2 Патентные исследования и обзор публикаций

2 Патентные исследования и обзор публикаций

В дипломном проекте поставлена задача анализа регулируемого электропривода буровой лебедки по системе ТП-ДПТ, поэтому целью патентной проработки и литературного обзора является рассмотрение электроприводов постоянного тока, тиристорных преобразователей, фильтрокомпенсирующих устройств, систем управления электроприводом постоянного тока.

Патентный поиск проведен с использованием фонда ФБГОУ ВПО «УГНТУ» по источникам патентной документации России. В связи с тем, что обновление технических средств происходит быстрыми темпами, выбрана глубина поиска с 2007 по 2012 г. включительно.

Поиск производился по международной патентной классификации (МПК), по подклассам: Н 02 J (подгруппа 3/18); Н 02 Р (подгруппа 1/24, 5/06, 5/16, 7/42); Н 02 F (подгруппа 7/18); Н 02 М (подгруппа 7/17); G 05 F (подгруппа 5/02, 1/56). При этом был использован источник патентной информации – Интернет-издание Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам ФГУ ФИПС (РОСПАТЕНТ).

2.1 Патентный поиск

Результаты поиска по российским авторским свидетельствам и патентам сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 – Результаты патентного поиска

Страна	Индекс МПК номер патента	Дата публикации	Заявитель (патентообладатель)	Название патента
Россия	H02M1/08 2308140		«Новолипецкий металлургический комбинат» Карпук Юрий Александрович	Способ и устройство управления тиристорами (варианты)
Россия	H02P7/29 2313173		«Воронежский государственный университет»	Электропривод постоянного тока
Россия	H02M7/16 2334349		Мустафа Георгий Маркович	Высоковольтный электропривод переменного тока
Россия	H02H7/12 2324271		Сикорский Владимир Иванович Баранов Сергей Евгеньевич Копервас Владимир Фридрихович Илюшин Эдуард Семенович	Способ защиты высоковольтных регулируемых выпрямителей от перенапряжений
Россия	H02P1/00 2344538		ООО «Центртехкомплект»	Способ управления преобразователем частоты при нарушениях электроснабжения
Россия	H02P 1/46 2385528		Абрамович Борис Николаевич Круглый Александр Аронович Устинов Денис Анатольевич	Способ автоматического регулирования машин переменного тока
Россия	H02P27/08 2382480		ЗАО «ИРИС»	Высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока
Россия	H02P 21/14 2385529		ЗАО «ЭлеСи»	Способ оптимальной оценки частоты вращения асинхронного двигателя и система для его реализации
Россия	H02P23/00 2412526		ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»	Устройство частотного управления асинхронным электроприводом
Россия	H02M5/27 2408968		ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»	Повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты
Россия	H02P27/00 2441775		ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»	Устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором
Россия	H02M7/17 2444112		ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»	Реверсивный тиристорный преобразователь без уравнительных реакторов
Россия	H02M1/08 2449456		ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»	Интегрирующее устройство синхронизации
Россия	G05F1/56 2450316		ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»	Устройство управления импульсными преобразователями постоянного тока

В патенте №2308140 изобретение относится к преобразовательной технике, предназначены для систем импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем с фазовым регулированием от магнитного усилителя и могут быть использованы в сочетании с другими фазосдвигающими устройствами. Задачей, на решение которой направлены заявленные способ и устройство управления тиристорами, является обеспечение работоспособности системы управления с фазовым регулированием от магнитного усилителя при любом значении результирующего сигнала управления, а также расширение арсенала технических средств. Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является фазовое регулирование импульсов управления тиристоров, включенных противофазно, от однофазного магнитного усилителя с самонасыщением с ограничением в нужных пределах диапазона угла регулирования независимо от величины результирующего сигнала управления магнитным усилителем по двух- и одноканальным схемам управления, и согласование работы формирователя импульсов с магнитным усилителем, независимо от величины напряжения питания и схемы соединения рабочих обмоток последнего. Указанный технический результат достигается тем, что при управлении тиристорами с фазовым регулированием от магнитного усилителя и формированием выходного импульса управления тиристором с помощью релаксационного генератора импульсов на однопереходном транзисторе с RC‑цепью разрядом заряженного конденсатора RC-цепи на первичную обмотку импульсного трансформатора, цепи рабочей обмотки магнитного усилителя и релаксационного генератора питают от источника выпрямленного напряжения трапецеидальной формы, синхронизированного с напряжением питающей сети, согласно изобретению при появлении импульса питающего напряжения конденсатор RC-цепи заряжают до напряжения срабатывания однопереходного транзистора с постоянной времени, соответствующей максимальному углу регулирования и заданной резистором RC-цепи, а при появлении импульса управления с выхода магнитного усилителя конденсатор дозаряжают до напряжения срабатывания транзистора через другой резистор с постоянной времени, соответствующей минимальному углу регулирования.

В патенте №2313173, заявляемое изобретение относится к электротехники и может быть использовано в устройствах регулирования электрических двигателей с шаговым вращением ротора для высокоточного позиционирования оптических устройств: предметного стола микроскопа и др. Техническим результатом является достижение высокой точности позиционирования простыми средствами. В способе управления электроприводом постоянного тока двигатель подключают к источнику питания коммутатором, управляемым сигналом с широтно-импульсной модуляцией, сформированным вычислительным устройством обратной связи по результату сравнения данных датчика исполнительного устройства с данными цели, при этом интервал между импульсами питания превышает время торможения до полной остановки двигателя.

В патенте №2334349 изобретение относится к области электротехники, а именно к электроприводам переменного тока, в состав которых входит преобразователь частоты, и может быть использовано для пуска и управления работой асинхронных или синхронных электроприводов при рабочих напряжениях 6-10 кВ и мощности до десятков мегаватт. Техническим результатом является снижение стоимости, повышение технико-экономических показателей, уменьшение затрат на текущее эксплуатационное обслуживание электропривода. Высоковольтный электропривод переменного тока с трехфазным электродвигателем содержит источник регулируемого постоянного тока, трехфазный мостовой тиристорный инвертор, коммутирующие устройства, подключенные к выводам переменного тока инвертора последовательно с фазами трехфазной обмотки электродвигателя, датчики токов и напряжений и устройства управления инвертором и коммутирующими устройствами. Каждое коммутирующее устройство содержит конденсатор с двумя выводами и подключенный параллельно ему двунаправленный симметричный, полностью управляемый полупроводниковый ключ. Включение коммутирующего устройство в электроприводе осуществлено так, как указано в материалах заявки для каждого из трех вариантов. В электроприводе для каждого из вариантов обеспечивается защита полупроводниковых ключей при нештатных и аварийных ситуациях.

В патенте №2324271 используется в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве в системах автоматического регулирования для защиты высоковольтных выпрямителей для питания электрофильтров газоочистки и других регулируемых выпрямителей. Непрерывно измеряют фазу прохождения фронта импульса управления a тиристорным ключом преобразовательного агрегата, задаваемую системой автоматического регулирования, фазу фронта импульса тока нагрузки φ и вычисляют значение их разности. Если разность a ‑ φ меньше или равна предельно допустимой величины угла отставания тока нагрузки, это нормальный режим работы. Если разность a ‑ φ больше предельно допустимой величины – холостой ход. В этом случае формируют сигнал
на уменьшение угла управления тиристорным ключом или на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя. Другим отличием предлагаемого способа защиты является то, что непрерывно измеряют, в каждом полупериоде, текущее амплитудное значение напряжения на электрофильтре Uф и соответствующее амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф. Если при заданном значении уровня перенапряжения Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Iа больше нуля, это нормальный режим работы электрофильтра. При этом ограничение амплитудного значения напряжения на электрофильтре осуществляется на уровне, максимально допустимом для данного типа преобразовательного агрегата. Если при заданном значении уровня перенапряжения Ua амплитудное значение импульса тока нагрузки Iф равно нулю – холостой ход. В этом случае формируют сигнал на изменение уровня ограничения перенапряжения на электрофильтре до величины Ua, значительно меньшей допустимого, например порядка тридцати, сорока процентов максимального амплитудного значения напряжения преобразователя, или формируют сигнал на отключение автоматического выключателя в питающей цепи преобразователя. Технический результат – повышение надежности.

В патенте № 2344538 описывается способ управления преобразователем частоты. Технический результат заключается в улучшении начальных условий разгона электродвигателя преобразователем частоты и в замедлении падения скорости вращения приводимого технологического механизма. При управлении преобразователем частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) прерывают рабочий режим управления, сохраняют выходную частоту, снижают выходное напряжение со скоростью, которую ограничивают, поддерживая на заданном уровне напряжение звена постоянного тока, и запирают инвертор, а после восстановления электроснабжения включают инвертор, повышают выходное напряжение и возобновляют рабочий режим управления. Момент запирания инвертора устанавливают путем отсчета заданной задержки от момента снижения выходного напряжения до заданной величины или от момента фиксации нарушения электроснабжения. После восстановления электроснабжения выходную частоту устанавливают равной или пропорциональной ее сохраненному значению или в соответствии с фактической частотой вращения электродвигателя, питаемого преобразователем, и повышают выходное напряжение со скоростью, которую ограничивают, поддерживая на заданном уровне пусковой ток электродвигателя, питаемого преобразователем.

В патенте № 2385528 описывается изобретение, может быть использовано в синхронных машинах и машинах двойного питания. Техническим результатом изобретения является автоматическое изменение процесса регулирования возбуждения машины переменного тока в зависимости от параметров режима машины и (или) питающей электросети, в частности в зависимости от отклонения напряжения и (или) изменения сопротивления питающей линии. В способе автоматического регулирования возбуждения машины переменного тока измеряют в реальном времени реактивный параметр режима и напряжение якоря этой машины, фиксируемое на некотором расстоянии от зажимов якоря в пределах длины питающей линии и воздействуют на ток возбуждения машины переменного тока, при этом изменяют ток возбуждения машины переменного тока при изменении реактивного параметра, стабилизируя этот параметр независимо от изменения напряжения в пределах зоны отклонения измеряемого напряжения, определяемой относительным сопротивлением питающей линии, но не превышающей допустимого отклонения измеряемого напряжения, а вне этой зоны отклонения напряжения воздействуют изменением тока возбуждения на поддержание напряжения, одновременно поддерживая неизменным реактивный параметр.

В патенте № 2382480 описывается изобретение, может быть использовано в мощных высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока, работающих в широком диапазоне регулирования скорости и момента с высокими значениями КПД и коэффициента мощности, в различных областях (энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.), выполненных на базе серийно выпускаемых асинхронных и синхронных двигателей большой мощности и разных классов. Техническим результатом является защита от токов перегрузки, повышение плавности пуска, повышение надежности и эффективности эксплуатации. В регулируемом электроприводе высоковольтное напряжение питания с помощью входного многообмоточного трансформатора понижается в «N»-фазное напряжение 578 В, которое подается на низковольтные силовые ячейки «выпрямитель-инвертор». Низковольтная силовая ячейка представляет собой неуправляемый трехфазный выпрямитель и управляемый однофазный мостовой инвертор на базе IGBT-транзисторных ключей. В зависимости от значения питающего напряжения в каждой фазе электродвигателя находится 3, 6 или 9 последовательно соединенных упомянутых низковольтных силовых ячеек. Универсальная автоматизированная система управления выполнена на базе блока управления с микроконтроллером и разнообразных датчиков и реализует многоуровневое широтно-импульсное управление однофазными мостовыми инверторами упомянутых низковольтных силовых ячеек.

В патенте № 2385529 описывается изобретение, может быть использовано для оптимального цифрового управления асинхронными двигателями. Технический результат заключается в повышении точности оценки частоты вращения асинхронного двигателя. В способе оптимальной оценки частоты вращения измеряют текущие значения напряжений и токов статора двигателя, осуществляют прямое и косвенное вычисления значений реактивной мощности, пропорционально-интегральное преобразование на основе минимизации критерия качества, определяемого по сохраненным ранее двум предыдущим значениям оценки частоты вращения и разности значений прямого и косвенного вычислений реактивной мощности. Система, реализующая способ, содержит блок измерения (БИ), блок преобразования координат (БПК), блоки прямого (БПВРМ) и косвенного вычисления (БКВРМ) реактивной мощности, блок сравнения, блок вычисления оценки (БВО), блок оптимизации параметров оценки (БОПО), первый блок задержки (БЗ1), второй блок задержки (БЗ2).

В патенте № 2412526 описывается устройство управления асинхронным двигателем, содержащее асинхронный двигатель и преобразователь частоты и напряжения, управляющие входы которого соединены соответственно с выходами второго и третьего сумматоров, первый вход второго сумматора соединен с функциональным преобразователем, первый вход третьего сумматора соединен с выходом первого сумматора, первый вход которого соединен с источником сигнала задания, а также датчики тока статорной обмотки двигателя, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя тока, второй выход которого соединен со вторым реверсивным входом четвертого сумматора, первый вход которого соединен с источником сигнала ограничения тока статора, а выход четвертого сумматора соединен с входом второго статического нелинейного преобразователя, выход которого соединен с входом пропорционально-интегрального регулятора, отличающееся тем, что первый выход функционального преобразователя тока соединен с входом статического преобразователя и с входом первого статического нелинейного преобразователя, выходы которых соединены со вторыми входами второго и третьего сумматоров соответственно, выход пропорционально-интегрального регулятора соединен со вторым входом первого сумматора.

В патенте № 2408968 описывается повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты, содержащий девять двунаправленных ключей, образующих три звезды, отличающийся тем, что на его вход введены коммутируемые LC-цепи, состоящие из последовательно соединенных с каждой фазой входа накопительного реактора и накопительного конденсатора, а также трехфазного мостового диодного выпрямителя с транзистором на выходе, при этом накопительные реакторы и накопительные конденсаторы включены последовательно между питающей сетью и входами классического непосредственного преобразователя частоты, а к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя с транзистором на выходе.

В патенте №2441775 изобретение относится к области частотно-регулируемых электроприводов и может быть использовано на электрическом транспорте. Устройство управления содержит блок силового источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением, блок силового фильтра постоянного тока, блоки автономных инверторов напряжения, блоки электродвигателей, блок слаботочного источника питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением, блок формирования управляющих синусоидальных многофазных сигналов переменной частоты и блок согласования. Блок силового источника питания постоянного тока выполнен с возможностью преобразования переменного тока в постоянный без регулирования величины напряжения постоянного тока на его выходе. Блок слаботочного источника питания постоянного тока выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения в зависимости от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты. Технический результат заключается в сокращении массогабаритных характеристик, повышении надежности и снижении электропотребления в устройстве управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

В патенте №2444115 изобретение относится к области преобразовательной техники, применяемой в реверсивном комплектном электроприводе постоянного тока. Устройство содержит шесть пар тиристоров и шесть каналов управления ими. Каждая пара получена встречно-параллельным соединением тиристоров разных комплектов. Каждый канал кроме системы импульсно-фазового управления содержит формирователь широких управляющих импульсов и импульсный селектор. Такое исполнение позволяет обеспечить технический результат - работу преобразователя без прерывистого тока нагрузки и уравнительного тока, которые имеют место в известных схемах реверсивных преобразователей.

В патенте №2449456 изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления тиристорными выпрямителями, выполненными по трехфазной нулевой схеме. Технический результат - повышение помехоустойчивости устройства синхронизации (УС) для трехфазных управляемых выпрямителей с нулевым выводом. В состав УС входят прямые А, В, С и инверсные , , шины трехфазной системы напряжений, шесть интегрирующих развертывающих преобразователей, формирующих шины , , , шесть компараторов и три блока функции «2И». Технический результат достигается за счет того, что между шинами А, В, С и , , включены адаптивные апериодические фильтры первого порядка на основе синхронизированных сетью интегрирующих развертывающих преобразователей с постоянными времени, зависящими от параметров напряжения сети.

В патенте №2450316 изобретение относится к устройствам импульсного регулирования мощности при питании нагрузки от нерегулируемого источника постоянного тока и может найти применение, в частности, в регулируемых электроприводах постоянного тока. Устройство управления однофазным импульсным преобразователем содержит генератор пилообразного напряжения, выполненный на интеграторе с пороговым элементом, и компаратор. Для достижения технического результата - расширения функциональных возможностей с получением требуемой зависимости частоты напряжения преобразователя от коэффициента заполнения при частотно-широтном регулировании - между управляющим напряжением и входом интегратора введен блок деления управляющего напряжения на амплитудное значение пилообразного напряжения и преобразователь с функцией преобразования, пропорциональной требуемой зависимости частоты напряжения преобразователя от коэффициента заполнения. Устройство управления многофазным импульсным преобразователем содержит генераторы пилообразного напряжения, выполненные на интеграторах, и компараторы по числу фаз импульсного преобразователя, причем входы всех интеграторов подсоединены к выходу функционального преобразователя с функцией преобразования, пропорциональной требуемой зависимости частоты напряжения преобразователя от коэффициента заполнения, а вход обнуления каждого последующего интегратора соединен с выходом компаратора, формирующего управляющее напряжение для ключевого элемента предыдущей фазы преобразователя.

Произведен полный патентный поиск аналогов среди отечественных изобретений. Анализ просмотренных материалов показал, что рассмотренные разработки не отвечают всем требованиям, предъявляемым к современным ЭП буровой лебедки. Таким образом, проведенный патентный поиск подтвердил необходимость аналитического и экспериментального исследования управляемого электропривода по системе ТП-ДПТ для регулирования частоты вращения буровой лебедки, и целесообразность выбранного направления разработки ввиду того, что на сегодняшний момент широко уделяется внимание внедрению оптимальных систем, отвечающих таким показателям, как надежность, безотказность, плавность регулирования, экономичность и высокая производительность.

2.1 Обзор публикаций

Результаты просмотра статей, опубликованных в журналах и источниках интернета, сведены в таблицу 2.2

Таблица 2.2 – Обзор статей

Название журнала или источника	Страна	Название статьи и краткое описание
Питкин А.Н. Павлюшенко М.А. Радченко В.Н. «Нефтяное хозяйство» 1210/2000	Россия	«Буровые лебедки ОАО «Уралмаш» с регулируемым приводом» В статье [5] рассматривается характерные особенности условий работы электропривода буровой лебедки. Рассмотрен принцип работы нерегулируемого электропривода и его недостатки. Указывается то, что в настоящее время наиболее распространенным и совершенным признаны регулируемые электропривод лебедки. В ней приведены кинематические схемы лебедок типа БУЗООЭ, БУЗООДЭ, БУ‑15000, БУ‑8000/500ЭР, БУ‑6500. Приведены особенности регулируемого электропривода лебедки, рассмотрены достоинства привода управляемого во всех четырех квадрантах. Представлены инструментальные исследования буровой установки типа БУ-3200/200ЭУК-ЗМА с реверсивным электроприводом лебедки, оснащенной зубчатым редуктором
Суменков Н.Г. Скоробогатов В.А. 611/2000	Россия	«Буровые установки ОАО «Уралмаш» нового поколения» В статье [6] описаны новые разработки буровых установок: кустовые буровые установки в блочно-модульном исполнении типа БУ 3900/225 БМ, БУ 3200/200 с приводом постоянного тока; буровая установка смешанного исполнения для бурения одиночных скважин и небольших кустов типа БУ 2900/175 ДЭР с приводом постоянного тока; передвижная буровая установка «Уралмаш-2500/160 ДП–БМ» с дизель-гидравлическим приводом
Абрамов Б.И. Авдийский Е.И. Коган А.И. и др. «Электротехника» 1/2001	Россия	«Современное и перспективное электрооборудование установок для бурения скважин глубиной до 3900 м» В статье [7] рассматривается электрооборудование буровых установок с глубиной бурения до 3900 м. Описаны новые технические решения в рассматриваемом электрооборудовании. Также подробно описывается электрооборудование буровой установки типа БУ 3900/200
Суменков Н.Г. Скоробогатов В.А. «Электротехника» 3/2002	Россия	«Концепция развития работ по созданию современных электротехнических комплексов для буровых установок» В статье [8] приведена концепция развития работ по созданию современных электротехнических комплексов для буровых установок. На примерах последних разработок ОАО «Электропривод» г. Кушинск Свердловской области рассматриваются, как решаются задачи, возникающие при реализации указанных направлений
Зюзев А.М. Липанов В М. Метельков В П. Поляклв В.Н. Попов А.С. Шутько В.Ф. «Электротехника» 7/2003	Россия	«Программный комплекс для исследования эксплуатационных режимов электроприводов буровых установок» В статье [9] описан программный комплекс, который предназначен для проведения проектных исследований электроприводов буровых установок, выполненных на базе двигателей постоянного тока с тиристорным управлением. Данный комплекс включает в себя математические модели буровой лебедки, ротора и бурового насоса
Шевырев Ю.В. 12/2004	Россия	«Математические модели электротехнических комплексов горных машин и буровых установок с тиристорным электроприводом постоянного тока» В статье [10] отличительной чертой математического описания исследуемых электротехнических комплексов с тиристорным электроприводом постоянного тока, получающих питание от источника электроэнергии соизмеримой мощности, является раздельное изучение переходных электромеханических и установившихся электромагнитных процессов. Система соизмеримой мощности – система, которой присущи: низкий средний коэффициент мощности (0,5-0,6), значительное отклонение напряжения сети от номинального (15-20%), искажение синусоидальной формы напряжения
«Новости Электротехники», 2/2005	Россия	«Высоковольтные преобразователи для частотно-регули-руемого электропривода. Построение различных систем» В статье [11] рассматривается тенденции подхода применения регулируемых ЭП с ВПЧ, их эффективное применение. Рассмотрены виды преобразователей частоты
«Электро», 6/2009	Россия	«Применение регулируемого электропривода» В статье [12] рассмотрены общие тенденции развития электропривода. На примерах показан один из эффективных способов энергосбережения, а именно, регулируемый электропривод
Головинов Е.О., Зайцев А.И ГОУ ВПО «ВГТУ» Воронеж 2010	Россия	«Энергосберегающий электропривод буровой лебёдки, Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники» [13]
Сибикин Ю.Д Сибикин М. Ю. «Форум» 2012		«Технология энергосбережения» В статье [14] рассмотрены вопросы энергосбережения в энергетике, использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, ее учета и реализации. Приведены законодательные и нормативные основы энергосбережения, описаны практические способы реализации энергосберегающей политики на промышленных предприятиях

Произведенный поиск литературных источников показал актуальность применения регулируемого электропривода буровой лебедки, по системе ТП-ДПТ. И подтвердил необходимость аналитического и экспериментального исследования управляемого электропривода по системе ТП-ДПТ для регулирования частоты вращения буровой лебедки, и целесообразность выбранного направления разработки ввиду того, что на сегодняшний момент пристально уделяется внимание внедрению оптимальных систем, отвечающих таким показателям, как надежность, безотказность, плавность регулирования, экономичность и высокая производительность.

Дата добавления: 2015-08-29