Разработка и исследование электропривода для нефтедобывающих насосов с погружным магнитоэлектрическим двигателем
На правах рукописи
Окунеева Надежда Анатольевна
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ДЛЯ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ НАСОСОВ С ПОГРУЖНЫМ
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ
Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена на кафедре “Электротехнические комплексы автономных объектов” Московского энергетического института (технического университета).
| Научный руководитель | кандидат технических наук, доцент Сугробов Анатолий Михайлович |
| Официальные оппоненты | доктор технических наук, доцент Козаченко Владимир Филиппович кандидат технических наук Петленко Артём Борисович |
| Ведущая организация | ООО «Борец» г. Москва |
Защита диссертации состоится « 27 » июня 2008 года в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Энергетического института (технического университета)
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ)
Автореферат разослан «___» мая 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.157.02
канд. техн. наук, доцент Цырук С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46%.
Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является задача рационального использования истощенных месторождений и залежей с тяжело добываемой нефтью. В связи с этим все более значимыми являются вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации более надежного нефтепромыслового оборудования, обладающего улучшенными выходными характеристиками, эффективность которого, в том числе экономическая, определяет эффективность всего процесса эксплуатации нефтяного месторождения.
В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются установки погружных центробежных (УЦН) и винтовых насосов (УВН). За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.
Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.
Суммируя требования, изложенные в различных источниках, можно заключить, что электропривод нефтедобывающих насосов должен обладать следующими основными качествами:
- быть регулируемым в широком диапазоне частот вращения (1:8) и нагрузок (1:10);
- КПД электропривода и коэффициент мощности электродвигателя должны оставаться высокими при всех основных режимах эксплуатации;
- обеспечивать длительную работу при минимальных частотах вращения и минимальных расходах охлаждающей (пластовой) жидкости;
- иметь малые потери в длинной силовой линии связи погружного электродвигателя с поверхностью;
- отношение вращающего момента электродвигателя в кратковременном режиме перегрузки к номинальному значению должно быть не менее 2;
- обеспечивать возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям функционирования для оптимизации режима работы насосной установки;
- электродвигатель должен обладать свойствами, позволяющими применить достаточно простые, но эффективные алгоритмы управления.
Помимо обеспечения указанных качеств важно минимизировать себестоимость электропривода, что обусловливает необходимость применения соответствующей полупроводниковой элементной базы, материалов и выбора рациональной структуры привода, обеспечения высокой технологичности его изготовления.
До настоящего времени для привода нефтедобывающих насосов, как правило, используются погружные асинхронные электродвигатели серии ПЭД. Этому типу привода присущи невысокие КПД и коэффициент мощности, большие пусковые токи, относительно большая длина электродвигателя, а также сложность реализации алгоритма эффективного управления.
Таким образом, в связи с возрастающими требованиями в повышении эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время погружные асинхронные двигатели, не удовлетворяют запросам потребителей. Поэтому необходима и актуальна разработка нового электропривода насосов с погружными электродвигателями, отвечающего современным требованиям.
Цель диссертационной работы
Разработка и исследование электроприводов, обладающих высокими потребительскими свойствами, для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными электродвигателями.
Для достижения поставленной цели в работе потребовалось решить следующие задачи:
1. Выбрать тип электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.
2. Обосновать рациональные конструкции магнитных систем электродвигателей погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обеспечивающие заданные показатели качества.
3. Разработать математическую модель электромагнитных процессов для исследования и проектирования электропривода с погружным магнитоэлектрическим двигателем (МЭД), учитывающую конструктивные особенности и алгоритмы управления электроприводом, разработать схемы замещения исследуемых магнитных систем, проверить адекватность разработанной модели.
4. Дать рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем и электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления вентильным электроприводом (ВЭП).
5. Спроектировать и исследовать погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.
Объект исследования
Объектом исследования в работе является вентильный электропривод для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными маслозаполненными МЭД.
ВЭП состоит из наземной и подземной (погружной) части. В состав наземной части входит станция управления, которая подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц и повышающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку цепей. Погружная часть ВЭП состоит из МЭД и линии передачи.
Особенности конструкций разработанных МЭД заключаются в следующем:
– погружной двигатель заполняется трансформаторным маслом под давлением около 25 МПа, а снаружи охлаждается прокачиваемой между корпусом и обсадной трубой скважины пластовой жидкостью с температурой до 135С;
– регулирование выходных характеристик ВЭП осуществляется с помощью бездатчикового способа управления;
– при существенно большой мощности (от 16 до 400 кВт) погружные МЭД выполняют в корпусе малого диаметра (92, 103, 117 и 130 мм), но большой длины (до 6 м);
– в магнитных системах используются статор с закрытыми пазами и ротор с замкнутыми для размещения постоянных магнитов окнами;
– магнитопровод набирается из тонколистовой электротехнической стали так же, как выполняются магнитные системы погружных асинхронных двигателей.
Методы исследования
Комплексное исследование электропривода на базе МЭД включает в себя анализ электромагнитных процессов с помощью аналитических методов исследования, базирующихся на методе мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в МЭД проводились с помощью специально разработанных математических моделей, основанных на методе эквивалентных схем замещения, и с применением пакета конечно-элементного анализа ELCUT.
Достоверность полученных результатов
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обосновывается хорошим совпадением результатов теоретического исследования и экспериментальных данных, полученных на опытных образцах для различных режимов работы привода.
Научная новизна и практическая ценность
1. Обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.
2. Разработаны рациональные конструкции технологичных в изготовлении магнитных систем погружных МЭД с высокими энергетическими показателями, предназначенных для работы в составе ВЭП УЦН и УВН.
3. Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверена адекватность разработанной модели.
4. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружных МЭД с учетом особенностей их применения, а также по алгоритму управления ВЭП.
5. С использованием разработанной математической модели спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к электродвигателям подобного назначения.
Внедрение результатов работы:
Разработанные математические модели реализованы в виде комплекса программ и готовы для использования на персональном компьютере. Их использование позволяет проводить исследования и проектирование МЭД погружного исполнения рассмотренных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.
Результаты диссертационной работы использованы:
1. При серийном производстве ГК «БОРЕЦ» погружных МЭД серии 1ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 18, 26, 36, 45, 72, 110, 128, 180 и 20 кВт (5003500 об/мин) для центробежных насосов, и серии 2ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 10, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56 и 70 кВт (2501500 об/мин) для винтовых насосов. Электродвигатели в габаритах 103 и 130 мм находятся на стадии производства и испытания.
2. При разработке ООО «РИТЭК-ИТЦ» типоразмерных рядов МЭД для погружных центробежных и винтовых насосов в корпусах диаметром 92, 117 мм, мощностью 16, 24, 40, 48 и 64 кВт.
3. ФГУП «Альфа» при проведении работ, связанных с разработкой вентильного электропривода специального назначения и поиском рациональных режимов управления электроприводом со сходной магнитной системой.
Разработанное в рамках данной работы программное средство учебного назначения (ПСУН) реализовано в учебном процессе на кафедре ЭКАО МЭИ (ПСУН «Программа моделирования электромагнитных процессов в вентильных синхронных машинах с возбуждением от постоянных магнитов»), а также используется при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в данной области.
Область применения результатов:
Основной областью применения результатов работы является ВЭП для нефтедобывающих погружных насосов. Кроме того, разработанные математические модели, а также результаты расчетных исследований по определению влияния параметров на выходные характеристики, могут быть использованы при проектировании и исследовании ВЭП другого назначения.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Обоснование выбора типа электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.
2. Рациональные конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.
3. Математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД. Результаты проверки адекватности разработанной модели.
4. Результаты математического моделирования ВЭП на базе спроектированных МЭД.
5. Рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления ВЭП.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского Энергетического института (технического университета), а также на следующих конференциях: одиннадцатая, двенадцатая, тринадцатая и четырнадцатая международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ март 2005-2008 гг.
Публикации
По результатам проведенных исследований и теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименования. Ее содержание изложено на 201 странице машинописного текста, включая 92 рисунка, 26 таблиц и 4 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, дана общая характеристика работы.
В первой главе проведен обзор современного состояния электропривода с погружными электродвигателями для нефтедобычи: проанализированы функции, выполняемые приводом в составе насосной установки, условия работы, а также сформулированы требования, предъявляемые в настоящее время к погружным электродвигателям (ПЭД) для скважинных насосных установок.
Основными свойствами, определяющими рациональность и эффективность применения электропривода (ЭП) того или иного типа, является КПД, а также возможности ЭП по регулированию производительности насосной установки.
Особенности области применения обуславливают использование электродвигателей нетрадиционного по сравнению с общепромышленным исполнения, предполагающего принятие специальных конструктивных решений, специфику которых необходимо учитывать при расчете и проектировании.
До последнего времени в большинстве случаев в составе ЭП для погружного электронасоса используются погружные асинхронные двигатели (АД) серии ПЭД. Даже при решении задачи регулирования производительности, характеризующейся высокой сложностью реализации алгоритма эффективного управления, достигаемый при синхронной частоте вращения 3000 об/мин КПД не превышает 0,750,85, а максимальный cos находится в пределах 0,720,85; а при частоте вращения 1500 об/мин КПД и cos составляют 0,60,73, что при сравнительно низких удельных показателях (значительной длине электродвигателя) все меньше удовлетворяет современным требованиям.
В ряде областей техники замена электропривода на основе АД регулируемым ВЭП с МЭД дает ощутимый положительный эффект. Поэтому в качестве объекта исследования был выбран данный тип электропривода.
Большой вклад в создание и развитие теории ВЭП и МЭД внесли
российские ученые Балагуров В.А., Бут Д.А., Гриднев А.И., Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф., Ларионов А.Н., Лебедев Н.И., Лозенко В.К., Лохнин В.В., Нестерин В.А., Овчинников И.Е., Остриров В.Н. и др.
Работы по внедрению вентильных электроприводов для нефтедобывающих насосов в России начались во второй половине 90-х годов ХХ века и велись специалистами ООО «РИТЭК-ИТЦ» по заказу ОАО «Лукойл», ОАО «АЛНАС» и ЗАО КБ «Нефтемаш», ГК «Борец», ФГУП «НПП ВНИИЭМ», ЗАО «Новомет-Пермь». Значительный вклад в разработку погружных МЭД различных конструкций для ВЭП УЦН и УВН внес также сотрудник кафедры ЭКАО МЭИ (ТУ) Русаков А.М., впервые разработавший погружной низкооборотный МЭД в составе ВЭП для УВН. В период 2000-2007гг. под его руководством был проведен ряд НИР и ОКР по заказу ООО «РИТЭК-ИТЦ» и ГК «Борец» при непосредственном участии автора диссертации.
За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных электропогружных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.
Во второй главе обоснована структура ВЭП. Приведен рациональный вариант структурной схемы ВЭП с погружным электродвигателем, учитывающий характер выполняемых задач и особенности условий работы ЭП (рис. 1). В состав наземной части ВЭП входит станция управления и трансформатор (ТV), обеспечивающий гальваническую развязку в системе и при необходимости повышающий напряжение. В свою очередь станция управления содержит неуправляемый полупроводниковый выпрямитель (В), импульсный регулятор тока (РТ), инвертор (И), систему управления (СУ), датчики напряжения (ДН) и тока (ДТ1 и ДТ2). В скважине находятся электрический двигатель (ЭД), насос (Н) и погружной блок телеметрии (ПБТ). Погружная и наземная части соединяются линией передачи энергии (ЛП).
Рис. 1. Структурная схема ВЭП
Отличительной особенностью данного ЭП является наличие позиционной обратной связи, при которой переключение ключей инвертора происходит в соответствии с угловым положением ротора относительно статора. Так как станция управления находится на значительном удалении от ЭД, обратная связь должна организовываться с помощью алгоритмов т.н. «бездатчикового управления», при котором момент переключения ключей инвертора определяется по мгновенным значениям ЭДС фазных обмоток.
Наиболее простым образом алгоритм бездатчикового управления реализуется при 120-градусной коммутации ключей инвертора. В этом случае определяются моменты времени, в которых ЭДС вращения в отключенной фазе переходит через ноль, измеряется интервал времени между очередными переходами, и с учетом заданного угла включения фазы производится очередная коммутация. Кроме того, при 120-градусной коммутации возможен отказ от использования широтно-импульсной модуляции тока в фазных обмотках, приводящий к дополнительным потерям в ЛП.
Управление ВЭП производится при рациональном угле включения фазы, который автоматически корректируется в зависимости от величины нагрузки и частоты вращения. Обеспечение заданной производительности насоса при изменении условий добычи осуществляется за счет поддержания вращающего момента двигателя на требуемом уровне, т.е. стабилизации потребляемого тока на входе инвертора.
По результатам проведенного обзора различных типов электрических машин, возможных для использования в составе ВЭП, в качестве наиболее перспективного варианта, выбран МЭД, который не потребляет энергии на возбуждение, имеет повышенный КПД и лучшие массогабаритные показатели. К недостаткам МЭД можно отнести сравнительно большую стоимость магнитов, а также ограничения по максимальной рабочей температуре при использовании в жестких условиях эксплуатации. Несмотря на это, применение погружных МЭД в составе ВЭП является возможным и целесообразным.
Существует большое разнообразие вариантов конструкций МЭД, отличающихся, главным образом, конструкцией ротора. В результате проведенного анализа уже применяющихся в различных областях техники и других вариантов магнитных систем были выявлены рациональные конструкции роторов (рис. 2).
Особенностью предлагаемых магнитных систем является то, что ротор, как и статор, выполняется шихтованным. Магниты устанавливаются на клею в специально отведенных окнах, что позволяет отказаться от применения бандажа.
ЭД разбивается на секции, разделенные подшипниками скольжения, а в пределах секции – на отдельные модули, поворот которых на часть зубцового деления статора равнозначен скосу пазов. Секции выполняются в виде отдельных сборочных единиц, что упрощает изготовление и контроль.
К недостаткам рассмотренных магнитных систем можно отнести наличие магнитопроводных перемычек, приводящих к появлению дополнительных потоков рассеяния.
Выбор типа магнитопровода ротора осуществляется с учетом конкретных требований и ограничений. С позиций технологичности и стоимости более предпочтительными являются конструкции роторов с призматическими магнитами.
По результатам анализа характеристик материалов, используемых на сегодняшний день при изготовлении ПМ, и качественного сравнения как наиболее приемлемые при использовании в составе погружных МЭД были выбраны высококоэрцитивные постоянные магниты на основе сплавов Nd-Fe-B и Sm-Co. С учетом температурного коэффициента индукции они обладают сопоставимыми магнитными характеристиками, однако по стоимости и доступности на рынке Sm-Co проигрывает. Поэтому для магнитных систем погружных МЭД, работающих при температуре окружающей среды до 135°С, рекомендован материал на основе сплава Nd-Fe-B.
 |
| Рис. 2 Варианты конструкций роторов МЭД |
В третьей главе произведен анализ методов исследования ВЭП на базе погружных МЭД, как нового объекта в составе нефтедобывающего оборудования. Сделан вывод о необходимости разработки инструмента для проектирования МЭД с уже имеющимися и новыми рациональными конструкциями магнитных систем, позволяющего проводить машинно-имитационные эксперименты для исследования электромагнитных процессов.
Для ВЭП рассматриваемого применения свойственно значительное насыщение отдельных участков магнитопровода и несинусоидальная форма фазных токов. Для учета этих факторов предлагается использовать метод мгновенных значений, согласно которому расчет магнитной цепи, токов и напряжений производится на периоде повторяемости с некоторым достаточно малым шагом.
В главе приводится описание разработанной математической модели электромагнитных процессов в ВЭП на базе погружных МЭД, основным содержанием которой является система дифференциальных уравнений, составленных по законам Кирхгофа, изменяемая с учетом текущего состояния ключей инвертора.
Главной составной частью уравнений являются выражения для напряжений фазных обмоток:
 , | (1) |
где uj, ij, Rj, j – напряжение, ток, сопротивление, потокосцепление j-ой фазы, зависящее от угла поворота ротора и токов в обмотках ik; 
– коэффициент ЭДС вращения j-ой фазы; 
– угловая скорость вращения; 
– дифференциальные индуктивности.
Электромагнитный момент двигателя может быть рассчитан через коэффициенты ЭДС вращения:
 | (2) |
Коэффициенты ЭДС вращения и дифференциальные индуктивности определяются после расчета магнитной цепи, т.е. после определения магнитного состояния ферромагнитных участков магнитопровода.
Принципиально расчет магнитной цепи может быть выполнен методом конечных элементов (МКЭ). Однако, несмотря на то, что этот метод расчета по сравнению с другими более точно определяет магнитное состояние участков магнитопровода, его использование для расчета интегральных значений за период, а тем более характеристик, требует чрезмерно больших временных затрат, что ограничивает его применение на практике. В силу этого, как более рациональный, рекомендуется метод, основанных на использовании эквивалентных малоузловых схем замещения магнитной цепи (МЭС), который дает ощутимый выигрыш по времени решения, а получаемые результаты обладают достаточной по инженерным меркам точностью.
Для расчета магнитной цепи МЭС формируется эквивалентная схема замещения, пример которой для одной из представленных конструкций приведен на рис. 3. При этом магнитная цепь МЭД подразделяется на ряд последовательных участков, каждый из которых представляются в виде магнитной проводимости. К активным элементам схемы замещения относятся обмотка якоря, которая представляется МДС катушек якоря, и магниты, которые представляются в виде МДС и проводимости магнита.
После определения магнитного состояния производится расчет потокосцеплений катушек и их производных по углу и по токам, которые в свою очередь определяют значения ЭДС вращения и дифференциальные индуктивности, а затем выходные показатели электродвигателя.
Предложенный метод моделирования:
– предоставляет широкие возможности для анализа временных зависимостей индуктивностей, токов, напряжений, электромагнитного момента и др.;
– может быть использован как инструмент для проектирования электрических машин на заданные показатели;
– легко адаптируется к самым разнообразным магнитным системам, и за сравнительно короткое время позволяет получить достаточно точные по инженерным меркам результаты.
Оценка степени адекватности разработанной математической модели проводилась путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментов, объектами которых являлись погружной четырехсекционный МЭД с внешним диаметром 117 мм для электроцентробежного насоса номинальной мощностью 80 кВт и частотой вращения 6000 об/мин, экспериментальные и расчетные осциллограммы токов и напряжений которого приведены на рис. 4; макет забойного двигателя ЭД3-В-ДМ для электробура мощностью 21 кВт, nном=400 об/мин, с наружным диаметром 160 мм, длиной 1150 мм; и макетный образец МЭД специального назначения со сходной магнитной системой.
Рис. 3. Пример формирования схемы замещения магнитной цепи
(где Gc – магнитная проводимость зубца статора; Gjс – магнитная проводимость cпинки статора; F – МДС катушки якоря; Gls – магнитная проводимость лобового рассеяния ОЯ; Gps – магнитная проводимость пазового рассеяния; Gpds, Gpqs, – продольная и поперечная магнитная проводимость пазового рассеяния; Gper – магнитная проводимость перемычек статора; Gj – проводимость воздушного зазора в пределах зубцового деления j-ого зубца якоря по отношению к i-ому зубцу ротора; Grd, Grq – продольная и поперечная магнитная проводимость ярма ротора; Fm – МДС постоянного магнита; Gm – магнитная проводимость магнита; Gms – магнитная проводимость рассеяния постоянного магнита; Gzd – продольная магнитная проводимость зазоров между магнитом и окном под магнит; Grj – магнитная проводимость ярма ротора; Grp – магнитная проводимость перемычек ротора)
Для всех трех объектов расхождение расчетных и экспериментальных данных по действующим значениям составило не более 37%, что свидетельствует о высокой степени адекватности разработанной математической модели.
Рис. 4 Экспериментальные (а) и расчетные (б) осциллограммы фазного тока
и фазного напряжения погружного МЭД (n=3016 об/мин, Мв=129,8 Н*м)
Оценку теплового состояния основных элементов погружных МЭД предлагается проводить с помощью известной методики на базе метода эквивалентных тепловых схем замещения, доработанной с учетом особенностей данной области применения и условий эксплуатации.
Четвертая глава посвящена исследованиям, выполненным с использованием разработанной математической модели.
По результатам сравнительного анализа характеристик и показателей четырехполюсных четырехсекционных погружных МЭД, рассчитанных на мощность 40 кВт (при 3000 об/мин), с магнитными системами различной конфигурации при условии одинаковых тепловых нагрузок, сделан вывод о том, что выходные показатели МЭД зависят большей частью от суммарной массы магнитов и коэффициента рассеяния магнитного потока. При этом все ЭД с рассмотренными вариантами магнитных систем имеют высокий КПД (более 92%) и уровень cos в пределах 0,950,99.
Проведенные исследования по влиянию ряда геометрических параметров на выходные показатели МЭД на холостом ходу показали, что рациональная толщина магнитов находится в переделах 3,54,5 мм, а величины перемычек и рабочего зазора следует выбирать минимально возможными. Рациональный коэффициент полюсного перекрытия лежит в интервале 0,70,8.
Величина дискретного скоса модулей на роторе МЭД и их число влияют на уровень момента залипания (рис. 5) и форму ЭДС. Проведенные исследования показали, что оптимальные значения этих показателей достигаются при угле скоса, равном 0,75 зубц. дел. статора и 4 сдвигаемых модулях.
Для МЭД с ротором, приведенным на рис. 2, и проведены исследования по влиянию способа намагничивания ПМ. Сделан вывод о нецелесообразности применения радиального намагничивания магнитов в конструкции ротора с дуговыми магнитами, так как это приводит к снижению линейной ЭДС почти на 10%. При равнозначности в технологическом отношении процессов намагничивания магнитов отдано предпочтение осевому намагничиванию.
Исследование конструкции с увеличенным немагнитным зазором, образованным при креплении магнитов немагнитным материалом с необходимыми прочностными и температурными свойствами, коэффициентом расширения, сходным со сталью ротора, показало, что применение такого варианта позволило бы упростить конструкцию ротора, а при правильном выборе материала массивной втулки располагать магниты прямо на ней, не используя шихтованного ярма ротора, вследствие отсутствия перемагничивания в роторе. По результатам расчетов сделан вывод о том, что данный технологический прием значительного влияния на форму и уровень ЭДС, в сравнении с базовым вариантом, не оказывает, позволяет отказаться от дискретного скоса модулей на роторе, и при наличии компаунда с требуемыми свойствами может быть применим на практике.
Расчеты, проведенные при разработке серий погружных МЭД для ВЭП УЦН и УВН, подтвержденные при эксплуатации этих двигателей, показали высокий уровень энергетических показателей электродвигателей.
Для представленного в главе погружного МЭД, принадлежащего серии 1ВЭДБТ-117В5, мощностью 80 кВт, разработанного для ГК «Борец», КПД составил 92 94%, а cos – 0,951,0.
Высокий уровень этих показателей сохраняется во всем требуемом диапазоне частот вращения (30006500 об/мин) и нагрузок при правильном управлении ВЭП с учетом угла включения фазы, который оказывает существенное влияние на токи, напряжения и энергетические показатели ВЭП (Рис. 6, 7). Разработанная математическая модель позволяет выявить рациональное значение этого угла для каждого режима работы.
По результатам оценки теплового состояния восьмиполюсного погруж-ного МЭД, сделан вывод о его соответствии требованиям по перегреву, а проведенное сравнение полученных данных с экспериментом позволяет судить о высокой степени адекватности тепловой модели и целесообразности ее применения для оценки теплового состояния погружных МЭД.
Особенности проектирования погружных ЭД связаны с необычным соотношением длины и диаметра магнитопровода, а также специфическими условиями работы. По результатам проектирования и исследования МЭД в данной главе сформулированы рекомендации для выбора конструктивных решений, геометрических размеров и электромагнитных параметров магнитных систем.
По результатам проведенного сравнения находящихся в эксплуатации приводов на базе разработанных вентильных и АД, часть из которых приведена в таблице 1, можно сделать вывод о следующих преимуществах ВЭП:
- более высокие значения КПД (более 90%) и cos (более 0,95);
- пониженное на 1525% энергопотребление;
- меньшие в 2 и более раз габариты активной части МЭД;
- более простая реализация управления ЭП.
Таблица 1
Сравнительные характеристики погружного асинхронного и вентильного ЭД
для установок электроцентробежных насосов
| Показатель | Погружной ЭД | |
| серийный АД ЭДБ36-117В5 | вентильный 1ВЭДБТ36-117В5 ГК «БОРЕЦ» | |
| Номинальная мощность на валу, кВт | 36 | 36 |
| Номинальная частота вращения, об/мин | 2910 | 3000 |
| Номинальное линейное напряжение, В | 1100 | 1120 |
| Номинальная частота тока, Гц | 50 | 100 |
| Номинальный потребляемый ток, А | 27,2 | 23,5 |
| КПД при номинальной мощности на валу, % | 83,0 | 91,5 |
| cos | 0,84 | 0,96 |
| Скорость охлажд. жидкости (не менее), м/с | 0,12 | 0,08 |
| Ток холостого хода (не более), А | 12,5 | 2,0 |
| Длина корпуса, мм | 3895 | 2375 |
| Масса (не более), кг | 271 | 155 |
В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.
2. Разработаны рациональные конструкции технологичных в изготовлении магнитных систем погружных МЭД с высокими энергетическими показателями, предназначенных для работы в составе ВЭП УЦН и УВН.
3. Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверена адекватность разработанной модели.
4. С использованием разработанной математической модели спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к электродвигателям подобного назначения.
5. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем и электромагнитных параметров погружных МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления ВЭП.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Русаков А. М. Вентильные электродвигатели в составе нефтедобывающего оборудования // «Электричество», 2008. № 1. – С. 60-65.
- Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н., Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях // «Вестник МЭИ», 2007. № 3. – С. 33-39.
- Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Магнитные системы вентильных электродвигателей для погружных насосов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Одиннадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2005. Т. 2. – С. 90.
- Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Разработка и исследование погружных вентильных индукторных двигателей для нефтедобычи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Двенадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. Т.2. – С.78-79.
- Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях для нефтедобывающего оборудования // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Тринадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т. 2. – С. 72-73.
- Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Результаты испытания вентильных двигателей специального назначения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Четырнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. – С. 62-63.
Печ. л.: 1,25 Тираж: 100 Заказ:
Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.
