WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

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.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»