Исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных погружных вентильных электродвигателей для нефтедобывающих насосов
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 2 Диссертация выполнена на кафедре «Электротехнические комплексы авто номных объектов» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследо вательский 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 «Россий ский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»
Защита диссертации состоится «14» декабря 2012 года в 14 час. 00 мин. в ау дитории 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 «Нацио нальный исследовательский университет «МЭИ» Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим на править 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 объ емам добычи нефти Российская Федерация занимает лидирующее место в мире.
Мероприятия по усовершенствованию электротехнических комплексов нефтедо бычи 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 ус тановки электроцентробежных насосов (УЭЦН). Ими обеспечивается основной объем добычи нефти (около 75 %). При этом для реализации экономичных спосо бов изменения её добычи все шире используются установки с регулируемой час тотой вращения вала. Регулируемые электроприводы (ЭП) для нефтедобычи стро ятся либо по схеме преобразователь частоты (ПЧ) – асинхронный двигатель (АД), либо по схеме вентильного электродвигателя. Вентильный привод установок неф тедобывающих 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 по гружные асинхронные и вентильные электродвигатели (ПВЭД) в комплекте со станцией управления. Быстрый рост тарифов на электроэнергию в 2008 году сов пал с быстрым падением цен на нефть. Это обстоятельство заставило все без ис ключения 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 та рифы на электроэнергию постоянно растут в среднем на 1012% в год, также рас тет доля трудно извлекаемых запасов нефти (в настоящее время около 65%), при влекательность эксплуатации установок с ПВЭД будет увеличиваться.
Общее число поступивших в эксплуатацию ПВЭД по данным, опубликован ным в печати на начало 2012 года, приближается к 5000 шт. Двигатели выпуска ются 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 каче ства установок с ПВЭД. Однако потенциал повышения технико-экономических показателей электроприводов с ПВЭД в настоящее время не исчерпан. Таким об разом, с учетом возрастающих требований к повышению эффективности добычи нефти сегодня имеются все необходимые предпосылки для технического совер шенствования используемых серийных ПВЭД и, следовательно, необходимы и актуальны работы по исследованию возможностей технического их совершенст вования.
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 характери стики ПВЭД, влияющие на энергоэффективность, ресурс и на другие технико экономические показатели, в частности, на технологические допуски элементов конструкции и на силы магнитного притяжения, а также на расположение и коли чество 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 раз работана и апробирована компьютерная имитационная модель (КИМ) для иссле дования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического по строения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.
3. На основе проведенных на КИМ исследований, расчетов, а также экспе риментов разработаны новые конструкции узлов серийных ПВЭД, улучшающие их характеристики и потребительские свойства.
4. На основании экспериментальных и теоретических исследований харак теристик вентильных электроприводов погружных насосов при различных режи мах питания даны рекомендации по выбору энергоэффективных режимов работы.
Объект исследования Объектом исследования в работе являются электроприводы центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с серийными погружными маслонапол ненными 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 вспомога тельных 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 электроприво да, принципы системного анализа. Для обработки полученных результатов при менены 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 подтвер ждены: согласованием полученных результатов исследований с соответствующи ми известными положениями из теории электрических машин, теории электриче ских цепей и электропривода;
доказательством адекватности моделей по выпол няемым функциям, а также их апробацией на уровне публикаций;
детальной экс периментальной проверкой всех конструктивных решений, выводов, рекоменда ций.
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 сетка ми, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с клас сической методикой, время расчета. На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автома тического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользо вателя.
2. На основе исследований ПВЭД с помощью КИМ:
– получена количественная оценка влияния технологических зазоров на си лы 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, предложе на схема расположения технологических пазов, обеспечивающая уменьшение ре активного момента в 35 раз и улучшение пусковых свойств ПВЭД.
3. На основании экспериментальных и теоретических исследований разра ботана 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 позво ляет 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 мо делировании, решать задачи по уточнению данных с целью получения требуемых характеристик.
2. Усовершенствованная и запатентованная конструкция ротора со специ альными кольцами, меняющими радиальный размер при воздействии осевой на грузки, позволяет при сохранении технологичности сборки, за счет существенно го 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 ха рактеристики 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 реко мендации по выбору напряжения питания ПВЭД, позволяют повысить энергоэф фективность 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 ис пользованы 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 элек троприводов различного назначения, в том числе и погружных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуж дались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объ ектов» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», а так же на следующих конференциях:
– четырнадцатая международная научно-техническая конференция студен тов 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 электриче ских машин в программе Ansys без интерполяции данных между сетками, позво ливший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета, а также разработанная на его основе КИМ для иссле дования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического по строения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя, ре зультаты проверки адекватности разработанной модели.
2. Результаты исследований ПВЭД на КИМ и рекомендации по совершен ствованию его узлов и деталей, представленные в виде конструктивных решений, позволяющих повысить эксплуатационные характеристики серийных электродви гателей.
3. Результаты экспериментальной оценки зависимости КПД погружных вентильных электроприводов от параметров напряжения на выходе ПЧ и реко мендации по выбору энергоэффективного режима, представленные в виде мето дики настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающей мини мальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН – скважина».
Публикации. По результатам проведенных исследований и теме диссерта ционной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в журна лах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов дис сертации 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 наименова ний. Ее содержание изложено на 173 страницах машинописного текста, включая 84 рисунков, 24 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, оп ределены объект и предмет исследования, цель работы, основные задачи и мето ды исследования, сформулирована научная новизна работы и положения, выно симые на защиту, рассмотрено практическое значение полученных результатов.
В первой главе проведен обзор современного состояния ПВЭД для нефте добычи, проанализированы конструкции и характеристики серийных ПВЭД раз личных 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 нефте добывающих насосов в России начались во второй половине 90-х годов. Большой вклад в развитие теории и практики ПВЭД внесли российские ученые и специали сты 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 «Но вомет-Пермь», ООО «РИТЭК-ИТЦ» заняли лидирующее положение в мире в об ласти, как производства, так и инновационных разработок ПВЭД. КПД серийных ПВЭД по данным производителей в диапазоне частот вращения 2000 – об/мин на 7–10% выше, чем асинхронных. На более низких и более высоких час тотах вращения энергоэффективность вентильных электродвигателей ещё более существенна. Кроме того, имеется возможность целенаправленным подбором оп тимального режима работы вентильного электропривода дополнительно сокра тить 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 иссле дованию 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 технико экономические показатели.
С учетом выше сказанного в работе проведена оценка конструкций и харак теристик серийных ПВЭД по следующим возможным направлениям совершенст вования: улучшение энергетических и функциональных характеристик;
повыше ние 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 ком паний по КПД и надежности.
Эффективным путем повышения ресурса ПВЭД, имеющих число пар полю сов на роторе больше единицы, является уменьшение влияния сил односторонне го 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 раз работка технических решений, обеспечивающих уменьшение реактивного момен та, 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 (пово рот) пакетов ротора на валу относительно друг друга. При этом пакеты ротора уг лового смещения магнитов не имеют. Однако реактивный момент этими техниче скими 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 заполне ния 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 трансформа тор, а также станция управления с ПЧ. На долю электропривода приходится в сумме до 30% потерь мощности в установке. Достигнутое максимального значе ния КПД каждого узла на практике не обеспечивает максимального значения КПД всего электропривода, поскольку имеет место взаимное влияние характери стик узлов.
В отношении комплексного критерия оценки регулируемых электроприво дов комплектных установок с ПВЭД, включающего в себя стоимость, КПД сис темы и ресурс, наиболее рациональным представляется проведение обязательной настройки режима эксплуатации исходя из технических характеристик оборудо вания 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 раз работан 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 на сыщения стали на силы магнитного притяжения, конфигурации магнитной систе мы и размеров магнитов на реактивный момент, для решения разнообразных по левых задач в работе выбран метод конечных элементов. С учетом того, что мо дель должна: давать адекватные результаты для любых экспериментальных, се рийных и модернизированных конструкций ПВЭД;
приводить к быстрому полу чению надежных результатов при решении широкого класса задач;
иметь воз можности расширения и интеграции в систему проектирования предприятия, а также быть общедоступной, – в качестве расчетной системы выбрано программ ное обеспечение Ansys.
При разработке КИМ в работе последовательно решены следующие трудо емкие и требующие глубокого знания Ansys задачи: постановка задачи моделиро вания;
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, проведен ные автором на трехмерных моделях для ряда ПВЭД, показали, что для конструк ций, достаточно протяженных в направлении оси вращения вала, краевыми эф фектами 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 Az 1 A ) + ( z ) = J z (, (1) x µ x x y µ y 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 потенциа лам вычисляются значения индукции во всех точках модели. В литературе разо браны типовые примеры по решению ста ционарных задач без изменения геометрии во время расчета. Однако такой подход не Рис. 1.Иллюстрация связи сеток при позволяет исследовать параметры, связан- помощи интерполяции по известному ные с изменением магнитного поля во методу времени, например, значения ЭДС в об мотках. В работах К. Мякушева предлагается связывать поверхности вращающе гося ротора и статора при помощи интерполяции данных между несовпадающими узлами расчетных сеток. На рис. 1 приведена графическая иллюстрация интерпо ляции данных между несовпадающими сетками. Система уравнений для магнит ного потенциала при этом усложняется интерполяционным полиномом, который определяет связь проекции узла поверхности с более редкой сеткой на поверх ность с более частой. При использовании такого метода можно адекватно смоде лировать динамические процессы, но на практике даже для расчета одного оборо та ПВЭД требуется несколько часов.
В работе доказано, что значительно сократить время расчета позволяет ис ключение затратной по времени процедуры интерполяции данных между сетками во время вращения за счет моделирования разных положений ротора последова тельным 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 соответст вующие граничные условия. Связь узлов поверхностей магнитного зазора проил люстрирована на рис. 3. Связь точек, условно (а) и (б), лежащих на разных боко вых сторонах сектора на одинаковом удалении от центра задается в КИМ уравне нием (2).
0 = Az(а)+Az(б) (2) Для имитации вращения ротора в КИМ рассчитываются последовательные варианты связи ротора и статора. Связь представляет собой уравнивание относи тельно расчетной степени свободы, для задания которого в программе Ansys ис пользуется команда CE. Для имитации вращения на первом шаге магнитный по тенциал противолежащих узлов уравнивается согласно уравнению (3), как пока зано 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 следую щий 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 пер вым 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 уравне нию (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, зна чения индукции во всех точках машины. Это дает возможность с высокой точно стью определить в КИМ электрические потери и потери в стали, а также при по мощи 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 КИМ на модели языке макрокоманд APDL написана программа, которая позволя строить модель позволяет автоматически без помощи графического интерфейса. Построение модели в ру интерфейса руч ном режиме занимает несколько час часов, в то время как разработанная на языке APDL программа позволяет сделать это за несколько минут минут.
В основу теплового расчета положено уравнение теплопроводности:
теплопроводности 2T 2T 2T T c = q + x 2 + y 2 + z 2, (4) t x y z где: – плотность материала;
с – теплоемкость материала;
q – удельное объемное материала тепловыделение;
– коэффициент теплопроводности по соответствующей оси x, оси;
y, z – координаты;
Т – температура в заданной точке.
точке Обоснованы и приняты следующие допущения: перемещение тепла в осевом риняты допущения еремещение направлении несущественно что позволяет решать задачу в двумерной постано ии несущественно, постанов ке;
температуры на внутренней поверхности статора и внешней поверхности ро емпературы р тора маслозаполненных ПВЭД равны температура всех деталей пакета ротора равны;
емпература одинакова и равна температуре на его поверхности в расточке.
поверхности Геометрия модели при тепловом расчете (рис. 5) учитывает различные теп лопроводности материалов элементов паза. Граничные условия по внутренн паза внутренней границе магнитопровода задаются потоком мощности от потерь в масле и доба- доб вочных потерь в элементах конструкции ротора и подшипни подшипников, теплоотдача с корпуса – конвекцией. Для расчета берется значение коэффици конвекцией коэффициента теплоотдачи, вычисленное по эмпирическим методикам, либо рассчитывается только перегрев методикам относительно корпуса, если задача это допускает.
корпуса зад 0, Индукция, Тл 0, 0, 0, 0, 0,4 Полное сечение 0, Один полюс 0, 0, геометрический угол, град.
-0,1 0 20 40 60 -0, Рис. 4. Распределение индукции по зазору Рис. 5. Модель для теплового расчета В результате теплового расчета на КМИ получаем распределение температу температ ры по сечению электрической машины данные о температуре в конкретных то нию машины, анные точ ках. Картина перегревов, полученная на КИМ, в сочетании с эмпирическими дан ными о теплоотдаче с поверхности двигателя в пластовую жидкость позволяют определить предельные температуры пластовой жидкости в скважине, при кото рых допустима эксплуатация установки.
Оценка адекватности результатов моделирования произведена путем сравне ния 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 гид равлических 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 односто роннего магнитного притяжения в конструк циях серийных ПВЭД, получена количест венная оценка влияния технологических за зоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора. На рис. 6 приве дено распределение силовых линий по сече нию двигателя при смещении ротора. Видно, что в направлении радиального сдвига рото ра 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 мм с радиально намагниченными магнитами сдвиге ротора приведен график зависимости усилия, дейст вующего 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.
Удельное усилие, Н/м 1.6 мм 2 мм Сдвиг мм Сдвиг, 0 0,5 1 1, Рис. 7. Зависимости усилия дейст усилия, дейс Рис.8. Фрагмент активной части ПВЭД: 1 Рис ПВЭД вующего на 1 метр активной длины статор, 2 - магнитопровод 3 - корпуса под магнитопровод, двигателя двигателя, от сдвига оси ротора отн отно- шипников, 4 - вал, 5 - пакеты ротора, 6 - под ротора сительно оси статора вижные втулки, 7 - кольца с конусообразными торцевыми поверхностями 8 - полукольцо, 9 поверхностями, цилиндрическая втулка удельный реактивный момент Нм/м момент, Нм м -1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 геом угол, град - - 1 паз 2 паза 3 паза - Рис. 9. Сечение ПВЭД с тремя пазами Рис Рис Рис.10. График зависимости удельного (на на на внутренней поверхности зубцов ста ст единицу длины активной части ПВЭД) реак ПВЭД реа тора: 1 – технологический паз 2 – ста паз;
тивного момента от углового положения рот рото тор;
3 – ротор;
4 – постоянный магнит янный ра при числе пазов 1, 2 и 3 на внутренней по п верхности зубцов статора на рис. рис Исследовано влияние конструктивных особенностей серий серийных ПВЭД с тан генциально и радиально намагниченными магнитами на роторе на реактивный момент момент. В частности, выявлено существенное влияние позиционирования техно частности техн логических пазов в расточке двигателя (рис. 9) и их количества на реактивный рис момент. Предложены схемы расположения пазов, обеспечивающие уменьшение хемы пазов реактивного момента и улучшение пусковых свойств ПВЭД. Например, конст х ПВЭД рукция на рис. 9 с тремя технологическими пазами, равномерно расположенными на внутренней поверхности зубцов статора обеспечивает умен статора, уменьшение реактивно го момента в 35 раз по сравнению с серийной с двумя пазами (рис. 10), что спо собствует улучшению пусковых свойств погружных двигателей а также, сниже двигателей, нию вибрации.
На КИМ исследованы тепловые процессы (рис. 11). В частности определены сследованы частности, зависимости максимального перегрева в обмотке относительно корпуса от потерь в ПВЭД при номинальных частотах вращения (рис. 12). Кривые позволяют, имея паспортную зависимость КПД двигателя от нагрузки, определять температуру нагрузки внутри двигателя для его текущего режима в скважине, и применяются в специа лизированных программах для подбора оборудования и его режима в скважине скважине.
40 T, град. T, град.
20 10 p, кВт/м p, кВт/м 0 0,0 2,0 4,0 6,0 0,0 3,0 6,0 9, Рис. 11. Распределение тем м- а) б б) пературы (относительно Рис. 12. Зависимость максимального перегрева в обмотке тельно Рис корпуса) по сечению ПВЭД от суммарных потерь в ПВЭД: а) для габарита 117 мм;
ПВЭД а б) для габарита 130 мм По результатам исследований на 0, КПД КИМ и расчетов по традиционным мето в мет 0, дикам характеристик ПВЭД с различными 0, параметрами обмотки сделан вывод о цце 0. 0, лесообразности применения обмоток, рас 0. 0, считанных на максимально допустимое д 0, номинальное напряжение с увеличенным Мощность, о е Мощность о.е.
0, количеством эффективных проводников в 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1, пазу (технологический коэффициент за технологический з Рис. 13. Зависимость КПД от мощности полнения паза 0,770,79). Такое решение для разных коэффициентов заполнения паза позволяет повысить КПД серийных ма- м шин для различных модификаций в сред сре нем на (11,2)%. Зависимость КПД от мощности на валу в относительных едини един цах для разных коэффициентов заполнения паза представлена на примере двига двиг теля в габарите 117 мм на 3000 об/мин мощностью 63 кВт. За базо об мин кВт базовое взято номи нальное значение мощности Двигатели имеют одинаковую геометрию железа ние мощности. ковую статора и активной части ротора и отличаются только обмоточными данными данными.
При исследовании на КИМ также выявлено, что в установившемся режиме выявлено 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 энергетиче ских характеристик серийных погружных вентильных электроприводов при раз личных параметрах напряжения питания и регулировании частоты вращения УЭЦН.
Исследования проводились с использованием высокоточных сертифициро ванных и поверенных приборов и оборудования на стенде-скважине в ОАО «ОКБ БН КОННАС» и нагрузочном стенде в ЗАО «Новомет-Пермь». Получены экспе риментальные зависимости КПД ПВЭД от момента на валу при синусоидальном и шестиимпульсном питающих напряжениях. Полученные результаты при номи нальных частотах вращения двигателей представлены в табл. 1 и на рис. 14.
0,94 0, КПД КПД 0, 0, 0, 0,88 0, Син. напр.
0, 0, Шестипульсное напр.
0, 0, 0, M, % U, В 0, 0, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2500 2700 2900 3100 3300 Рис. 14. Экспериментальная зависимость Рис. 15. Зависимость КПД двигателя от КПД ПВЭД от момента на валу при напряжения на частоте вращения частоте вращения 3000 об/мин. об/мин Проведенные исследования показали, что эксплуатация станции управления с ПЧ универсального типа с подачей на ПВЭД напряжения синусоидальной фор мы позволяет увеличить КПД вентильных двигателей на 22,5%. Для электродви гателей типа ПВЭДН (производства ЗАО «Новомет-Пермь») при частоте враще ния 3000 об/мин максимальный КПД двигателей повышается с 91% до 93%, для двигателей с номинальной частотой вращения 6000 об/мин КПД лежит в интерва ле 92 94%.Для вентильных двигателей других производителей, имеющих дру гую 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 трансформато ра);
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 Номинальная мощность на валу, кВт 140 50 300 Номинальная частота вращения, об/мин 3000 6000 3000 Мощность на валу, кВт 140,5 50,2 300,1 200, Частота вращения, об/мин 3000 6000 3000 Потребляемый 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 КПД 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 уста новок, 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 экспери ментальных данных установлено, что напряжение, соответствующее минимуму потребляемого тока, отличается от соотношения, при котором достигается макси мум КПД двигателя. Для минимизации потерь в УЭЦН необходимо настраивать ПЧ с учетом длины кабеля. В зависимости от комплектации конкретной установ ки, при малых глубинах погружения выгодным может оказаться режим макси мального КПД двигателя, при больших глубинах – режим минимального тока.
На основании исследований были разработана и апробирована инженерная методика настройки на скважинах величины напряжения питания ПВЭД обеспе чивающего 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 модели рования электромагнитных полей электрических машин в программе Ansys путем отказа от интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точно сти снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета.
На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектиро вания ПВЭД сподпрограммами для автоматического построения моделей при па раметрическом анализе по заданию пользователя. На основе натурного моделиро вания произведена проверкаданногоподхода и разработанной модели ПВЭД на адекватность.
2. На основе исследований ПВЭД на КИМ:
– Получена количественная оценка влияния технологических зазоров на си лы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора;
на ее основе усовер шенствована 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 мо мент, в том числе, выявлено существенное влияние на его величину расположе ния 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 характери стик ПВЭД с различными параметрами обмотки позволили, в частности, устано вить, что применение обмоток, рассчитанных на максимально допустимое номи нальное напряжение с увеличенным количеством эффективных проводников в па зу (технологический коэффициент заполнения паза 0,770,79) позволяет повысить КПД серийных машин в среднем на (11,2)%.
4. Составленные по результатам экспериментальных и теоретических иссле дований рекомендации по выбору напряжения питания ПВЭД позволяют повы сить энергоэффективность УЭЦН: увеличить КПД вентильных двигателей на 22,5%, повысить КПД повышающего трансформатора на величину до 0,5%, сни зить потребляемый ток (до 6%) и потери в питающем кабеле (до 12%). Разработа на и апробирована методика настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающая минимальное значение потребляемого тока для текущего со стояния системы «УЭЦН – скважина».
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Хоцянов И.Д. Оптимизированный по времени расчет электромагнит ных и тепловых полей электромеханических устройств с постоянными маг нитами в программе Ansys // «Вестник МЭИ», 2012. № 4. – с. 36-42.
2. Хоцянов И.Д., Санталов А.М., Кирюхин В.П., Хоцянова О.Н. Вентиль ные электроприводы для центробежных насосов // «Вестник МЭИ», 2007. № 3. – с. 21-26.
3. Хоцянов И., Санталов А.., Перельман О., Рабинович А., Пошвин Е., Коше лев 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 объ ектов: 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: Пятнадца тая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. – М.: из дательский дом МЭИ, 2009. Т.2. – с. 89-91.
7. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Разработка методики расчета погружных асинхронных электродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергети ка: 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: Шестна дцатая 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., Коше лев 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.