Предметом настоящего изобретения является электрический привод для бурового механизма с автоматическим регулированием скорости двигателя подачи соответственно нагрузке главного двигателя. При этом, согласно изобретению, с валом главного двигателя через регулируемую передачу сцеплен преобразователь частоты, имеюшнй при нормальной нагрузке механизма число оборотов несколько выше синхронного и питающий двигатель нодачи, в качестве которого взят индукционный двигатель двойного питания с вращением полей и разные стороны. Подобны.м способом питания двигателя подачи имеется в виду получить привод бурового механизма, в котором по характеру работы регулирование подачи было бы весьма близким к регулированию подачи при помощи известного в бурении „диференциала Хилда. Предлагаемый привод в полной мере обеспечивает требуемый диапазон скоростей подачи в приводе с асинхронными двигателями.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. 1 которого изображена кинематическая, а на фиг. 2
электрическая схемы предлагаемого привода.
На чертеже имеются следующие обозначения: /-электрический двигатель привода роторного стола (главный двигатель), 2-электрический двигатель лебедки (двигатель подачи), 3- преобразователь частоты, 4-барабан лебедки, 5-роторный стол, 7 и 8 - первый и второй валы трехскоростной лебедки, 9-вал, связывающий роторный стол с двигателем 7; ТО и /7 - эластичные .муфты на валу 9, соединяющие его с валом роторного стола 5 и с валом двигателя /; 12, 13, 14 - передача от привода роторного стола к преобразователю частоты 3, допускаюп1ая изменение передаточного числа в небольших пределах (например, пара конических шкивов, связанных ремнем); /5 - механизм с приводом от руки, изменяющий положение ремня на конических щкивах; 16 77-масляные выключатели главного двигателя и двигателя подачи; 18-реверсер; 19 и 2Q - реостаты, включенные в цепи роторов двигателей 7 и 2; 27 рубильник в цепи преобразователя частоты с семью взаимно связанными контактными ножами; 22 трехфазный трансформатор для понижения напряжения, подводимого к кольцам преобразователя; 23--переключатель чнсла витков на понизительном трансформаторе 22; 24 - электромагнит, освобождающий защелку ленточного тормоза барабана лебедки при исчезновении напряжения. Предлагаемый привод работает следующим образом. Предположим, что нормальный режим бурения, производимый на некоторой глубине //, при HeKOTOpOiM числе оборотов роторного стола «г (чему соответствует число оборотов бурового двигателя, равное Лр,), требует момента на валу двигателя, равного yVfjj. Нормальному режиму бурения пусть соответствует некоторая подача &н . превышение которой влечет за собой возрастание момента сверх М, и, наоборот, уменьшение подачи влечет за собой понижение момента по сравнению с М. Как известно, изменение момента асинхронного двигателя сопровождается изменением скольжения, что с достаточной степенью точности может быть записано в следующем /VliО,гвиде: -j-- , где S с«о-«и bj , .где «о-число оборотов двигателя, соответствующее его синхронной скорости, п и «1 - числа оборотов двигателя при нагрузке Л (скольжение S и нагрузке N (скольжение 5i). При помощи передачи с изменяющимся передаточным коэфициентом число оборотов преобразователя частоты устанавливается равным т (несколько выще синхронной скорости преобразователя частоты), что повлечет за собой возникновение на коллекторе преобразователя напряжения, имеющего частоту f, очевидно, что с неподвижных нхеток преобразователя будет сниматься ток этой же периодичности. Конструкция преобразователя частоты может быть выбрана из ряда «о - «1 имеющихся типов, например, могут быть применены одноякорный преобразователь Гейланда, его модификация- преобразователь без статора, аналогичный по своему исполнению компенсатору Шербиуса, преобразователь с обмоткой на статоре, служащей для улучщения коммутации, и пр. Со щеток преобразователя через щестиполюсный рубильник, током периодичности / питаются статор и ротор двигателя лебедки. Подсоединение обмоток статора и ротора выполняется таким образом, чтобы направление вращения магнит-, ного поля, возбуждаемого обмоткой статора, было противоположно направлению вращения поля, возбуждаемого обмоткой ротора. Обмотки статора и ротора могут быть включены или параллельно, как это показано на фиг. 2, или же последовательно. Примененная схема превращает асинхронный двигатель лебедки в двигатель двойного питания, вращающийся со скоростью, соответствующей двойной синхронной скорости при периодичности f. Присоединение двигателя лебедки выполняется таким образом, чтобы порядок чередования фаз в его статорной обмотке, при надсинхронной скорости преобразователя частоты, определял такое направление врашения двигателя лебедки, которое соответствует спуску инструмента. Предположим, что в результате или перехода на более твердую породу или затупления долота или других причин момент на валу бурового двигателя 7 возрастает, что немедленно отразится на увеличении скольжения этого двигателя. Следствием этого явится также понижение числа оборотов преобра.зователя частоты 5, на щетках которого теперь будет напряжение с меньп1ей периодичностью. Двигатель 2 лебедки снизит свою скорость, и подача уменьщится. Наоборот, если момент на валу бурового двигателя 7 упал, скольжение его уменьшится, скорость преобразователя частоты увеличится, что в свою очередь повлечет за собой увеличение периодичности тока, питающего двигатель лебедки; скорость двигателя лебедки увеличится, что повлечет за собой увеличение подачи.
Заслуживают внимания некоторые предельные случаи, а именно случай, когда возрастание момента на валу бурового двигателя настолько снизит его обороты, что на щетках преобразователя появится напряжение нулевой частоты (постоянный ток). В результате этого двигатель лебедки будет заторможен, и подача сделается равной нулю. Если момент на валу бурового двигателя возрастет еще более, то это, в частности, отразится на том, что преобразователь будет вращаться со скЪростью, меньшей, нежели этого требует условие возникновения на его щетках постоянного тока. На щетках преобразователя появится напряжение некоторой частоты, причем, однако, порядок следования фаз бздет обратным тому, который был при нормальной нагрузке бурового двигателя.
В результате, направление вращения двигателя лебедки изменится на противоположное, и подача приобретет отрицательный знак, т. е. долото будет приподниматься с забоя.
Прежде чем перейти к количественной оценке ожидаемых процессов, представляется необходимым упомянуть о некоторых деталях, которые должны быть учтены и выполнены при осуществлении предлагаемого привода. К числу их относятся: 1) установка трансформатора, подающего пониженное напряжение на кольца преобразователя; 2) установка вентилятора к двигателю лебедки, что вызывается ухудшенными условиями его охлаждения, так как скорость вращения двигателя невелика; 3) устройство блокировки, не допускающей включения рубильника 21 преобразователя частоты при включенном масляном выключателе двигателя лебедки; 4) устройство тормозного приспособления, затормаживающего барабан лебедки при исчезновении напряжения.
Количественный анализ. Предположим, что асинхронный двигатель лебедки дает наименьшую скорость подъема, равную 0,15 м.сек, чему соответствует 540 м час.
Если бы двигатель работал, как двигатель двойного питания с противоположным вращением полей статора и ротора, то при частоте сети около 50 персек скорость подъема составила бы около 1080 м:час.
В действительности двигатель лебедки будет работать с периодичностью, близкой к той, которая соответствует периодичности скольжения бурового двигателя (частоте роторного тока бурового двигателя).
Для оценки скоростей подъема, соответствующих этой небольшой периодичности, предположим, что изменагрузки будет от М до
нение . Пусть скольжение /WH + 0,25 при М составит 2%. В таком случае пределы изменений скольжения будут от 1,5 до 2,5%. Допустим далее, что установка автоматического регулятора была произведена таким образом, что при нагрузке М (скольжение 2%) число оборотов восьмиполюсного преобразователя составляло 757,5 об:мин (101% от синхронной скорости преобразователя).
Этому числу оборотов будет, очевидно, соответствовать периодичность 1 пер сек и, следовательно, скорость подачи, равная 1% от 1080 .ч час, т. е. 10,8 мчас.
При недогрузке в 25% число оборотов преобразователя повысится на 0,5%, что будет соответствовать частоте в 1,5 пересек при подаче, равной 16,2 м1час.
Наоборот, при перегрузке на 25% подача уменьшится и достигнет 5,4 MjHoc.
Еще более рельефные соотношения будут иметь место, если в цепь ротора бурового двигателя ввести некоторое сопротивление, заставив двигатель работать на искусственной характеристике.
Предположим, что введенное сопротивление увеличило скольжение при моменте, принятом за нормальный момент бурения, до 4%.
В этом случае, при той же скорости преобразователя в 757,5 об/мин, нормальная подача составит, как и ранее, 10,8 -н час. Однако, как нетрудно убедиться, при изменении Ж на 3:25% подача будет изменяться на j;- 10,8 м час, т. е. от О до 21,6 Ml час.
Приведенные примеры и позволяют установить, что по характеру своей работы предлагаемый привод е автоматическим регулированием подачи будет весьма близок к известному в бурении диференциалу Хилда.
Надо полагать, что и теоретические выкладки и практические заключения по работе предлагаемого привода будут близки к диференциалу Хилда. Необходимо также указать, что регулирование предлагаемого привода в полной мере обеспечит требуемый диапазон скоростей подачи.
В заключение можно остановиться на мощности преобразователя частоты и относящегося к нему трансформатора. Путем несложного подсчета можно показать, что в этом отношении предлагаемый привод дает вполне приемлемые результаты.
Необходимо лишь отметить, что уменьшение частоты на преобразователь частоты и (частный случай) снятие с его щеток постоянного тока будут сопряжены с прохождением через обмотку двигателя лебедки почти двукратного тока.
Это затруднение может быть преодолено или созданием достаточной вентиляции или установкой специального реле и контактора в цепи первичной обмотки понизительного трансформатора, нерек.1ючающего при превьпнении заданной силы тока витки трансформатора, для получения пониженного напряжения на стороне вторичной обмотки.
При проходке мягких пород может встретиться необходимость н бо.чее значительных ск-оростях подачи; для этих случаев потребуется большая частота на щетках преобразователя частоты, а следо1 ательно, и пор ыгпеиное напряжение.
С этой целью па стороне первк(иой обмотки понизительного трансформатора надлежит установить переключатель числа витков, управление которым может осуществляться или непосредственно от руки или путем особого устройстна, сблокированного
с механизмом, изменяюпшм передаточпый коэфициент между валами бурового двигателя и преобразователя частоты.
На фиг. 2 индексом 23 обозначено устройство, служашее как для ограничения силы тока, так и для непосредственного изменения числа витков (или от руки или от блокировочного приспособления).
Расчет и описание элементов, упомянутых в предлагаемом электрическом приводе, не приводятся, поскольку их исполнение не влияет на принципиальную сторону настояшего изобретения.
Само собой по.д,разумевается, что характер аппаратуры должен в полной мере учитывать специфические требования нефтяной промышленности (защита от взрыва, усиленная конструкция и пр.).
Объем настоящего изобретения не ограничивается рамками автоматического регулирования подачи долота при бурении, но в полной мере распространяется и на другие виды механизмов, в которых для регулирования подачи может быть применен использованный принцип регулирования скорости вспомогательного двигателя двойного питания со встречHijiM включением нолей от преобразовате;1я частоты, .еханпчески связанного передачей с из.меняющимся передаточным КОЭФИГ1ИЭНТОМ с основным и.аи вспомогательным валом основной машины.
П р е д м е т и з о б р е т е н и я.
Электрический привод для бурового механизма с автоматическим регулированием скорости дппгателя подачи при изменении нагрузки на главный двигатель, отличающийся тем, что с валом главного двигателя через регулируемою передачу сцеплен преобразователь частоты, и..ий при нормальной нагрузке механизма число оборотов несколько выше синхронного и питающий двигатель подачи, в качестве которого взят индукционный двигатель двойного питания с вращением полей в разные стороны.
к авторскому свидетельству В. А. Нгк овкина
2 
IS
V и
ff.
г// fj
Зй
,с
- //
