13 des Transformators 10 ist an die Leitung 4 und die Primar-

" wicklung des Transformators 11 - an die Leitung 3 angeschlos-. sen. Die Primärwicklung 15 des Spannungstransformators 12 ist mit den Leitungen 3 und 4 verbunden. Die Sekundärwicklungen 16, 17 und 18 der erwähnten Transformatoren sind unter Berücksichtigung der Polarität untereinander in Reihe geschaltet. Hierbei sind die Sekundärwicklungen 16 und 17 der Stromtransformatoren durch die Widerstände 19 und 20 überbrückt ·

Der Widerstandswert der Widerstände 19 und 20 wird in Abhängigkeit von der Impedanz der entsprechenden Stromzuleitung gewählt, um am Ausgang des Gebers eine der Spannung an den Tiefbohrermotorklemmen proportionale und phasengleiche Spannung zu sichern·

Die Spannung ü.- am Widerstand 19 wird.nach der Formel

^Ü19

berechnet· Hierin bedeuten:

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X₁O - den Strom über den Widerstand R₁Q; i^ - den Strom über die Leitung 4ι

K₁₀ - das Transformationsverhältnis des Stromtransformators 10.

Die Spannung ü_1fa an der Sekundärwicklung 16 des Transformators 12 wird nach der Formel

^K12
errechnet. Hierin bedeuten:

die Spannung zwischen den Stromzuleitungen 3 und 4;

^p Transformationsverhältnis des Stromtransformators 12.

Zur Sicherung der oben angegebenen Bedingungen, welche die geometrische Summierung der Spannung zwischen den Stromzuleitungen und den Spannungsabfall an diesen ermöglichen, ist es erforderlich, daß

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^Ü19 ^U19

ist· Hierin bedeuten

- den Spannungsabfall an der Leitung 4;

- die Impedanz der Leitung 4.

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Durch Vergleich von (1) und (2) ergibt sich

1O

^R19

Auf gleiche Weise wird der Widerstand R₁Q bestimmt ι

^R2O = K₁₂

W worin K₁₁- das Transfonnationsverhältnis der Stromtransformators 11 ist.

Somit soll der Widerstandswert der Uberbrückungswiderstände gleich dem Produkt aus der Impedanz der entsprechenden Stromzuleitung und der Beziehung der Transformationsverhältnisse der entsprechenden Strom- und Spannungstransformatoren gewählt werden·

Da die erfindungsgemäße Einrichtung mi t verschiedenen Stromzuleitungen, die natürlich eine verschiedene Impedanz ) aufweisen, benutzt werden kann, werden die Widerstände 19 und 20 mit regelbarem Widerstandswert ausgeführt·

Die in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen der Transformatoren sind an die Gleichrichterbrücke 21 gelegt, die am Ausgang ein aus zwei Kondensatoren 22, 23 und einer Drosselspule 24 bestehendes Filter für die Gleichstromkompoj£enti0G hat. Der Ausgang der Gleichrichterbrücke 21 ist über einen Widerstand 25 mit der auf Grund eines Transistors 26 aufge-. bauten Vergleichseinheit 9 verbunden, wobei der positive

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Brückenpol mit der Basis und der negative Brückenpol mit dem Emitter verbunden ist·

Die Quelle der der Sollspannung am Elektromotor 1 proportionalen Bezugsspannung ist an die Vergleichseinheit über ein Einstellpotentiometer 27 und einen Widerstand 28 gelegt. Hierbei ist der positive Pol der Bezugsspannungsquelle mit dem Emitter und der negative Pol· mit der Basis von Transistor 26 verbunden.

Die Anschlußpolarität der Gleichrichterbrücke und der Bezugsspannungsquelle kann umgekehrt werden, jedoch muß in jedem Falle der Emitter und die Basis an ungleichnamigen Polen der Brücke und der Bezugsspannungsquelle liegen.

Der Ausgang der Vergleichseinheit ist mit Steuerwicklungen 29 über Widerstände 30 der Kraftdrossel 6 verbunden.

Es sei nun die Wirkungsweise der Einrichtung betrachtet,

Nehmen wir an, da/3 die Spannung U^ an den Klemmen des Tiefbohrermotors 1 der zu stabilisierenden Spannung gleich ist, Diese Spannung ist die geometrische Summe der Spannungen zwischen Leitungen 3 und 4 in der Nähe des Ausganges der Einheit 5 und der Phasenspannungsabfällen U-, und U^ in den Leitungen 3 und 4» In Fig· 4 entsprechen diesen Span-

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nungen die Vektoren U^, ^3^4» ^u-a und U^,

Lm Geber 8 mit den Widerständen 19 und 20, deren Widerstandswerte entsprechend den obenangeführten Formeln gewählt

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sind, werden die den Phasenspannungsabfällen U^ und U^ in den Stromzuleitungen entsprechenden Spannungen ausgesondert. Hierbei fällt die Spannung am Widerstand 19 nach der Phase mit der Spannung U^ zusammen, während die Spannung am Widerstand 20 in Gegenphase zu der Spannung U^ liegt (ohne Berücksichtigung der Stromtransformatorfehler). Die Spannung U₁₀ am Ausgang des Transformators 12 ist proportional der Spannung zwischen den Leitungen 3 und 4 und fällt mit dieser nach der Phase zusammen (ohne Berücksichtigung des Transformatorfehlers)· Am Eingang der Gleichrichterbrücke 21 stellt die Spannung U₂₁ eine geometrische Summe der Spannungen U_1Q, U₂Q und U₁" dar· In Fig. 2 entsprechen diesen Spannungen die

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Vektoren U₁Q, U₂Q, U₁₈ und U₂₁.

Aus dem Gesagten geht hervor, daß die Vektoren U^

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und U„q, U_Q und U_on, U₀ .. und U₁₀ paarweise kollinear sind, während ihre Skalargroßen proportional sind, so daß auch

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die Vektoren U₁ und U^₁ kollinear und ihre Skalargroßen proportional sind· Die Spannung am Ausgang der Gleichrichter-" brücke 21 ist also der Spannung an den Klemmen.des Tiefbohrermotors 1 proportional· Dieser Spannung entspricht eine gewisse Bezugsspannung U . -

Während des Betriebes kann die Änderung der Spannung an den Kotorklemmen durch folgende zusammen bzw· einzeln wirkende Ursachen bedingt sein, nämlich durch Ändexo&g d«r fcotorbelastung und durch Änderung der Speisespannung· Diesen

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■Änderungen entsprechen Änderungen der Spannungen U-, U und Uo λ und proportionale Änderungen der Spannungen U^g, U

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und U^y. Da gezeigt wurde, daß die Vektoren U^ und U kollinear und ihre Skalarwerte proportional sind, so kann man behaupten, daß bei einer Änderung der erwähnten Spannungen sich die Spannung am Eingang der Brücke 21 ähnlich wie die Spannung an den Klemmen des Tiefbohrermotors ändern wird. Die Spannung U₂.. gelangt vom Eingang der Gleichrichterbrücke 21 über den Widerstand 25 auf den Eingang der Vergleichseinheit 9, welcher gleichzeitig über den Widerstand 26 die der zu stabilisierenden Spannung U^ proportionale Bezugsspannung U_Q zugeführt wird· Je nach der Differenz zwischen den Spannungen U und U₂,- erzeugt die Einheit 9 ein Signal, demgemäß sich der Strom in den Steuerwicklungen 29 ändert, was zur Änderung des Spannungsäbfalles an den Drosseln 6 führt.

Infolge der Änderung des Spannungsabfalls an den Drosseln 6 beginnen die Spannungen U~, U^, U« ^, U^₈, U^q, U₂₀ und folglich die Spannungen U,. und U₂₁ an den Motorklemmen und am Gleichrichter sich zu änderaf sobald die Spannung U₂,. der Bezugsspannung U_Q gleich wird, erzeugt die Einheit 9 kein Signal zur Änderung des die Drosseln 29 durchfließenden Stromes. Das heißt also, daß die Spannung U,, an den Motorklemmen üen einzuhaltenden Sollwert erreicht hat*

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Die Anwendung der JBrfindung gestattet es» die Genauigkeit der Spannungsstabilisierung beträchtlich zu erhöhten und den Aufbau der Einrichtung zu vereinfachen»

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Claims (1)

1. Vi. Juni ₁₉69

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   βΟΟΟ München 22 - 13 "" P 14 477

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   PATBNf ANSPRÜCHE!

   M,) Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung an einem laufenden Tiefbohrermotor, die eine an die Stromzuleitungen zwischen der Speisequelle und dem kotor angeschlossene Spannungsregeleinheit enthält und durch ein Rückkopplungssystem gesteuert wird, dessen Ausgang durch eine Einheit zum Vergleichen der der zu stabilisierenden Spannung proportionalen Bezugsspannung mit der Ausgangsspannung des aus wenigstens zwei Stromtransformatoren und einem Spannungstransformator bestehenden Spannungsgebers gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen (13, 14) der Stromtransformatoren (10, 11) in zwei verschiedenen Stromzuleitungen (3i 4) liegen , an welche auch die Primärwicklung (15) des Spannungstransformators angeschlossen ist , während mit der Vergleichseinheit die Sekundärwicklung (18) des Spannungstransformators (12) und die mit dieser in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen (16, 17) der Stromtransformatoren (10, 11) verbunden sind, wobei die Sekundärwicklungen (16, 17) durch die Widerstände (19, 20) überbrückt sind, deren Widerstandewert jeweils der Impedanz der entsprechenden Stromzuleitung proportional ist.

   2· Einrichtung nach Anspruch 1 „dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert jedes Über-

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   brückungswiderstandes dem Produkt aus der Impedanz der entsprechenden Stromzuleitung und der Beziehung der Transf ormatiasverhältnisse der Strom- und Spannungstansformatoren gleich ist_n

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