Исследование автоматизированного электропривода для вращателя бурового станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЯ БУРОВОГО СТАНКА

Ногтев Руслан Алексеевич, Санкт-Петербургский Горный Университет, студент-магистр, каф. электроэнергетики и электромеханики.

В данной работе рассматривается реализация режима автоматического выхода бурового станка из режима вибрации посредством введения дополнительного контура регулирования в систему управления автоматизированного полупроводникового электропривода переменного тока. Работа включает в себя исследование системы управления электроприводом и моделирование динамики электропривода с помощью системы Simulink пакета Matlab.

Ключевые слова: асинхронный электропривод; буровой станок; выход из режима вибрации; автоматизация.

УДК 62-83:621.313.3

Введение

В условиях случайного течения процесса, осложняемого развивающимися в системе вибрациями, автоматизация процесса бурения является весьма трудной задачей. Необходимы автоматизированные системы электропривода, позволяющие эффективно управлять параметрами режима бурения. Только в этом случае возможно поддерживать оптимальный режим бурения по принятому критерию эффективности [1].

Главным направлением совершенствования систем электропривода основных механизмов буровых станков является применение автоматизированных полупроводниковых электроприводов переменного тока с широким диапазоном регулирования частоты вращения, высокими динамическими показателями. Использование таких приводов обуславливает повышение производительности и сокращение стоимости буровых работ, снижение энергетических затрат, улучшение условий труда обслуживающего персонала [1].

Цель работы. Получение режима автоматического выхода бурового станка из режима вибрации.

Существующие буровые установки обеспечивают бурение в основных режимах, при этом механизмы вращателя отечественных станков типа СБШ-250МНА-32 (СБШ-250МН) оснащены электроприводами постоянного тока по системе тиристорный преобразователь - двигатель (ТП-Д) [2]. Для обеспечения требуемой жёсткости характеристики используется отрицательная обратная связь по скорости якоря и внутренний контур тока. Автоматизированные частотные приводы по системе ТПЧ-АД с бесконтактными асинхронными двигателями (АД) и системами скалярного и векторного управления более перспективны.

Содержание

Исследуется электропривод переменного тока типа ЭКТ-2 (АТ 04) с системой скалярного управления обратной связью по скорости, внутренним контуром тока, двигателем 4А 280S6 (рис. 1), мощностью 75 кВт и с вводимым дополнительным контуром.

Рис. 1. Структурная схема системы управления автоматизированным электроприводом

На рис. 1 структура АД содержит (апериодическое звено K_i/(T_ip+1), умножитель М 2 магнитного потока на ток {^.i}, коэффициент C_м {C_м^.i = M}), интегрирующее звено (1/Jp); РС и РТ - регуляторы скорости и тока; элемент с коэффициентом К ₁,обеспечивающий предварительное включение системы для создания начального магнитного потока (при щ' = 0), чтобы избежать значительных динамических моментов в буровой колонне при вводе задания скорости щ'; К_щ, К_di - звенья обратных связей по скорости и току.

Вход бурового станка в вибрационную зону является нежелательным, ограничивающим производительность работ. Время выхода из вибрации зависит от опыта оператора в значительном числе случаев приходится прерывать процесс бурения.

Для выявления режима вибрации и автоматического выхода из зоны вибрации без использования непосредственного датчика измерения вибраций (косвенный метод) в схему введен дополнительный контур (ДК). Звенья дополнительного контура ДК: Ф - фильтр, НЭ - нелинейный элемент, М - умножитель, P_зад - заданная мощность. При превышении заданной мощности P_зад на выходе нелинейного элемента выделяется сигнал на снижение скорости. асинхронный электропривод буровой вибрация

При моделировании ДК составляется из типовых визуальных блоков библиотеки компьютерной программы также, как и электропривод. Аппаратно ДК может быть реализован на печатной плате с двумя микросхемами 525 и 553 серий.

При моделировании динамики электропривода с помощью системы Simulink пакета Matlab сравнивалась реакция на скачкообразное изменение нагрузки и линейное изменение задания скорости в процессе пуска, вводилось ограничение на величину максимальных значений мощности и напряжения ТПЧ. Модель асинхронного двигателя 4А 280S6 выполнялась по уравнениям Горева-Парка с учетом насыщения магнитной системы машины в переходных режимах [3].

На рис. 2 показан процесс разгона привода с дополнительным контуром при пуске за 0,5 с со входом в режим постоянства мощности.

При разгоне происходит увеличение мощности, потребляемой двигателем, в том числе в связи с возникающими вибрациями станка.

В этом случае на выходе устройства сравнения УС выделяется сигнал, который пройдя через нелинейный элемент НЭ и фильтр, вызывает снижение сигнала задания напряжения и скорости АД в соответствии с заданной мощностью P_зад. Это обеспечивает автоматический выход из зоны колебаний, снижение амплитуды вибрации, более высокую производительность работ, большую стойкость долот.

Рис. 2. Переходной процесс при входе АД 4А 280S6 в режим работы с постоянной мощностью

На рис. 2 (сверху вниз):

По оси ординат - скорость двигателя щ, рад/с.

1 - ток асинхронного двигателя (I max = 300 А),

2 - задание скорости и действительная скорость электропривода (масштаб 1:1),

3 - напряжение преобразователя частоты (U_max = 230 В),

4 - уровень потока (главного магнитного потокосцепления), (1,2 Вб),

5 - значение момента двигателя (пиковое значение 1400 Нм).

На рис. 3 дана схема модели электропривода, выполненная на блоках библиотеки пакета Simulink.

Рис. 3. Модель электропривода со скалярной системой управления

На рисунке: ЗИ - задатчик интенсивности, САР - система автоматического регулирования, выполненная по схеме рис. 1 с дополнительным контуром ДК в подсистеме САР, ПЧ - усилительно-преобразовательное устройство, АД - асинхронный двигатель, нарузка (Load) с заданным моментом холостого хода (M_o).

Результаты и выводы

Двигатель электропривода вращателя станка обеспечивает работу на рабочей ветви механической характеристики в режиме поддержания заданной скорости вплоть до максимального момента (заданной мощности), после чего происходит переход в режим работы с постоянной мощностью, который обеспечивает выход станка из вибрационной зоны за счет незначительного снижения частоты вращения бурильной колонны.

1. Асинхронный электропривод вращателя со скалярной структурой управления, обратной связью по скорости щ и дополнительным контуром обеспечивает необходимые режимы работы бурового станка, включая работу вблизи вибрационной зоны.

2. Наиболее радикальным направлением автоматизации является применение векторной системы управления частотным приводом с асинхронным двигателем, обеспечивающей наибольшую точность регулирования. [3].

Библиографический список

1. Алексеев В.В., Соловьев А.С. Автоматизированный электропривод станков шарошечного бурения. СПб: СПГГИ., 1997, 50 с.

2. Жуковский А.А., Нанкин Ю.А., Сушинский В.А. Привод и системы управления буровых станков для карьеров. - М.: Недра, 1990, 223 с.

3. Алексеев В.В. Моделирование приводов с векторным управлением горного оборудования. /В.В. Алексеев, А.Е. Козярук, С.В. Бабурин. СПб.: Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", 2013, 57 с.

Размещено на Allbest.ru