WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Хоцянов Иван Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СЕРИЙНЫХ ПОГРУЖНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ НАСОСОВ

Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012 Диссертация выполнена на кафедре «Электротехнические комплексы автономных объектов» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Мыцык Геннадий Сергеевич Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Пречисский Владимир Антонович кандидат технических наук Панарин Александр Николаевич Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Защита диссертации состоится «14» декабря 2012 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан «___»_____________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.канд. техн. наук, доцент С.А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Нефтедобывающая отрасль играет важную роль в экономике России. По объемам добычи нефти Российская Федерация занимает лидирующее место в мире.

Мероприятия по усовершенствованию электротехнических комплексов нефтедобычи ведутся постоянно по всем направлениям, формирующим себестоимость и, в первую очередь, в направлениях снижения энергозатрат и повышения ресурса средств механизированной добычи нефти.

Одним из основных средств механизированной добычи нефти являются установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). Ими обеспечивается основной объем добычи нефти (около 75 %). При этом для реализации экономичных способов изменения её добычи все шире используются установки с регулируемой частотой вращения вала. Регулируемые электроприводы (ЭП) для нефтедобычи строятся либо по схеме преобразователь частоты (ПЧ) – асинхронный двигатель (АД), либо по схеме вентильного электродвигателя. Вентильный привод установок нефтедобывающих насосов по своим энергетическим характеристикам превосходит асинхронные привода, как регулируемые, так и нерегулируемые, решает многие технологические и ресурсные задачи при эксплуатации установок.

Важным обстоятельством, влияющим на выбор типа двигателя, являются существующие тарифы на электроэнергию и имеющаяся разница в цене на погружные асинхронные и вентильные электродвигатели (ПВЭД) в комплекте со станцией управления. Быстрый рост тарифов на электроэнергию в 2008 году совпал с быстрым падением цен на нефть. Это обстоятельство заставило все без исключения нефтяные компании акцентировать усилия на задаче энергосбережения и способствовало значительному увеличению спроса на ПВЭД. По результатам эксплуатации нефтедобывающие компании получили подтверждение снижения энергопотребления установок с ПВЭД на 5 30% и даже выше. Учитывая, что тарифы на электроэнергию постоянно растут в среднем на 1012% в год, также растет доля трудно извлекаемых запасов нефти (в настоящее время около 65%), привлекательность эксплуатации установок с ПВЭД будет увеличиваться.

Общее число поступивших в эксплуатацию ПВЭД по данным, опубликованным в печати на начало 2012 года, приближается к 5000 шт. Двигатели выпускаются с частотами вращения от 100 до 6000 об/мин, с мощностью в одной секции от 6 до 400 кВт, в габаритах 81, 92, 103, 117, 130 мм. Им нет альтернативы как в области частот вращения от 100 до 1500 об/мин, так и выше 4000 об/мин, а также в приводе установок третьего и меньших габаритов для всех частот вращения.

За последние годы основными изготовителями (ООО «РИТЭК-ИТЦ», ПК «Борец», ЗАО «Новомет-Пермь») проделана большая работа по повышению качества установок с ПВЭД. Однако потенциал повышения технико-экономических показателей электроприводов с ПВЭД в настоящее время не исчерпан. Таким образом, с учетом возрастающих требований к повышению эффективности добычи нефти сегодня имеются все необходимые предпосылки для технического совершенствования используемых серийных ПВЭД и, следовательно, необходимы и актуальны работы по исследованию возможностей технического их совершенствования.

Целью работы является исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов за счет улучшения их технико-экономических показателей и, в том числе, повышения их энергоэффективности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ конструкций серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов, выявлены доступные для доработки значимые параметры и характеристики ПВЭД, влияющие на энергоэффективность, ресурс и на другие техникоэкономические показатели, в частности, на технологические допуски элементов конструкции и на силы магнитного притяжения, а также на расположение и количество технологических пазов в расточке статора и, как следствие, на реактивный момент.

2. Разработан новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Ansys, снижающий на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета без потери точности. На его основе разработана и апробирована компьютерная имитационная модель (КИМ) для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.

3. На основе проведенных на КИМ исследований, расчетов, а также экспериментов разработаны новые конструкции узлов серийных ПВЭД, улучшающие их характеристики и потребительские свойства.

4. На основании экспериментальных и теоретических исследований характеристик вентильных электроприводов погружных насосов при различных режимах питания даны рекомендации по выбору энергоэффективных режимов работы.

Объект исследования Объектом исследования в работе являются электроприводы центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с серийными погружными маслонаполненными вентильными электродвигателями.

Электропривод состоит из наземной и погружной частей. В состав наземной части входит повышающий трансформатор с первичным напряжением 0,38 кВ и напряжением ступеней регулирования до 5,5 кВт, станция управления, состоящая из преобразователя частоты (ПЧ), фильтра (в случае с ШИМ) и ряда вспомогательных систем. Станция управления подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Погружная часть ЭП состоит из ПВЭД и кабельной линии.

Методы исследования Поставленные задачи решались автором, как в теоретических работах, так и экспериментально: на стендах с сертифицированным оборудованием, а также в промысловых условиях. В работе использованы методы теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории электрических машин и электропривода, принципы системного анализа. Для обработки полученных результатов применены программа MathCAD, специализированные программы. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в ПВЭД проводились в программной среде Ansys с помощью специально разработанных КИМ, основанных на методе конечных элементов.

Достоверность полученных результатов Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены: согласованием полученных результатов исследований с соответствующими известными положениями из теории электрических машин, теории электрических цепей и электропривода; доказательством адекватности моделей по выполняемым функциям, а также их апробацией на уровне публикаций; детальной экспериментальной проверкой всех конструктивных решений, выводов, рекомендаций.

Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые:

1. Предложен новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Ansys без интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета. На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.

2. На основе исследований ПВЭД с помощью КИМ:

– получена количественная оценка влияния технологических зазоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора в ПВЭД, на ее основе усовершенствована и запатентована конструкция ротора, обеспечивающая сни жение усилий на 1 метр активной длины в 33,5 раза и виброскорости в 22,5 раза на резонансных частотах вращения;

– выявлено и оценено влияние расположения и количества технологических пазов в расточке статора на технико-экономические показатели ПВЭД, предложена схема расположения технологических пазов, обеспечивающая уменьшение реактивного момента в 35 раз и улучшение пусковых свойств ПВЭД.

3. На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана и апробирована инженерная методика настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающая минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН – скважина».

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработанная КИМ для исследования и проектирования ПВЭД позволяет с учетом конструктивных особенностей и алгоритмов управленияс малыми затратами времени (на порядок ниже, по сравнению с классической методикой), с требуемой точностью в соответствии с потребностями серийного производства рассчитывать выходные показатели и характеристики при параметрическом моделировании, решать задачи по уточнению данных с целью получения требуемых характеристик.

2. Усовершенствованная и запатентованная конструкция ротора со специальными кольцами, меняющими радиальный размер при воздействии осевой нагрузки, позволяет при сохранении технологичности сборки, за счет существенного снижения уровня вибрации расширить рабочий диапазон частот вращения ПВЭД с 3000 до 6000 об/мин и за счет этого при перепроектировании сократить габариты установки.

3. Полученные в результате исследований рекомендации по конфигурации листа статора и параметрам обмотки, позволяют улучшить эксплуатационные характеристики серийных двигателей, в том числе, повысить надежность запуска и ресурс за счет уменьшения в 35 раз реактивного момента, увеличить КПД ПВЭД на 11,2%.

4. Составленные по результатам экспериментальных исследований рекомендации по выбору напряжения питания ПВЭД, позволяют повысить энергоэффективность УЭЦН: увеличить КПД вентильных двигателей на 22,5%, повысить КПД повышающего трансформаторана величину до 0,5%, снизить потребляемый ток (до 6%) и потери в питающем кабеле (до 12%).

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы на следующих предприятиях.

1. ОП «ОКБ БН» ЗАО «Новомет-Пермь» при разработке погружных вен тильных электродвигателей типа ПВЭДН в габаритах 81, 117, 130 мм.

2. ЗАО «АВАНТО» при проведении работ по разработке вентильных электроприводов различного назначения, в том числе и погружных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», а так же на следующих конференциях:

– четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 28–29 февраля 2008 г.;

– пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 26-27 февраля 2009 г.;

– шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), февраль 2010 г.;

– семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 24-25 февраля 2011 г.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Ansys без интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета, а также разработанная на его основе КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя, результаты проверки адекватности разработанной модели.

2. Результаты исследований ПВЭД на КИМ и рекомендации по совершенствованию его узлов и деталей, представленные в виде конструктивных решений, позволяющих повысить эксплуатационные характеристики серийных электродвигателей.

3. Результаты экспериментальной оценки зависимости КПД погружных вентильных электроприводов от параметров напряжения на выходе ПЧ и рекомендации по выбору энергоэффективного режима, представленные в виде методики настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающей минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН – скважина».

Публикации. По результатам проведенных исследований и теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 1 патент РФ на изобрете ние, 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименований. Ее содержание изложено на 173 страницах машинописного текста, включая 84 рисунков, 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены объект и предмет исследования, цель работы, основные задачи и методы исследования, сформулирована научная новизна работы и положения, выносимые на защиту, рассмотрено практическое значение полученных результатов.

В первой главе проведен обзор современного состояния ПВЭД для нефтедобычи, проанализированы конструкции и характеристики серийных ПВЭД различных производителей. Выявлены доступные для доработки в серийных ПВЭД значимые параметры и узлы, влияющие на энергоэффективность, ресурс и другие эксплуатационные характеристики, сформулированы задачи исследования.

Работы по разработке и внедрению вентильных электроприводов для нефтедобывающих насосов в России начались во второй половине 90-х годов. Большой вклад в развитие теории и практики ПВЭД внесли российские ученые и специалисты Гинзбург М.Я., Павленко В.И., Русаков А.М., Сагаловский В.И., Санталов А.М. и другие.

В настоящее время отечественные машиностроители ПК «Борец», ЗАО «Новомет-Пермь», ООО «РИТЭК-ИТЦ» заняли лидирующее положение в мире в области, как производства, так и инновационных разработок ПВЭД. КПД серийных ПВЭД по данным производителей в диапазоне частот вращения 2000 – 35об/мин на 7–10% выше, чем асинхронных. На более низких и более высоких частотах вращения энергоэффективность вентильных электродвигателей ещё более существенна. Кроме того, имеется возможность целенаправленным подбором оптимального режима работы вентильного электропривода дополнительно сократить энергопотребление.

Вопросы оптимизации и совершенствования погружных электродвигателей, в том числе вентильных, при проектировании и разработке достаточно подробно исследованы и освещены в работах Богданова А.А., Захаренко А.Б., Русакова А.М., Окунеевой Н.А. и других исследователей. Данная работа посвящена исследованию возможностей и разработке средств совершенствования параметров и характеристик ПВЭД для УЭЦН в условиях серийного производства, что позво лит без значительных затрат со стороны производителя повысить их техникоэкономические показатели.

С учетом выше сказанного в работе проведена оценка конструкций и характеристик серийных ПВЭД по следующим возможным направлениям совершенствования: улучшение энергетических и функциональных характеристик; повышение ресурса ПВЭД за счет применения новых технических решений и материалов.

Показано, что применяемые сегодня в ПВЭД технические решения не в полной мере:

а) устраняют проблемы, связанные с отрицательным влиянием реактивного момента и сил одностороннего магнитного притяжения;

б) удовлетворяют постоянно растущим требованиям нефтедобывающих компаний по КПД и надежности.

Эффективным путем повышения ресурса ПВЭД, имеющих число пар полюсов на роторе больше единицы, является уменьшение влияния сил одностороннего магнитного притяжения, которые, смещая пакеты ротора относительно оси вращения, дополнительно нагружают подшипники. Меры, направленные на уменьшение влияния сил, позволят снизить вибрации и дисбаланс, особенно на повышенных частотах вращения.

Для обеспечения надежного запуска оборудования с ПВЭД необходима разработка технических решений, обеспечивающих уменьшение реактивного момента, вызванного изменением магнитной проводимости для потока возбуждения в зависимости от угла поворота ротора. Для снижения реактивного момента в ПВЭД применяют угловое смещение магнитов в пакете. Учитывая, что роторы двигателей имеют много пакетов, применяют и последовательный сдвиг (поворот) пакетов ротора на валу относительно друг друга. При этом пакеты ротора углового смещения магнитов не имеют. Однако реактивный момент этими техническими решениями в должной мере не устраняется и проявляется при втягивании в синхронизм во время пуска.

Одним из путей повышению энергоэффективности серийных ПВЭД может быть традиционный путь – увеличение технологического коэффициента заполнения паза медью за счет использования новых материалов и увеличения плотности укладки.

В состав современного электропривода установок центробежных и винтовых насосов входит погружной электродвигатель, кабель, повышающий трансформатор, а также станция управления с ПЧ. На долю электропривода приходится в сумме до 30% потерь мощности в установке. Достигнутое максимального значения КПД каждого узла на практике не обеспечивает максимального значения КПД всего электропривода, поскольку имеет место взаимное влияние характеристик узлов.

В отношении комплексного критерия оценки регулируемых электроприводов комплектных установок с ПВЭД, включающего в себя стоимость, КПД системы и ресурс, наиболее рациональным представляется проведение обязательной настройки режима эксплуатации исходя из технических характеристик оборудования и параметров скважины. В работе решен ряд задач в этом направлении.

Во второй главе проведен выбор метода исследования серийных ПВЭД, на основе традиционных методик и современных компьютерных технологий разработан новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Ansys, на его основе создана КИМ для исследования.

Учитывая большое разнообразие конструкций электромагнитных систем ПВЭД у каждого производителя, существенное влияние зубчатости статора и насыщения стали на силы магнитного притяжения, конфигурации магнитной системы и размеров магнитов на реактивный момент, для решения разнообразных полевых задач в работе выбран метод конечных элементов. С учетом того, что модель должна: давать адекватные результаты для любых экспериментальных, серийных и модернизированных конструкций ПВЭД; приводить к быстрому получению надежных результатов при решении широкого класса задач; иметь возможности расширения и интеграции в систему проектирования предприятия, а также быть общедоступной, – в качестве расчетной системы выбрано программное обеспечение Ansys.

При разработке КИМ в работе последовательно решены следующие трудоемкие и требующие глубокого знания Ansys задачи: постановка задачи моделирования; формирование модели в расчетной системе; создание программы для управления анализом; создание программы для анализа результатов расчета.

Магнитное поле, созданное распределенными в пространстве источниками, описывается известной системой уравнений Максвелла. Исследования, проведенные автором на трехмерных моделях для ряда ПВЭД, показали, что для конструкций, достаточно протяженных в направлении оси вращения вала, краевыми эффектами можно пренебречь. Например, при расчете ПВЭД с диаметром корпуса 117 мм, радиально намагниченными магнитами, длиной активной части пакета 360 мм и величиной воздушного зазора 1,6 мм краевые эффекты проявляются лишь на расстоянии до 3 мм от края активной зоны. Поэтому для сокращения времени и сложности расчетов использована двумерная постановка задачи.

В двумерной постановке уравнение для векторного магнитного потенциала в однородной среде имеет вид:

1 A 1 A z z ( ) + ( ) = -Jz, (1) x µx x y µy y r r где: Az– проекция вектора A на ось z; Jz – проекция вектора плотности тока J на ось z; µx, µy – магнитные проницаемости по осям x и y.

По известным магнитным потенциалам вычисляются значения индукции во всех точках модели. В литературе разобраны типовые примеры по решению стационарных задач без изменения геометрии во время расчета. Однако такой подход не Рис. 1.Иллюстрация связи сеток при позволяет исследовать параметры, связанпомощи интерполяции по известному ные с изменением магнитного поля во методу времени, например, значения ЭДС в обмотках. В работах К. Мякушева предлагается связывать поверхности вращающегося ротора и статора при помощи интерполяции данных между несовпадающими узлами расчетных сеток. На рис. 1 приведена графическая иллюстрация интерполяции данных между несовпадающими сетками. Система уравнений для магнитного потенциала при этом усложняется интерполяционным полиномом, который определяет связь проекции узла поверхности с более редкой сеткой на поверхность с более частой. При использовании такого метода можно адекватно смоделировать динамические процессы, но на практике даже для расчета одного оборота ПВЭД требуется несколько часов.

В работе доказано, что значительно сократить время расчета позволяет исключение затратной по времени процедуры интерполяции данных между сетками во время вращения за счет моделирования разных положений ротора последовательным попарным заданием уравнений связи узлов статора и ротора. Вторая возможность ускорить расчет – уменьшение размера модели, за счет исключения повторяющихся элементов. Эти два приема позволяют сократить время расчета одного оборота до нескольких минут. Для исследования поля в сечении ПВЭД достаточно моделировать один полюс двигателя (рис. 2), задав ему соответствующие граничные условия. Связь узлов поверхностей магнитного зазора проиллюстрирована на рис. 3. Связь точек, условно (а) и (б), лежащих на разных боковых сторонах сектора на одинаковом удалении от центра задается в КИМ уравнением (2).

0 = Az(а)+Az(б) (2) Для имитации вращения ротора в КИМ рассчитываются последовательные варианты связи ротора и статора. Связь представляет собой уравнивание относительно расчетной степени свободы, для задания которого в программе Ansys используется команда CE. Для имитации вращения на первом шаге магнитный потенциал противолежащих узлов уравнивается согласно уравнению (3), как показано в верхней части рис. 3.

0=Az(а)–Az(б) (3) Рис.2. Геометрия модели ПВЭД Рис. 3. Иллюстрация связи сеток уравниванием мощностью 500 кВт магнитного потенциала по предложенному методу На втором и на всех последующих шагах происходит сдвиг на один номер в предварительно созданноми сортированном по угловой координате списке узлов зазора. Для имитации разных полюсов при задании связи применяется следующий прием. В момент, когда узел статора был связан с крайним узлом ротора и, при полной модели, на следующем шаге на него была бы наложена связь с первым узлом противоположного полюса ротора, на узел статора накладывается связь с первым узлом моделируемого полюса ротора, как показано на нижней части рис. 3. При этом магнитные потенциалы не уравниваются согласно уравнению (3), а ставятся в соответствие по уравнению (2). На рис. 4 приведены графики распределения индукции по зазору под нагрузкой, полученные на полном сечении и на модели одного полюса. Такой подход к моделированию полей в программе Ansys позволил снизить на порядок, по сравнению с классическими методиками, время расчета без потери точности.

В результате расчета имеем: мгновенные значения токов фаз двигателя, значения индукции во всех точках машины. Это дает возможность с высокой точностью определить в КИМ электрические потери и потери в стали, а также при помощи специальной процедуры TORQC2D вычислить значения электромагнитного момента. Момент вычисляется через интеграл по замкнутому контуру от тензора электромагнитного поля Максвелла.

Помимо рационального выбора алгоритма значительно сократить время рас чета позволяет автоматизация процесса создания модели Для этого в чета позволяет автоматизация процесса создания модели. Для этого в КИМ на языке макрокоманд APDL написана программа, которая позволя позволяет строить модель автоматически без помощи графического интерфейса Построение модели в ру автоматически без помощи графического интерфейса. Построение модели в ру автоматически без помощи графического интерфейса Построение модели в ручном режиме занимает несколько час разработанная на языке ном режиме занимает несколько часов, в то время как разработанная на языке APDL программа позволяет сделать это за несколько минут позволяет сделать это за несколько минут.

В основу теплового расчета положено уравнение теплопроводности В основу теплового расчета положено уравнение теплопроводности В основу теплового расчета положено уравнение теплопроводности:

T 2T 2T 2T c = q + x + y + z q, (4), t x2 y2 zгде: – плотность материала – удельное объемное плотность материала; с – теплоемкость материала; q – тепловыделение; – коэффициент теплопроводности по соответствующей оси; x, коэффициент теплопроводности по соответствующей оси коэффициент теплопроводности по соответствующей оси y, z – координаты; Т – температура в заданной точке температура в заданной точке.

Обоснованы и приняты следующие допущения еремещение тепла в осевом риняты следующие допущения: перемещение тепла в осевом направлении несущественно что позволяет решать задачу в двумерной постановии несущественно что позволяет решать задачу в двумерной постано ии несущественно, что позволяет решать задачу в двумерной постано ке; температуры на внутренней поверхности статора и внешней поверхности р емпературы на внутренней поверхности статора и внешней поверхности роемпературы на внутренней поверхности статора и внешней поверхности р тора маслозаполненных ПВЭД равны; температура всех деталей пакета ротора маслозаполненных ПВЭД равны емпература всех деталей пакета ротора одинакова и равна температуре на его поверхности в расточке.

одинакова и равна температуре на его поверхности в расточке.

Геометрия модели при тепловом расчете (рис. 5) учитывает различные теппри тепловом расчете учитывает лопроводности материалов элементов паза Граничные условия по внутренн лопроводности материалов элементов паза. Граничные условия по внутренней границе магнитопровода задаются потоком мощности от потерь в масле и доб границе магнитопровода задаются потоком мощности от потерь в масле и добавочных потерь в элементах конструкции ротора и подшипни вочных потерь в элементах конструкции ротора и подшипников, теплоотдача с корпуса – конвекцией Для расчета берется значение коэффициента теплоотдачи, конвекцией. Для расчета значение коэффици вычисленное по эмпирическим методикам рассчитывается вычисленное по эмпирическим методикам, либо рассчитывается только перегрев относительно корпуса, если зад относительно корпуса если задача это допускает.

0,Индукция, Тл 0,0,0,0,0,Полное сечение Полноесечение 0,Один полюс Одинполюс 0,0,геометрический геометрический угол, град.

-0,0 20 40 60 -0,Рис. 4. Распределение индукции по зазору Рис. 5. Модель для теплового расчета Распределение индукции по зазору Модель для теплового расчета В результате теплового расчета на КМИ получаем распределение температутеплового распределение температ ры по сечению электрической машины, данные о температуре в конкретных то нию электрической машины анные о температуре в конкретных точ ках. Картина перегревов, полученная на КИМ, в сочетании с эмпирическими данными о теплоотдаче с поверхности двигателя в пластовую жидкость позволяют определить предельные температуры пластовой жидкости в скважине, при которых допустима эксплуатация установки.

Оценка адекватности результатов моделирования произведена путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментов на лабораторных макетах и серийных образцах ПВЭД производства ЗАО «Новомет-Пермь» в габарите 117 мм различной мощности (до 400 кВт). Для исключения влияния механических и гидравлических потерь, плохо поддающихся точной оценке, проверка точности предложенной методики вычисления электромагнитного момента проводилась на макетных образцах магнитной муфты в статическом режиме на измерительном стенде. Отличие расчетных данных от экспериментальных составило не более 35%, что свидетельствует о высокой степени адекватности разработанных КИМ.

Третья глава посвящена исследованиям (на основе КИМ) разработанных технических решений, направленных на совершенствование серийных ПВЭД.

Проведены исследования сил одностороннего магнитного притяжения в конструкциях серийных ПВЭД, получена количественная оценка влияния технологических зазоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора. На рис. 6 приведено распределение силовых линий по сечению двигателя при смещении ротора. Видно, что в направлении радиального сдвига ротора магнитные линии гуще, то есть индукция выше, а, следовательно, сила, действующая на ротор, больше, чем с противоположной Рис. 6. Распределение силовых стороны. На рис. 7 для ПВЭД в габарите 117 линий по сечению машины при сдвиге ротора мм с радиально намагниченными магнитами приведен график зависимости усилия, действующего на 1 метр активной длины двигателя, от сдвига оси ротора относительно оси статора. На основе исследований усовершенствованная и запатентованная конструкция ротора (рис. 8) и ее модификации с подшипниками скольжения с подвижными втулками, имеющими возможность изменять радиальный размер при воздействии осевой нагрузки. В разработанных конструкциях обеспечено снижение усилия на 1 метр активной длины в 33,5 раза и виброскорости в 22,раза на частотах вращения, соответствующих резонансам.

30Удельное усилие, Н/м 25201.6 мм 1.6 мм 152 мм 2 мм 105Сдвиг мм Сдвиг, мм 0 0,5 1 1,Рис. 7. Зависимости усилия, дейст- Рис Фрагмент активной части ПВЭД: 1 - Зависимости усилия дейс Рис.8. Фрагмент активной части ПВЭД вующего на метр активной длины магнитопровод вующего на 1 метр активной длины статор, 2 - магнитопровод, 3 - корпуса поддвигателя, от сдвига оси ротора отн пакеты ротора двигателя от сдвига оси ротора отно- шипников, 4 - вал, 5 - пакеты ротора, 6 - подсительно оси статора вижные втулки, 7 - кольца с конусообразными кольца с конусообразными торцевыми поверхностями торцевыми поверхностями, 8 - полукольцо, 9 цилиндрическая втулка удельный реактивный момент, Нм/м удельный реактивный момент Нм м 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -геом угол, град --1 паз 2 паза 3 паза -Рис. Сечение ПВЭД с тремя пазами Рис.10. График зависимости удельного на Рис 9. Сечение ПВЭД с тремя пазами Рис График зависимости удельного (на на внутренней поверхности зубцов ста- единицу длины активной части ПВЭД реа на внутренней поверхности зубцов ст единицу длины активной части ПВЭД) реактора: 1 – технологический паз тивного момента от углового положения рот технологический паз; 2 – ста- тивного момента от углового положения рототор; 3 – ротор; 4 – постоянный магнит ра при числе пазов 1, 2 и 3 на внутренней поянный магнит ра при числе пазов 1, 2 и на внутренней п верхности зубцов статора на рис верхности зубцов статора на рис. Исследовано влияние конструктивных особенностей серий Исследовано влияние конструктивных особенностей серий Исследовано влияние конструктивных особенностей серийных ПВЭД с тангенциально и радиально намагниченными магнитами на роторе на реактивный генциально и радиально намагниченными магнитами на роторе на реактивный генциально и радиально намагниченными магнитами на роторе на реактивный момент. В частности выявлено позиционирования техн момент В частности, выявлено существенное влияние позиционирования технологических пазов в расточке двигателя рис и их количества на реактивный логических пазов в расточке двигателя рис и их количества на реактивный логических пазов в расточке двигателя (рис. 9) и их количества на реактивный момент. Предложены схемы расположения пазов обеспечивающие уменьшение хемы расположения пазов обеспечивающие уменьшение хемы расположения пазов, обеспечивающие уменьшение реактивного момента и улучшение пусковых свойств ПВЭД. Например, консти улучшение х свойств ПВЭД рукция на рис. 9 с тремя технологическими пазами, равномерно расположенными технологическими равномерно расположенными на внутренней поверхности зубцов статора обеспечивает уменьшение реактивнона внутренней поверхности зубцов статора, обеспечивает умен го момента в 35 раз по сравнению с серийной с двумя пазами (рис. 10), что спораз по сравнению с серийной с двумя пазами раз по сравнению с серийной с двумя пазами собствует улучшению пусковых свойств погружных двигателей улучшению пусковых свойств погружных двигателей улучшению пусковых свойств погружных двигателей, а также, снижению вибрации.

На КИМ исследованы тепловые процессы В частности, определены сследованы тепловые процессы (рис. 11). В частности зависимости максимального перегрева в обмотке относительно корпуса от потерь зависимости максимального перегрева в обмотке относительно корпуса от потерь зависимости максимального перегрева в обмотке относительно корпуса от потерь в ПВЭД при номинальных частотах вращения Кривые при номинальных частотах вращения (рис. 12). Кривые позволяют, имея паспортную зависимость КПД двигателя от нагрузки определять температуру зависимость КПД двигателя от нагрузки, определять температуру внутри двигателя для его текущего режима в скважине, и применяются в специавнутри двигателя для его текущего режима в применяются лизированных программах для подбора оборудования и его режима в скважине лизированных программах для подбора оборудования и его режима в скважине лизированных программах для подбора оборудования и его режима в скважине.

40 T, град.

T, град.

20 30306060p, кВт/м p, кВт/м 0,0 2,0 4,0 6,0,0,0 3,0 6,0 9,Рис. 11. Распределение тем- а) б м- а) б) пературы (относительно Рис Зависимость максимального перегрева в обмотке тельно Рис. 12. Зависимость максимального перегрева в обмотке корпуса) по сечению ПВЭД от суммарных потерь в ПВЭД а для габарита 117 мм;

от суммарных потерь в ПВЭД: а) для габарита б) для габарита 130 мм По результатам исследований на По результатам исследований на 0,9КПД КИМ и расчетов по традиционным метов по традиционным мет 0,9дикам характеристик ПВЭД с различными ПВЭД с различными 0,9параметрами обмотки сделан вывод о цепараметрами обмотки сделан вывод о ц 0.0,8лесообразности применения обмоток, рас0.78 лесообразности применения 0,8считанных на максимально допустимое на максимально д 0,8номинальное напряжение с увеличенным номинальное напряжение с увеличенным Мощность о е Мощность, о.е.

0,8количеством эффективных проводников в эффективных проводников в 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,0,пазу (технологический коэффициент затехнологический коэффициент з Рис. 13. Зависимость КПД от Зависимость КПД от мощности полнения паза 0,770,79). Такое решение 0,770,79).

для разных коэффициентов заполнения для разных коэффициентов заполнения паза позволяет повысить КПД серийных м позволяет повысить КПД серийных машин для различных модификаций в средшин для различных модификаций в сре нем на (11,2)%. Зависимость КПД от мощности на валу в относительных един Зависимость КПД от мощности на валу в относительных един Зависимость КПД от мощности на валу в относительных единицах для разных коэффициентов заполнения паза представлена на примере двиг цах для разных коэффициентов заполнения паза представлена на примере двиг цах для разных коэффициентов заполнения паза представлена на примере двигателя в габарите 117 мм на 3000 об/мин мощностью 63 кВт. За базо теля в габарите мм на 3000 об мин мощностью кВт За базовое взято номинальное значение мощности Двигатели имеют одинаковую геометрию железа ние мощности. Двигатели ковую геометрию железа статора и активной части ротора и отличаются только обмоточными данными.

статора и активной части ротора и отличаются только обмоточными данными При исследовании на КИМ также выявлено что в установившемся режиме на выявлено, что в установившемся режиме из-за наличия перепада температур между валом и корпусом удлинение ротора относительно статора достигает 5 мм при длине секции до 8 м. Разработан способ сборки ПВЭД, учитывающий температурное удлинение.

Результаты, полученные при исследованиях, использованы в ОП «ОКБ БН» ЗАО «Новомет-Пермь» при разработке двигателей типа ПВЭДН.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям энергетических характеристик серийных погружных вентильных электроприводов при различных параметрах напряжения питания и регулировании частоты вращения УЭЦН.

Исследования проводились с использованием высокоточных сертифицированных и поверенных приборов и оборудования на стенде-скважине в ОАО «ОКБ БН КОННАС» и нагрузочном стенде в ЗАО «Новомет-Пермь». Получены экспериментальные зависимости КПД ПВЭД от момента на валу при синусоидальном и шестиимпульсном питающих напряжениях. Полученные результаты при номинальных частотах вращения двигателей представлены в табл. 1 и на рис. 14.

0,0,9КПД КПД 0,0,90,0,0,9Син. напр.

0,0,9Шестипульсное напр.

0,0,90,M, % U, В 0,0,90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 12500 2700 2900 3100 3300 35Рис. 14. Экспериментальная зависимость Рис. 15. Зависимость КПД двигателя от КПД ПВЭД от момента на валу при напряжения на частоте вращения 30частоте вращения 3000 об/мин. об/мин Проведенные исследования показали, что эксплуатация станции управления с ПЧ универсального типа с подачей на ПВЭД напряжения синусоидальной формы позволяет увеличить КПД вентильных двигателей на 22,5%. Для электродвигателей типа ПВЭДН (производства ЗАО «Новомет-Пермь») при частоте вращения 3000 об/мин максимальный КПД двигателей повышается с 91% до 93%, для двигателей с номинальной частотой вращения 6000 об/мин КПД лежит в интервале 92 94%.Для вентильных двигателей других производителей, имеющих другую конструкцию ротора, это увеличение может быть другим.

Переход с шестиимпульсного питания ПВЭД на синусоидальное, позволяет также: увеличить КПД повышающего трансформатора до 0,5% (увеличение обу словлено снижением добавочных потерь в элементах конструкции трансформатора); снизить потребляемый ток и потери в питающем кабеле.

Таблица Сравнительные характеристики ПВЭД при питании от синусоидального и шестиимпульсного источника питания Показатель ПВЭД Нагрузка: НМ - нагрузочная машина; Н - насос НМ Н Н НМ Габарит, мм 117 81 130 1Номинальная мощность на валу, кВт 140 50 300 2Номинальная частота вращения, об/мин 3000 6000 3000 30Мощность на валу, кВт 140,5 50,2 300,1 200,Частота вращения, об/мин 3000 6000 3000 30Потребляемый ток, при синус. питании, А 31,63 30,50 63,01 48,Потребляемая мощность, при синус. питании, кВт 152,5 56,3 323,4 211,Потребляемый ток, шестиимп. питание, А 32,6 31,7 64,9 49,Потребляемая мощность, шестиимп. питание, кВт 156,1 57,9 330,3 215,Температура корпуса, град. 117 45 60 1КПД при синус. питании, % 92,1 89,1 92,8 94,КПД при шестимп. питании, % 90,0 86,7 90,9 92,Учитывая то, что на сегодняшний день частотное регулирование является наиболее экономичным и эффективным способом регулирования насосных установок, при исследованиях получены зависимости: КПД двигателя от напряжения (рис. 15); КПД двигателя от угла между ЭДС холостого хода и током; величины потребляемого тока от угла между ЭДС холостого хода и током; потерь в приводе от частоты ШИМ при различных выходных фильтрах ПЧ. Из анализа экспериментальных данных установлено, что напряжение, соответствующее минимуму потребляемого тока, отличается от соотношения, при котором достигается максимум КПД двигателя. Для минимизации потерь в УЭЦН необходимо настраивать ПЧ с учетом длины кабеля. В зависимости от комплектации конкретной установки, при малых глубинах погружения выгодным может оказаться режим максимального КПД двигателя, при больших глубинах – режим минимального тока.

На основании исследований были разработана и апробирована инженерная методика настройки на скважинах величины напряжения питания ПВЭД обеспечивающего минимальное значение потребляемого токадля текущего состояния системы «УЭЦН – скважина». Рассчитанные по методике значения напряжений и подобранные экспериментально совпадают с расхождением не более 1,5%.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Предложен новый подход к практической реализации процедуры моделирования электромагнитных полей электрических машин в программе Ansys путем отказа от интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета.

На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектирования ПВЭД сподпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя. На основе натурного моделирования произведена проверкаданногоподхода и разработанной модели ПВЭД на адекватность.

2. На основе исследований ПВЭД на КИМ:

– Получена количественная оценка влияния технологических зазоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора; на ее основе усовершенствована и запатентована конструкция ротора, обеспечивающая снижение усилия на 1 метр активной длины в 33,5 раза и виброскорости в 22,5 раза на частотах вращения, соответствующих резонансам.

– Оценено влияние конструктивных особенностей ПВЭД на реактивный момент, в том числе, выявлено существенное влияние на его величину расположения и количества технологических пазов на внутренней поверхности статора.

Предложена схема позиционирования технологических пазов, обеспечивающая уменьшение реактивного момента в 35 раз, а также улучшение пусковых свойств ПВЭД.

3. Исследования на КИМ и расчеты по традиционным методикам характеристик ПВЭД с различными параметрами обмотки позволили, в частности, установить, что применение обмоток, рассчитанных на максимально допустимое номинальное напряжение с увеличенным количеством эффективных проводников в пазу (технологический коэффициент заполнения паза 0,770,79) позволяет повысить КПД серийных машин в среднем на (11,2)%.

4. Составленные по результатам экспериментальных и теоретических исследований рекомендации по выбору напряжения питания ПВЭД позволяют повысить энергоэффективность УЭЦН: увеличить КПД вентильных двигателей на 22,5%, повысить КПД повышающего трансформатора на величину до 0,5%, снизить потребляемый ток (до 6%) и потери в питающем кабеле (до 12%). Разработана и апробирована методика настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающая минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН – скважина».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хоцянов И.Д. Оптимизированный по времени расчет электромагнитных и тепловых полей электромеханических устройств с постоянными магнитами в программе Ansys // «Вестник МЭИ», 2012. № 4. – с. 36-42.

2. Хоцянов И.Д., Санталов А.М., Кирюхин В.П., Хоцянова О.Н. Вентильные электроприводы для центробежных насосов // «Вестник МЭИ», 2007. № 3. – с. 21-26.

3. Хоцянов И., Санталов А.., Перельман О., Рабинович А., Пошвин Е., Кошелев С. Погружные вентильные двигатели. История, конструктивные особенности, возможности // «Нефтегазовая вертикаль», 2011, № 12 – с. 58-65.

4. Хоцянов И.Д., Санталов А.М., Стенин С.Л., Хоцянова О.Н. Погружные вентильные электроприводы // Электротехнические комплексы автономных объектов: Сборник научных трудов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – с. 34–37.

5. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Расчет тепловых и электромагнитных полей электромеханических устройств в версии Academic Teaching Ansys для ВУЗОВ.// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Межд. науч.-техн.

конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. – М.: издательский дом МЭИ, 2011. Т.2. – с. 91-6. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Моделирование погружных вентильных электродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. – М.: издательский дом МЭИ, 2009. Т.2. – с. 89-91.

7. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Разработка методики расчета погружных асинхронных электродвигателей // 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. 74-75.

8. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Особенности макетирования погружных электродвигателей. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. – М.:

издательский дом МЭИ, 2010. Т.2. – с. 81-82.

9. Пат. 2 380 810 Российская Федерация: МКП Н02К 5/12, Н02К 5/132, Н02К 5/24. Погружной электродвигатель / Хоцянов И.Д., Пошвин Е.В, Санталов А.М., Хоцянова О.Н.; опубл. 27.01.2010., Бюл. № 3.

10. Полезная модель к пат. 115 131 Российская Федерация: МКП Н02К 29/00, Н02К 21/12. Вентильный электродвигатель / Хоцянов И.Д., Горбунов Д.В., Кошелев С.Н., Пошвин Е.В. и др.; опубл. 20.04.2012., Бюл. № 11.

Подписано в печать Зак. Тир. Пл Полиграфический центр ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» Красноказарменная улица, д. 13.







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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.