SU1476114A1 - Система автоматического управлени скоростью спуска и подъема колонны бурильных труб - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроприводу /ЭП/ спускоподъемного агрегата и позвол ет достичь высокой точности управлени  скоростью перемещени  колонны бурильных труб за счет регулировани  частоты вращени  ЭП. Устройство снабжено последовательно соединенными элементом вычитани  и элементом делени , которые включены между узлом выбора масштаба и нелинейным элементом. Выход источника напр жени  смещени  подключен к вторым входам элемента вычитани  и элемента делени . Сигнал с выхода задатчика 9 частоты вращени  через фазочувствительный выпр митель 10 поступает на первый вход узла ограничени  /УО/ 11. Выходной сигнал УО 11 ограничен сигналом, определ ющим необходимую частоту вращени  ЭП в функции момента нагрузки и поступающим на его второй вход с выхода блока формировани  оптимальной скорости /БФОС/ 6 спуско-подъемного агрегата. Сигнал с выхода УО 11 через задатчик 12 интенсивности, определ ющий допустимую величину ускорени  в процессе разгона ЭП, поступает на узел 13 регулировани  ЭП и  вл етс  сигналом задани  его частоты вращени . Входы узла выбора масштаба  вл ютс  входами БФОС 6 и соединены соответственно с выходами задатчика 7 веса и задатчика 8 количества двигателей, а выход нелинейного элемента  вл етс  выходом БФОС 6. Это обеспечивает управление частотой вращени  ЭП в режиме установившегос  движени  по закону посто нства среднеквадратических потерь в  коре. 4 ил.

Description

Щ а

Изобретение относитс  к буровой технике, а именно к устройствам дл  осуществлени  управлени  скоростью машинных операций по спуску и подъему инструмента при электрическом приводе спуско-подъемного аоге- гата (СПА), и может примен тьс  на установках дл  эксплуатационного и глубокого разведочного бурени  неф- т ных и газовых скважин.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности управлени  скоростью перемещени  колонны бурильных труб за счет регулировани  частоты вра- щени  электропривода при поддержании посто нного уровн  среднеквадра- тических потерь в  коре, т.е. обеспечени  управлени , гарантирующего наивысшую производительность машин- ных операций при заданных ограничени х ( установленна  мощность электропривода , максимально допустима  линейна  скорость перемещени ).

На фиг. 1 приведена взаимосв зь элементов, обеспечивающих формирование- оптимальной скорости электропривода спуско-подъемного агрегата дл  осуществлени  оптимального управлени  скоростью спуска и подъема колон ны бурильных труб (КВТ); на фиг. 2 - структурна  схема системы; на фиг.З принципиальна  схема системы; на фиг. 4 - расчетные механические характеристики электропривода буровой установки БУ-15000. .

Длительность рабочего цикла спу- ско-подъемных операций (СПО) - величина переменна  в св зи с тем, что измен етс  продолжительность машинны операций. Длительность вспомогательных операций при достаточной квалификации обслуживающего персонала и существующем уровне механизации - величина практически посто нна , не завис ща  от веса КВТ. Следовательно , в целом дл  электропривода СПА продолжительность включени  - величина переменна , уменьшающа с  по мере снижени  веса КВТ и повышени  скорости подъема. В данном случа рациональным законом регулировани   вл етс  управление, оптимальное по нагреву, при котором реализуетс  дифференцированный выбор коэффициента статической перегрузки с целью поддержани  посто нного уровн  среднеквадратичных потерь в  коре электродвигател .

Уравнение оптимальной механической характеристики дл  регулировани  по условию поддержани  посто нного уровн  среднеквадратических потерь в  коре, т.е. по условию посто нства циклового тока, имеет следующий

вид:

ы i. 1

(О

Л ° w; /Ч

(2)

где М; и ш; - текущие значени  момента на валу электродвигател  и угловой скорости вращени ; М. и ш - значени  вышеуказанных

V О

параметров в основной расчетной точке; и - относительное приращение момента по сравнению с. характеристикой посто нства мощности при максимально допустимой (дл  СПА) частоте вращени  электродвигател .

В системах электропривода буровых лебедок „„„, 2и., следовательном Сщ КС

.о 2

Маис

Блок формировани  оптимальной скорости электропривода СПА обеспечивает управление частотой вращени  электродвигател  в режиме установившегос  движени  по закону посто нства циклового тока (1).

Поскольку дл  конкретной буровой установки, значени  М0 Л, Vwew посто ны , соотношение (1) преобразуетс  к виду:

А

W -

(3)

ц. - заданное значение угловой скорости вращени  электродвигател  в установившемс  режиме движени  электропривода , рад/с; М, - статический момент на валу

электродвигател ,

А М„(1 - а ) ю о cons t;

В ДМ,

const;

Мр - статический момент на валу электродвигател  в основной расчетной точке.

Соотношение (3) позвол ет оперативно оценить необходимые с точки - зрени  рационального управлени  значени  частоты вращени  электродвигател  в процессе перемещени  КВТ

дл  каждого цикла в функции момента нагрузки Mi, который зависит от текущего значени  нагрузки на крюке.

Рациональное значение частоты вращени  электродвигател  определ етс  на основании сигнала датчика веса КБТ и после проведени  р да преобразований согласно соотношению (3) блок формирует необходимое за- дающее воздействие на систему регулировани  электроприводом СПА в виде аналогового сигнала управлени .

Аналоговый сигнал, поступающий от задатчика веса, преобразуетс  в значение, соответствующее статическому моменту на валу электродвигател .

Преобразовани  основаны на использовании соотношени 

1. (4)

м,.

1Те 1« П

где F Чр - усилие на крюке, Н;

гпр - радиус приведени , м; tjTU, lflg КПД талевой системы и вала

буровой лебедки;

п - количество работающих электродвигателей .

Если прин ть КПД и радиус приведени  посто нными дл  конкретной бу- ровой установки, то справедливым  вл етс  соотношение 1

М ; A F

kp п

где

Д

Г tip

„ ч те чпв

Выбор масштабных коэффициентов вида

г мо ксШ с

mS -WM. . П1

Г п

с FMOIK.C мЛ

40

де FWaKc 10 В - максимальное значение сигнала с датчика веса, пропорциональное мак- 45 симальному (F ) усилию на крюке; - масштабный коэффициент статического

m

м

момента на валу элетродвигател , В/Н м; m p - масштабный коэффициент усили  на крюке, В/Н.

позвол ет определить значение статического момента на валу электродвигател  в виде

М,- JJF,.

(5)

где Ft - текущее значение сигнала

датчика веса, Б; М, m ..М.- значение статического моменАЧ I

та с учетом масштабного коэффициента, В. Из соотношени  (5) следует, что величина статического момента на валу электродвигател  однозначно св зана с сигналами датчика веса КБТ, однако при этом необходимо учитывать заданное количество работающих электродвигателей .

С учетом масштабных коэффициентов тм и mw Расчетное соотношение (3) преобразуетс  к виду а

ш,

1 ,. -„

где ы,

m ш - расчетное значение рациональной угловой скорости вала электродвигател ,

в;

-а mMmwvA const, В; -b m MB const, В.

Масштабный коэффициент по угловой скорости

U)

mu.

Ь° АЛ Й КС

где ui. r - максимальна  углова  скоМ W К.

рость вала электродвигател , рад/с; UJMC(KC- максимальна  величина

аналогового сигнала, В. Поскольку т равен коэффициенту обратной св зи по угловой скорости Кос, а задающее воздействие V3c на систему регулировани  св зано с угловой скоростью вала электродвигател  соотношением

3 с К о с ы то справедливо равенство

N s c K

ы.

1 3 с ос

Формирование оптимальной скорости электропривода по критерию посто нства средневадратических потерь в  коре осуществл етс  путем последовательного соединени  узла 1 выбора масштаба, элемента 2 вычитани , элемента 3 делени  и нелинейного элемента 4. Выходы источника 5 напр жени  смещени  подключены к входам элементов вычитани  2 и делени  3.

Входы узла 1 выбора масштаба (фиг.2) блока 6 формировани  оптимальной скорости электропривода СНА по критерию посто нства срецнеквадратических потерь в  коре св заны с выходами датчика 7 веса и задатчика 8 количества двигателей. Задатчик 9 частоты вращени , фазочувствительный выпр митель 10S узел 11 ограничени , задат- чик 12 интенсивности и узел 13 регулировани  электропривода соединены последовательно, причем выход нелинейного элемента 4 подключен к второму входу узла 11 ограничени .

Узел 1 выбора масштаба (фиг. 3) содержит операционный усилитель 14 с резисторами 15S 16 и 17 и реле 18 выбора количества двигателей. На вход усилител  14 подаетс  сигнал, UIF с датчика 7 веса На второй вход узла 1 подаетс  дискретный логически сигнал с задатчика 8 количества двигателей В обратную св зь операционного усилител  14 включены параллельно два резистора 15 и 16 и контакт Р 1 реле 18 выбора количества дви- гателей„

Элемент 2 вычитани  содержит резисторы 19 и 20 на входе операционного усилител  21 и резистор 22 в цепи обратной св зи. Входными сигналами элемента 2 вычитани   вл ютс  аналоговый сигнал U йд с выхода узла выбора масштаба и сигнал Uc,c первог выхода источника 5 напр жени  смещени , причем сигналы UfeA и U С1 имею различную пол рность.

Входными сигналами элемента 3 делени   вл ютс  сигнал с выхода элемента 2 вычитани  U 6 и сигнал с второго выхода источника 5 напр жени  смещени  иса„

Выходной сигнал элемента 3 делени  UЈ подключен к входу нелинейного элемента 4, содержащего стабилитрон 23 и резистор 24 в цепи обратной св зи операционного усилител  25, а на его входе резистор 26..

Сигнал U огрс выхода нелинейного элемента 4 подаетс  на вход узла 11 ограничени .

Операци  по подъему колонны бурильных труб осуществл етс  по сигналу от задатчика 9 частоты вращени  (сельсинный командоаппарат), расположенного на пульте бурильщика . При работе бурильщик устанавливает ручку сельсина в положение, соответствующее максимальному задающему сигналу частоты вращени  электродвигател . R результате с выхода задат- чика 9 частоты вращени  на вход фазо- чувствительного выпр мител  10 подаетс  максимальное значение сигнала Ut)cn . Величина выходного сигнала фазочувствительного выпр мител  10

также устанавливаетс  на максимальном уровне 10 В.

Поскольку выход фазочувствительного выпр мител  10 св зан с первым входом узла 11 ограничени , то и на

5 этом входе устанавливаетс  сигнал максимальной величины. Выходной же сигнал U vo узла 11 ограничени  после окончани  разгона электропривода, ограничиваетс  на уровне, равном

о сигналу UOTp, который определ ет необходимую с точки зрени  рационального управлени , частоту вращени  электродвигател  в функции момента нагрузки М..

5 В процессе разгона электропривода допустима  величина ускорени  задаетс  задатчиком 12 интенсивности. Таким образом, частота вращени  электродвигател  в режиме установив0 шегос  движени   вл етс  функцией момента нагрузки, так как выходной сигнал узла ограничени  равен UOTp. В свою очередь, Uve равен сигналу UJc, а сигнал Uic  вл етс  сиг , налом задани  частоты вращени  электродвигател  и подаетс  непосредственно на узел 13 регулировани  электропривода .

Зависимость величины сигнала U0rp

о от статического момента на валу электродвигател  в блоке 6 формировани  оптимальной скорости электропривода СПА воспроизводитс  следующим образом .

Узел 1 выбора масштаба осуществл ет корректировку сигнала датчика 7 веса в зависимости от заданного количества работающих электродвигателей . На его первый вход с датчика 7

0 веса подаетс  аналоговый сигнал, пропорциональный усилию на крюке. Диапазон изменени  аналогового сигнала 0-10 В.оНа второй вход узла 1 выбора масштаба подаетс  дискретный логический сигнал с задатчика 8 количества двигателей.

При работе одним электродвигателем уровень сигнала с задатчика 8 соответствует логическому нулю (05

5

0,5 В), а при работе двум  электродвигател ми - логической единице (+12 В).

Если сигнал с задатчика 8 равен +12 В, то включаетс  реле 18 и своим контактом замыкает цепь обратной св зи операционного усилител  14. При этом в обратную св зь включаютс  параллельно два резистора 15 и 16 и коэффициент усилени  операционного усилител  14 становитс  равным 0,5. Если сигнал с задатчика 8 равен логическому нулю, то реле 18 не включено , контакт реле в цепи обратной св зи усилител  14 не замкнут и его коэффициент усилени  определ етс  только резистором 15 и равен единице

Входными сигналами элемента 2 вычтани   вл ютс  выходной сигнал UflA узла 1, пропорциональный усилию на крюке F, и выходной сигнал UC1 источника 5 напр жени  смещени . Величина напр жени  смещени  Uc, пропорциональна , с учетом масштабного коэффициента m m расчетному значению В в формуле (3), поскольку входные сигналы элемента 2 вычитани  разной пол рности, то его выходной сигнал равен разности сигналов U в„ и Uc, .

Сигнал на выходе элемента 2 вычитани  соответствует с учетом масштабного коэффициента mw расчетному значению

М;- - - В.

1 п

Выходной сигнал элемента 2 вычитани  и сигнал UC1 с источника 5 напр жени  смещени  подаетс  на два входа элемента 3 делени .

Величина напр жени  смещени  U CrJ пропорциональна с учетом масштабного коэффициента m M и т расчетному значению А в формуле (3).

Выходной сигнал U элемента 3 делени  пропорционален расчетному значению

А

ГП в

п

Сигнал U j  вл етс  входным, сигналом нелинейного элемента 4, который выполнен на операционном усилителе 25, в обратную св зь которого включены резистор 24 и стабилитрон 23. Коэффициент усилени  нелинейного элемента 4 равен единице. Стабилитрон 23 ограничивает выходной сигнал U0fP нелинейного элемента 4 на уровне 1 О В при статическом моменте на валу электродвигател , равном или меньшем 0,2 МН, что исключает выход сигнала Uof. за максимальный рабочий уровень изменений аналоговых сигнало устройства -10 В.

Сигнал U огр подаетс  на второй вхо узла 11 ограничени . Таким образом, при изменении статического момента на валу электродвигател  измен етс  величина сигнала U огр и, в режиме установившегос  движени  Uorp Uyo- Uic К0 c.j .

Реализаци  изобретени  позвол ет повысить частоту вращени  электродвигател  и, следовательно, среднюю скорость движени  исполнительного органа электропривода спуско-подъемного агрегата , что позвол ет сократить общее врем  СПО на буровых установках.

Из расчетных механических характеристик электропривода лебедки буровой установки БУ-15000 (фиг. 4) видно, что частота вращени  электродвигател  при управлении по закону посто нства циклового тока (крива  б) больше, чем при управлении по закону посто нства мощности (крива  а), что указывает на целесообразность использовани  данного принципа в системе регулировани  электропривода СПА.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Система автоматического управлени  скоростью спуска и подъема колонны бурильных труб} содержаща  задатчик частоты вращени , выход которого через фазочувствительный выпр митель соединен с первым входом узла ограничени , выходы задатчика количества двигателей и датчика веса соединены с соответствующими входами узла выбора масштаба, выход узла ограничени  через задатчик интенсивности соединен с входом узла регулировани  скорости электропривода, источник напр жени  смещени  и нелинейный элемент, отличающа с  тем, что, с целью повышени  точности управлени  за счет регулировани  частоты вращени  электропривода при поддержании посто нного уровн  среднеквадрати- ческих потерь в  коре, система снабжена элементом вычитани  и элементом делени , при этом выход узла выбора масштаба соединен с первым входом элемента вычитани , выход которого подключен к первому входу элемента

   делени , выходы источника напр жени  смещени  соединены с вторыми входами соответственно, элемента вычитани  и элемента делени , выход послед- ,него подключен к входу нелинейного элемента, а выход нелинейного элемента соединен с вторым входом узла ограничени .

   L

   раф

   iPeeJ