Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 2 (спецвып.)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ПРИВОДА
ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ
БУРОВЫХ УСТАНОВОК
ВРАЩАТЕЛЬНОГО
ДЕЙСТВИЯ

А.М. Соловьев
И.М. Соловьев

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

С 60 

622.24:621.3 
С 60 
 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 
 
 
 
 
Соловьев А.М., Соловьев И.М.  

Совершенствование привода геологоразведочных буровых 

установок вращательного действия // Горный информационноаналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 2. —
28 с.— М.: издательство «Горная книга» 

ISSN 0236-1493 
 
Приведены результаты экспериментальных исследований частотно 
регулируемого привода применительно к буровым установкам на твердые 
полезные ископаемые, разработана математическая модель для определения необходимых параметров привода при его настройке и энергосбережению, предложены методы анализа осциллограмм несинусоидального тока 
в целях повышения энергетической эффективности тиристорного плавнорегулируемого привода. 
 

УДК 622.24:621.3

©  А.М. Соловьев, И.М. Соловьев, 
2013 
©  Издательство «Горная книга», 
2013 

ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

УДК 622.24:621.3 
© А.М. Соловьев, 2013 
 

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ  
В МОДЕРНИЗАЦИИ ПРИВОДА БУРОВЫХ 
ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ УСТАНОВОК 
ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ 
 

Среди всех применяемых в геологоразведке приводов осуществить плавное регулирование скорости без серьезных потерь возможно при использовании гидропривода, механического вариатора или регулируемого электропривода. В 
Российской Федерации наибольшее распространение получил электропривод, 
поэтому, в совокупности с его высокими энергетическими параметрами, регулируемый электропривод переменного тока является одним из наиболее перспективных направлений. 
Ключевые слова: привод буровых установок, регулируемый привод, модернизация, буровые геологоразведочные работы. 
 
Привод эксплуатируемых в отрасли буровых установок на 
твердые полезные ископаемые представлен электродвигателями, 
двигателями внутреннего сгорания и гидравлическими двигателями. 
Привод от двигателей внутреннего сгорания, ввиду высокой 
мобильности, применяется на стадиях поиска и предварительной 
разведки месторождений полезных ископаемых в силу слабой освоенности района и рассредоточенности коммуникаций, а также в 
городских условиях. 
Однако он имеет ряд существенных недостатков: низкий моторесурс по сравнению с электродвигателями, что на порядок увеличивает стоимость обслуживания и ремонтов таких буровых установок; низкую экономичность – повышенное удельное потребление топлива на единицу мощности; ступенчатое регулирование 
скорости вращения исполнительных механизмов, что не позволяет 
точно подобрать технологический режим бурения и максимально 
использовать мощность приводного двигателя; загрязнение воздушного бассейна вредными и ядовитыми продуктами; низкие динамические качества при переменных режимах работы; большой 
шум (100 дБ, что значительно выше допустимой нормы 85 дБ) 
снижает трудоспособность буровой бригады и производительность 
труда в целом; повышенную пожароопасность. 

Гидропривод используется в основном на самоходных буровых установках. Он обеспечивает плавное регулирование частоты 
вращения бурильной колонны, имеет небольшой удельный вес и 
хорошие динамические параметры, но в силу особенностей своей 
конструкции – двигатель внутреннего сгорания (или электродвигатель), приводящий в движение насос, который, в свою очередь, 
через гидропередачу вращает гидромотор – имеет пониженный 
КПД, и имеет ряд своих недостатков: высокую сложность конструкции – и, как следствие, повышенную цену, сложность обслуживания и ремонтов; утечки и нагрев рабочей жидкости (что в 
ряде случаев требует применения специальных охладительных 
устройств и средств тепловой защиты), особенно при высоких 
значениях давления; необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха. 
В бурении в различных условиях применяется породоразрушающий инструмент широкого ассортимента, для эффективного 
использования которого необходимо учитывать наивыгоднейшие 
технологические режимы работы в породах всех разновидностей 
Известно, что система буровой станок — буровой снаряд при 
определенных частотах вращения попадает в зону резонансных 
колебаний, резко увеличивающих потребляемую мощность, а 
также динамические нагрузки на узлы станка и буровой снаряд, 
что особенно опасно для алмазных коронок. Выход из зон резонансных колебаний путем переключения на низшую передачу в 
существующих станках приводит к резкому снижению производительности бурения. Увеличение диапазона частоты вращения 
бурового снаряда, естественно, приводит к увеличению количества зон резонансных колебаний. Применение регулируемого 
привода позволяет выходить из зон резонансных колебаний изменением частоты вращения на 30—40 об/мин практически без 
снижения производительности бурения. 
Главное направление устранения этих недостатков — разработка и использование автоматизированного плавно регулируемого привода. 
Проблема плавного регулирования частоты вращения бурового снаряда может быть решена применением механического 
вариатора, гидропривода или регулируемого электропривода. 

В настоящее время все чаще применяется плавное регулирование буровых установок с помощью механических, электромагнитных или гидравлических вариаторов – это позволяет точно 
подобрать величину подачи и обеспечить заданный технологический режим бурения, но современные вариаторы имеют сниженный коэффициент полезного действия, по сравнению с плавно 
регулируемым электроприводом. 
Такие приводы состоят из нерегулируемого синхронного или 
асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и устройства, 
преобразующего постоянную частоту вращения электродвигателя 
в переменную частоту вращения насоса. К таким устройствам относятся механические и гидравлические вариаторы, гидравлические и электромагнитные муфты скольжения различных типов. 
Основным преимуществом таких электроприводов является 
их низкая стоимость и возможность использования наиболее простых и надежных нерегулируемых электродвигателей любого типа. К недостаткам этой группы электроприводов относится наличие потерь скольжения. 
Гидродвигатели и гидротрансформаторы получили значительное распространение в зарубежной практике благодаря компактности, малой массе на единицу мощности и хорошим механическим характеристикам, удовлетворяющим требованиям технологии бурения. Гидросистемы с объемным регулированием 
легко осуществляют реверсирование, имеют высокую плавность 
и широкий диапазон регулирования. Недостатками гидропривода 
являются сложность и трудоемкость в изготовлении, малый ресурс работы и, следовательно, низкая надежность. 
Наиболее плавно и просто регулирование частоты вращения 
может быть достигнуто при применении в качестве привода электродвигателей постоянного тока. 
Регулирование введением дополнительного резистора в 
якорную цепь применяется редко из-за своей неэкономичности. 
Преобразование переменного напряжения в регулируемое напряжение постоянного тока могут быть достигнуты с помощью 
системы генератор-двигатель, либо с помощью тиристорных преобразователей (ТП-Д). Последним при разработке привода отдавалось предпочтение, поскольку они компактны, надежны и 
имеют высокий коэффициент полезного действия. 

Система ТП-Д была использована и в плавнорегулируемом 
приводе буровой установки УКБ-7. Производственные испытания которой показали, что за счет более полного использования 
установленной мощности привода, обеспечения параметров режима, близких к оптимальным, легкого выхода из зон резонанса 
механических колебаний скорость бурения возросла на 25 %, а 
потребление энергии на бурение снизилось до 40 % по сравнению 
с применением буровых установок с традиционным электроприводом. Однако при этом было установлено, что использование 
двух родов тока в полевых условиях при передвижном характере 
работ затрудняет эксплуатацию бурового оборудования и снижает его надежность, что в конечном итоге существенно нивелирует 
отмеченные достоинства плавно регулируемого привода постоянного тока. 
В конструкции электродвигателя постоянного тока имеется 
коллектор и щеточный аппарат, что усложняет эксплуатацию 
электропривода, поэтому широкого распространения в буровых 
установках электроприводы постоянного тока не получили. 
Более перспективным по сравнению с плавнорегулируемым 
электроприводом постоянного тока является использование новых разработок плавнорегулируемого привода на основе двигателей переменного тока, т.к. регулирование частоты вращения 
асинхронных двигателей изменением частоты тока в питающей 
сети является наиболее экономичным способом регулирования и 
позволяет получить хорошие механические характеристики электропривода по диапазону и плавности. 
Наиболее перспективным способом регулирования асинхронных двигателей является способ изменения частоты питающей сети с помощью управляемых тиристорных преобразователей, что с успехом осваивается в практике бурения на нефть. 
В последнее время наибольшее распространение в практике 
отечественного и зарубежного электромашиностроения получили 
частотные преобразователи на IGBT-модулях (биполярных транзисторах с изолированным затвором). 
Преобразователь частоты на базе АИН на IGBT-модулях с 
широтно импульсной модуляцией и векторным алгоритмом 
управления асинхронным электродвигателем имеет преимущества по сравнению с другими типами преобразователей. Он харак

теризуется высоким значением коэффициента мощности во всем 
диапазоне изменения выходной частоты. 
Частотно-регулируемый электропривод является эффективным средством повышения плавности выбора режимов работы 
станка и ограничения динамических перегрузок, что увеличивает 
долговечность станка и породоразрушающего инструмента. Такой электропривод позволяет легко формировать оптимальные 
характеристики для лебедки и вращателя, переход на которые 
осуществляется простым переключением. Кроме того, исключается малонадежный узел — фрикцион и упрощается коробка передач, что улучшает кинематику станка. 
 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1. Лимитовский А.М. Электрооборудование и электроснабжение 
геологоразведочных работ: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и 
доп. — М.: Издательство А и Б, 1998. — 304 с. 
2. Ильский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе. — М.: Высш. шк. 1989. — 127 с., ил. 
3. Ильский Н.Ф. Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: учеб. пособие для высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 208 с. 
4. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. — 392 с., ил. 
5. Фираго Б.И. Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. — Мн.: Техноперспектива, 2006. — 363 с. 

УДК 621.313.3:621.341.572 
© А.М. Соловьев, И.М. Соловьев,  
2013 
 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕКТОРНОГО  
УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО- 
РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА  
В БУРЕНИИ 
 

Современные частотные преобразователи на основе IGBT-модулей позволяют 
осуществить векторный режим регулирования при котором управление скоростью осуществляется с помощью регулирования амплитуды и фазы вектора поля двигателя. Такое управление является наиболее точным. Математическая модель поможет определить необходимые параметры привода при его настройке и 
поможет в определении ожидаемого результата по энергосбережению. 
Ключевые слова: энергосбережение, плавное регулирование, векторное управление. 
 
Основной параметр в работе любого электродвигателя – его 
момент – определяется амплитудой и фазой тока магнитного потока. В трехфазных асинхронных электродвигателях (АД) с короткозамкнутым ротором токи и потокосцепления статора и ротора имеют разные угловые скорости вращения, кроме того их 
фазовые параметры также различны, изменяются во времени и не 
подлежат непосредственному измерению и управлению. Легко 
изменяемым является лишь ток статора, составляющие которого 
образуют магнитный поток и момент. 
Таким образом, необходимо обеспечить управления амплитудой и фазой тока статора асинхронного электродвигателя, т.е. 
оперировать векторными величинами. 
 

 
Рис. 1. Т-образная схема замещения асинхронного электродвигателя 

Рис. 2. Г-образная схема замещения асинхронного электродвигателя 
 
На рис. 1 обозначены: R1 и R2 – активные сопротивления обмоток статора и ротора; X1 и X2 – индуктивные сопротивления 
рассеяния статора и ротора; S – скольжение. 
Электромагнитный момент АД через параметры схемы замещения определяется выражением: 

2
2

0
3
=
ω
U I
M
, 

где U2 – индуцированное напряжение ротора, I2 – ток ротора,  ω0 – 
угловая скорость поля статора. 
Для того, чтобы установить связь тока I1 статора с моментообразующими I2 и U2 роторной цепи – используем Г-образную 
схему замещения АД (рисунок 2). За счет выбора коэффициента 
привидения a = L12/L2 индуктивное сопротивление X2 обращается 
в ноль и U2=E2. 

2
'
12
1
0
1
2
⎛
⎞
= ω
−
⎜
⎟
⎝
⎠

L
X
L
, 

2
'
12
0 2
μ = ω L
X
, 

2

'
12
2
2
2
⎛
⎞
= ⎜
⎟
⎝
⎠

L
R
R , 

2
'
12
2
2
12
=
L
E
E L
. 

В схеме введены новые параметры: I1 – ток статора – представлен двумя составляющими: I1m – образующий момент; Iψ – 
образующую поток ротора. 

2
1
2
12
= −
m
L
I
I L
 

2
0
2
= −ω ψ
E
 
 (1) 

2

0
12
ψ = − ω

E
I
L
 
 (2) 

Из уравнений 1 и 2 определяется потокосцепление ротора: 

2
12
ψ
ψ = L I  
Момент определяется из уравнения: 

12
1
2
3
ψ
=
m
L
M
I I
L
 

Из уравнения момента видно, что его величина может управляться двумя ортогональными составляющими тока статора. 
Из векторной диаграммы (рис. 3) видно: 
I1m = I1cosγ 

или 
2
1
2
12
2
= −
m
L
S
I
E
L
R  

Из вышеописанного выводим: 

2
1
0
2
ψ
= −
ω
m
L
I
S
I
R
 

Теперь определим угол через 
параметры нагрузки двигателя и 
его ротора: 

2

2
0
0

1
γ = −
= − −
ω
ω
p

R
tg
L S
T S
 

где Тр – электромагнитная постоянная времени обмотки ротора. 
Рассмотренная выше концепция векторного управления асинхронного двигателя верна как для 
установившегося режима работы 
так и для переходных режимов. 
Обычно векторное управление реализуется на базе автономных инверторов с широтно-импульсной модуляцией напряже
Рис. 3. Векторная диаграмма 
асинхронного двигателя