Способ определения крутящего момента на роторе буровой установки Советский патент 1992 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится- к силоизмери- тельной технике и может быть использовано для измерения крувтящего момента на роторе буровой установки нефтяных и газовых скважин.

Известен способ определения крутящего момента, согласно которому производят измерение момента на валу асинхронного короткозамкнутого электродвигателя путем его вычисления по значению напряжения и тока и параметрам электродвигателя 1.

Недостатком данного способа является то, что для вычисления момента на валу электродвигателя необходимо знать значение активных и реактивных сопротивлений статора и реактивных сопротивлений статора и ротора, которые различны даже для одной марки каждого электродвигателя. Кроме того, эти параметры изменяются в процессе работы электродвигателя в зависимости от температуры. Все это приводит к невысокой точности измерения.

Известен способ измерения момента погружного электродвигателя, в котором измерение момента производят по величине механической скорости проходки 2,

Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная необходимостью вводить коэффициенты, учитывающие потери в токопроводе и двигателе, величина которых изменяется, соответственно от длины токопровода и температуры работающего двигателя. Кроме того, при моментах, близких к максимальному, для любого типа электродвигателя линейная зависимость между активной мощностью, оборотами и моментом нарушается из-за перераспределения активных и реактивных мощностей в электродвигателе, что приводит к дополнительной погрешности измереА ния момента.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является техническое решение на способ определения крутящего момента на роторе буровой установки. Сосл

о о

GO ЧЭ 00

ние крутящего момент а на роторе буровой установки по напряжениям и током, действующим в роторной цепи приводного асинхронного электродвигателя с фазным ротором с учетом передаточного отношения коробки передач 3.

Недостаткам этого способ являются невозможность его использования для измерения момента асинхронных короткозамкнутых двигателей, используемых, например, в электробурах установок нефтяных и газовых скважин, а также низкая точность измерения, обусловленная тем, что при моментах, близких к максимальному, линейная зависимость между активной мощностью, оборотами и моментом нарушается из-за перерасчпределе- ния активных и реактивных мощностей в электродвигателе, что приводит к дополнительной погрешности измерения момента.

Целью изобретения является повышение точности.

Цель достигается тем, что по способу определения крутящего момента на роторе буровой установки определяют потери холостого хода электропривода установки, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную мощность Ра, потрубляемую электроприводом, и коэффициент а несимметрии питающей сети, дополнительно на рабочем режиме измеряют реактивную мощность Q, потребляемую электроприводом, а потери холостого хода находят путем измерения в режиме холостого хода активной РХХ и реактивной Qxx мощности, при этом величину М крувтящего момента определяют из выражения

м (Рхх -Pa+Qxx -Q) (Ра-Рхх) ,ч

М а PPxx(Qa+Q)+Qxx(Q-Pa) (1 } где а - коэффициент, постоянный для данного типа электропривода.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что для определения крутящего момента на роторе буровой установки исключается необходимость измерения активных и реактивных сопротивлени и электропривода, а также потерь в токопро- воде, что в значительной степени уменьшает погрешность и повышает точность измерения.

Экономический эффект от использования предлагаемого способа составляет порядка 60 тыс. руб. в год за счет упрощения изготовления и эксплуатации увстройства, реализующего предлагаемый способ, а также за счет повышения точности измерения.

На фмг. 1 приведен функциональная схема устройства, реализующее предлагаемый способ; на фиг 2 приведен труугольник мощностей; на фиг. 3 приведан Г-образная

схема замещения асинхронного электродвигателя и токопровода.

Устройство содержит датчик 1 напряжения, датчики 2 и 3 тока, включенные в цепь

электрической машины 4, измерители 5 и-6 прямой и обратной симметричнных напряжения сети, измерители 7 и 8 активной и реактивной мощностей, формирователь 9, устройство 10 ввода, пульт 11 управления,

микроконтроллер 12 и индикатор 13.

Устройство работает следующим образом.

При включении электродвигателя в сеть сигналы с датчика 1 напряжения поступают

на измерители прямой 5 и обратной 6 симметричных составляющих напряжения, формирователь 9. измерители активной 7 и реактивной 8 мощностей, на которые поступают также сигналы с датчиков 2 и 3 тока.

Двигатель начинает работать на холостом ходу. Нэ первом выходе формирователя 9 появляемся сигнал высокого уровня, свидетельствующий о включении электродвигателя и работе его на холостом ходу. При этом

значение активной и реактивной мощностей холостого хода заносятся в память микроконтроллера 12, после чего микроконтроллер воздействует через устройство 10 ввода на формирователь 9, снимает на его первом выходе напряжение высокого уровня, На втором выходе формирователя 9 поддерживается сигнал высокого уровня, свидельствующий о том, что на электродвигатель подано напряжение. Далее микроконтроллер 12 через устройство 10 ввода опрашивает измерители 5 и 6 прямой и обратной симметричных составляющих, измерители 7 и 8 активной и реактивной мощностей и формирователь 9

и по соответствующей программе управления производит вычисления значения момента согласно выражениям, приведенным ниже.

Известно, что полная, активная и реактивная мощности связаны между собой тре- нугопьником мощностей, приведенным на фиг. 2 (см. например, общая электротехника с основами электроники. В. А. Гаврилюк и др., Киев: Вищз школа, 1989, с. 92, 93).

Рполн

V р| + Q2

(1)

где Рполн - полная мощность.

р - угол сдвига фаз между током и напряжением на зажимах устройства, при этом

Л

Ра

tgp

(2)

Из рассмотрения Г-образной схемы замещения асинхронного электродвигателя и токоподвода, приведенной на фиг. 3, находим, что полное сопротивление электродвигателя равно

(Ro+jXo)(Rl+4-H(X1+X)

Z-KRT +JXT) н-г,

RO+R1 + +j(X0+Xi + Х21)

где RT, Хт - активное и реактивное сопротивления токопровода;

Ro.Xo - активное и реактивное сопротивления намагничивающей ветви;

Ri.Xi - активное и реактивное сопротивления статора электродвигателя;

R12, X12 - приведенные к статору активные и реактивные сопротивления ротора электродвигателя;

S - скольжение;

- мнимая единица 0 1 )

На холостом ходу скольжения мало, поэтому, устремив S к нулю, нетрудно найти

ZXX RO + RT + J(XO + XT).

(4)

где Zxx -К полное сопротивление токопровода и электрической машины на холостом ходу;

Очевидно, что

Хо г XTfr-

tg p -R-pf, (5)

где 1 - угол сдвига фаз между током и напряжением на холостом ходу,

Следовательно, пользуясь выражением (2), можно записать

w -fe- №

где Qxx реактивная мощность холостого хода;

Rxx активная мощность холостого хода.

При увеличении момента на валу электродвигателя угол сдвига фаз между током и напряжением начинает уменьшаться за счет увеличения угла сдвига фаз роторной цепи (р2. Из литературы известно (см. например, Клюев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоиздат. 1985, с. 156), что

Rl/Sы

cosy 2 - : (7)

)2

.

(8)

Таким образом, суммарный сдвиг фаз нагруженной электромашины равен

Ф pi - (.(9)

С учетом того, что

tg y3i - tg tpi

tgy tg ((p 1 2)

1 + tg р tg (pi

(10)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

а также выражений (2), (5), (6), (8), после соответствующих математических преобразований, получаем величину, скольжения как функцию активной и реактивной мощностей

QxxQa-PxxQ М1ч

PaPxx+QQxx {

Выражение для определения момента асинхронного электродвигателя имеет следующий вид

-ИГ )

где mi - фазность питающего электродвигатель напряжения;

р - число полюсов электродвигателя;

fi - частота питающей сети;

а - коэффициент несимметрии питающей электродвигатель сети;

„ Шэбр

Unp

где Уобо - напряжение обратной симметрично составляющей;

Unp - напряжение прямой симметричной составляющей.

Таким образом, с учетом выражений (11) л (12) после соответствующих материмати- ческих преобразований выражение для определения момента на валув асинхронного электродвигателя примет следующий виц(РХХ Ра +0хх Q) (Ра - РХХ

М-аPxx(Pa+Q)+Qxx(Q -Ра) Ш1 Р

а)

где a о jrf коэФФиЦиент постоянный

для данного типа электропривода.

Преимущество данного способа состоит и в том, что его реализация, с помощью описанного выше устройства может быть осуществлена на отечественных серийно выпускаемых изделиях высокого класса точности. Например, в качестве измерителей активной и реактивной мощностей могут быть использованы измерительные преобразователи соответственно типа Е 748 и Е 849 или им подобные, выпускаемые Витебским ПО Электроизмеритель, класса точочности 0,25% Б качестве микроконтроллера возможно применение программируемого микроконтроллера Электроника МС 2702 или аналогичная, а в качестве индикатора - показывающие приборы комплекса Скуб-М. Устройством ввода может служить аналого-цифровой преобразователь К 572ПВ 4, представляющий собой восьмиканальную систему сбора данных. Измерители прямой и обратной симметричных составляющих могут быть легко выполнены по схемам, приведенными, например, авт св. № 817503, кл. G 01 М 15/00.

Формула изобретения Способ определения крутящего момента на роторе бувровой установки, заключзющийся в том, что определяют потери холостого хода электропривода установки, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную мощность Ра, потребляемувю электроприводом, и коэффициент несимметрии питающей сети, отличающийся тем, что. с целью повышения точности, дополнительно на рабочем режиме измеряют реактивную мощность Q. потребляемую электроприводом, а потери холостого хода находят путем

измерения в режиме холостого хода активной Рхх и реактивной Qxx мощности, при этом величину М крутящего моментаределя- ют из выражения

м (рхх Pa+Qxx -Q) (Ра-Рхх) ( , ч M-aV Pxx(Qa+Q)+QXx(Q-Pa) (1-°° где а - коэффициент постоянный для данного типа электропривода.

Сущность изобретения: определяют потери холостого хода электропривода установки в виде активной Рхх и реактивной QXx мощностей, а на рабочем режиме работы установки измеряют активную Ра и реактивную Q мощности и коэффициент а несимметрии питающей цепи, при этом величину М крутящего момента определяют из выражения М а(Рхх Ра + Qxx Q) (Ра-Рхх) / Pxx(Pa+Q) + Qxx(Q-Pa) (1-а), где a - коэффициент, постоянный для данного типа электропривода. 3 ил.

Сеть

Фиг

Рполн

Фиг. &