CC BY
25
УЛК 622.242:621.3
© A.M. Соловьев, И.М. Соловьев, 2014
А.М. Соловьев, И.М. Соловьев
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ УКБ-4 ОСНАЩЕННОЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Экспериментальные исследования частотно регулируемого привода применительно к буровым установкам на твердые полезные ископаемые являются актуальной задачей, т.к. позволяют точно определить энергетические параметры такого привода и подтвердить математические модели, на основе которых строится технико-экономическое обоснование по внедрению такого привода в геологоразведочном производстве.
Ключевые слова: экспериментальные исследования, плавное регулирование, энергосбережение, буровые геологоразведочные работы.
На стадиях детальной и эксплуатационной разведки месторождений полезных ископаемых в подавляющем большинстве случаев (примерно 70%) применяются буровые установки с электроприводом. [3]
Преимущество использования электропривода в бурении обусловлено особенностями самой электрической энергии: возможностью экономичной передачи на большие расстояния, удобством распределения между потребителями, простотой преобразования в другие виды (механическую, тепловую, световую), а так же экономическими соображениями: замена ЛВС электроприводом, получающим электроэнергию от региональных энергосистем, повышает производительность труда при колонковом бурении на 30%, а годовые затраты на ремонт электродвигателей оказываются в десятки раз меньше затрат на ремонт дизелей той же мощности.
Поэтому оптимизация привода в части снижения энергозатрат на бурение погонного метра скважины является актуальным направлением, особенно сейчас, в условиях роста стоимости отпускаемой электроэнергии и
стоимости за ее подключение в случае питания от региональной ЛЭП.
Энергосберегающий частотно-регулируемый электропривод на базе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором - одно из наиболее перспективных направлений в модернизации привода буровых установок на твердые полезные ископаемые. [5]
Экспериментальные исследования такого частотно-регулируемого электропривода проводились на учебно-научном Сергиево-Посадском полигоне Российского Государственного Геологоразведочного Университета имени Серго Орджоникидзе на буровой установке УКБ-4.
Буровой станок СКБ-4 был доукомплектован частотным преобразователем 81ешепБ ш1сготаз1ег 440, обе-сечивабщим скалярное или векторное управление асинхронным двигателем вращателя и лебедки 4А180Б4УЗ (мощностью 22 кВт).
Нагрузка на на буровой станок задавалась путем бурения гранитного блока твердосплавной коронкой диаметром 72 мм.
Энергетические параметры привода измерялись с помощью цифрового
осциллографа АКИП-4113/1, измерительного комплекта К-50 и мульти-мера.
В первую очередь были получены данные по току напряжению, активной мощности и форме синусоиды напряжения при работе бурового станка без преобразователя частоты. Частота питающего двигатель напряжения была номинальной (50 Гц), соответственно частота вращения электродвигателя в этом случае равнялась 1450 об/мин. Был произведен ряд замеров при осевой нагрузке от 500 до 2000 кг с шагом 250 кг на 1, 2, 3 и 4 скоростях бурового станка (155, 280, 390, 435 об/мин).
Затем к электродвигателю вращателя был подключен преобразователь частоты, и дальнейшее регулирование частоты вращения бурового снаряда станка СКБ-4 осуществлялось за счет изменения частоты вращения электродвигателя, а не с помощью коробки передач.
В одну из фаз электросети, питающей двигатель вращателя, был последовательно подсоединен трансформатор тока УТТ-5М. Его коэффициент трансформации был равен 10-ти. Во вторичную обмотку трансформатора тока был последовательно подключен резистор сопротивлением 2 Ома. Измеряя осциллографом падение напряжения на резисторе были установлены значения тока в фазе электросети. Также параллельно второй щуп осциллографа был подсоединен между этой фазой и нулевым проводом для определения напряжения этой фазы.
В ходе выполнения эксперимента были получены осциллограммы тока и напряжения в питающей сети
при работе бурового станка в широком диапазоне нагрузок - от холостого хода до номинальной нагрузки. Также были получены осциллограммы переходных процессов в питающей сети при старте двигателя вращателя бурового станка.
Эксперимент показал интересные результаты. В момент пуска двигателя вращателя значение пусковых токов превысило величину номинальных токов в 5-6 раз.
В случае плавного старта двигателя вращателя с помощью преобразователя частоты ток превышает номинальное значение не более чем на 20%. Из вышесказанного следует вывод о значительном снижении динамических нагрузок при стартах электропривода вращателя.
В ходе экспериментов по управлению амплитудой питающего напряжения было обнаружено, что в режимах значительной недогрузки двигателя снижение амплитуды дает энергосберегающий эффект, а именно повышает значения коэффициента мощности асинхронного двигателя, при этом частота вращения вала двигателя изменяется несущественно (не более 10%) - рис. 1.
П - скорость вращения двигателя, об/мин, и - фазное напряжение двигателя, В.
Рис. 1. Зависимость коэффициента мощности двигателя от напряжения питания
tÚ, йб/МИИ
1500
1401)
1300
1200
1100
1Ш0
/
/. А.
-1—, —1 -1-1-1-1
50
ь- tea:
100
150 200 250 300 J50 400
II. В
l ХОЛОСТОМ
при нагрузке -А- при нагрузке
ходу;
9% от номинальной; 27% от номинальной;
-Т- при нагрузке 39% от номинальной.
Рис. 2. Падение частоты вращения выходного вала двигателя при снижении напряжения питания для четырех уровней нагрузки
м. об/мин 1Í5G
161)11 issg t5«i 1450 1400 1350
М, И'м
12»
15И
180
о зо 60 да частота вращения. 55 Гц; -а- частота крашения, 50Гц;
М - крутящий момент на валу двигатля, Н-м.
Рис. 3. Зависимость частоты вращения вала двигателя от нагрузочного момента при изменении частоты
Понижение амплитуды питающего напряжения приводит к увеличению коэффициента мощности. Так, например, на холостом ходу уменьшение амплитуды питающего напряжения с 380 до 75 В привело к повышению коэффициента мощности со значения 0,21 до 0,86 при незначительном падении частоты вращения выходного вала асинхронного двигателя. А при
нагрузке 27% от номинальной удалось достигнуть значения коэффициента мощности 0,86 при напряжении питания 160 В. Причем во всех случаях частота вращения выходного вала двигателя изменяется несущественно.
На рис. 2 показан диапазон падения скорости вращения выходного вала при снижении амплитуды питающего напряжения для четырех уровней нагрузки. Из графика видно, что для каждого случая (при каждой нагрузке) существуют области постоянного значения частоты вращения вала, малого изменения, значительного ее снижения и область останова.
Для поддержания частоты вращения вала двигателя в допустимых приделах, а соответственно и производительности на высоком уровне проводились эксперименты с увеличением частоты питающего напряжения, при изменяющейся нагрузке на выходном валу (рис. 3).
Даже при незначительном повышении используемой частоты (с 50 до 55 Гц) частота вращения выходного вала возрастает, а это что возрастает и производи-
значит тельность.
Выводы
Для снижения энергопотребления и повышения производительности асинхронного двигателя в режиме недогрузки необходимо одновременно осуществлять амплитудное и частотное управление двигателем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грузоподъемные устройства, механизмы вращения и подачи буровых установок / Под ред. Булгакова Е.С. - М.: РГГРУ, 2007.
2. Ганджумян P.A., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении. - М.: РГГРУ, 2007.
3. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кар-дыш В.Г. Буровые машины и механизмы. -М.: Недра, 1981. - 448 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
4. Жернаков А.П., Акимов В.Д., Алексеев В.В. Экономия топливно-энергетических ресурсов при геологоразведочных работах. - М.: Геоинформмарк, 2000.
5. Лимитовский А.М., Меркулов М.В., Косьянов В.А. Энергообеспечение технологических потребителей геологоразведочных работ. - М.: ИПЦ МАСКА, 2008. - 135 с.
6. Справочник по бурению. Под ред. Козловского Е.А. - М.: Недра, 2000. nTTTTR
Соловьев А.М. - аспирант, Соловьев И.М. - аспирант,
Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), e-mail: cyberlab@mail.ru.
UDC 622.242:621.3
EXPLORATORY TEST OF UKB-4 DRILL RIG WITH VARIABLE FREQUENCY DRIVE
SolovevA.M., Graduate Student, Solovev I.M., Graduate Student,
Russian State Geological Prospecting University, e-mail: cyberlab@mail.ru.
Experimental studies of the frequency controlled drive in relation to the drilling rigs for solid minerals are urgent task, because can accurately determine the energy parameters of the drive and verify the mathematical model.
Key words: experimental research, smooth regulation, energy conservation, exploration drilling.
REFERENCES
1. Gruzopod#emnye ustrojstva, mehanizmy vrashhenija i podachi burovyh ustanovok, Pod red. Bulga-kova E.S. (Bulgakov E.S. (Ed.), Hoisting gears, rotating mechanisms and feed units of drill rigs), Moscow, RGGRU, 2007.
2. Gandzhumjan R.A., Kalinin A.G., Serdjuk N.I. Raschety v burenii (Calculations in drilling), Moscow, RGGRU, 2007.
3. Kirsanov A.N., Zinenko V.P., Kardysh V.G. Burovye mashiny i mehanizmy (Drilling machines and mechanisms), Moscow, Nedra, 1981, 448 p.
4. Zhernakov A.P., Akimov V.D., Alekseev V.V. Jekonomija toplivno-jenergeticheskih resursov pri geol-ogorazvedochnyh rabotah (Fuel and energy resources saving in geological exploration), Moscow, Geoinform-mark, 2000.
5. Limitovskij A.M., Merkulov M.V., Kos'janov V.A. Jenergoobespechenie tehnologicheskih potrebitelej geologorazvedochnyh rabot (Process load power supply in geological exploration), Moscow, IPC MASKA, 2008, 135 p.
6. Spravochnik po bureniju. Pod red. Kozlovskogo E.A. (Kozlovsky E.A. (Ed.), Reference guide on drilling), Moscow, Nedra, 2000.
