CC BY
28
УДК 621.313.333
ЖЕЛЕЗНЯКОВ А.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ТРУНАЕВ А.М., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
ВОРОБЬЁВ А.А., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ВАХИТОВ М.С., преподаватель дисциплин профессионального цикла (Донецкий электрометаллургический техникум)
Экспериментальные исследования электродвигателей привода погружных центробежных насосов
Zheleznyakov А^., Candidate of Technical Science, Associate Professor (DRTI) Trunaev A.M. Senior Lecturer (DRTI) Vorobyov A.A., Assistant (DRTI)
Vakhitov M.S., Professional Disciplines Teacher (DMEC)
Experimental studies of electric motors for driving submersible centrifugal pumps
Введение
Объектом экспериментальных исследований являются погружные электродвигатели типа ПЭД45-117МВ5 - серийный и опытный. Серийный электродвигатель изготовлен на заводе ОАО «АЛНАС» (г. Альметьевск, Татарстан, Россия), ротор его состоит из 11 пакетов со сварной медной короткозамкнутой обмоткой (СМКО). Опытный электродвигатель имеет ротор, состоящий из 11 пакетов с литой медной короткозамкнутой обмоткой (ЛМКО), изготовленных на ГП «ХПЗ им. Т.Г. Шевченко». Опытный электродвигатель собран на заводе ОАО «АЛНАС» с экспериментальным ротором.
Экспериментальные исследования образцов электродвигателей проводятся с целью сравнительной оценки пусковых и рабочих характеристик, механических характеристик,
энергетических показателей и теплового
состояния электродвигателей для привода погружных
электроцентробежных насосов [1-5].
Анализ последних исследований и публикаций_
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее
экономичными и эффективными установками для подъёма пластовой жидкости (нефти, воды,
газоконденсатных эмульсий) являются установки погружных
электроцентробежных насосов,
приводом которых служат
вертикальные асинхронные
маслозаполненные двухполюсные
погружные электродвигатели (ПЭД). Такие установки появились более 50 лет назад и являются в Украине и странах СНГ основным средством для добычи нефти: ими добывается более 70 % всей нефти.
Ресурс до списания применяемых в настоящее время ПЭД значительно
меньше нормативного. Поэтому повышение их энергетической эффективности и показателей надёжности в продолжительном и повторно-кратковременных режимах работы является актуальной проблемой, так как замена вышедшего из строя ПЭД - весьма дорогостоящее мероприятие, а профилактическое обслуживание для продления их ресурса не практикуется из-за значительных расходов по подъему двигателя на поверхность.
Оценка перспектив развития ПЭД показывает, что кардинальных изменений их конструкции в ближайшем будущем не предвидится. Поэтому резервы дальнейшего увеличения их полезной мощности, энергетической эффективности и надёжности следует искать в совершенствовании технологии
изготовления и методов проектирования с учётом условий эксплуатации.
Опираясь на опыт разработки, изготовления и эксплуатации взрывозащищённых асинхронных
электродвигателей (АД) для угольной, химической и нефтедобывающей промышленности, можно принять в качестве основного пути повышения энергетической эффективности и надежности ПЭД применение литой медной короткозамкнутой обмотки (ЛМКО) ротора [1-8].
Цель работы_
Информирование о результатах сравнительных испытаний ПЭД с различными обмотками ротора.
Основной материал_
Значения сопротивлений обмотки статора. Сопротивление двух фаз обмотки при температуре 17°С без
подводящих проводов: R1-2 = 2,798 Ом; Я1-3 = 2,812 Ом; R2-3 = 2,815 Ом.
Сопротивление каждой фазы при температуре 17°С: R1 = 1,3975 Ом; R2 = 1,4005 Ом; R3 = 1,4145 Ом.
Условно-среднее сопротивление фазы обмотки статора при температуре 17°С: Rср = 1,40417 Ом.
Приведенные значения условно-среднего сопротивления фазы:
при и = 20°С Rф = 1,42088 Ом;
при и = 115°С Rф = 1,95023 Ом.
Характеристики холостого хода приведены на рис. 1.
Характеристики короткого
замыкания (^ = 115°С) приведены на рис. 2.
Рабочие характеристики
(и = 1400 В) приведены на рис. 3.
Механическая характеристика приведена на рис. 4.
Результаты испытаний
погружного электродвигателя ПЭД45-117МВ5 со сварной медной обмоткой ротора (серийный образец).
Значения сопротивлений обмотки статора.
Сопротивление двух фаз обмотки при температуре 14°С без подводящих проводов: Я1-2 = 2,827 Ом; Я1-3 = 2,827 Ом; Я2-3 = 2,826 Ом.
Сопротивление каждой фазы при температуре 14°С: Ю = 1,414 Ом; Я2 = 1,413 Ом; Я3 = 1,413 Ом.
Условно-среднее сопротивление фазы обмотки статора при температуре 14°С: Яср = 1,4133 Ом.
Приведенные значения условно-среднего сопротивления фазы:
при и = 20°С Яф = 1,4474 Ом;
при и = 115°С Яф = 1,9866 Ом.
Характеристики холостого хода приведены на рис. 5.
Характеристики короткого
замыкания (^ = 115°С) приведены на рис. 6.
Рис. 1. Характеристики холостого хода
с».Уф
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
Р, кВт
250
200 150 100 50 О
1,Л 150
120
90
60
30
О
СОХ ф„
■ к
Г /
/ 'чА / * ¿г у ик = 1400 В
у 1 к = 158,2 А У /» = 250,76 кВт
* СОАфк = 0,6376
I,, cos<p
А %
35 11 0,85
30 9 0,80
25 7 0,75
20 5 0,70
15 3 0,65
10 1 0,60
400 800 1200
Рис. 2. Характеристики короткого замыкания
П,
%
85
и, В 1600
л,
кВт
60 50 40 30 20 10
84 83 82 81 80
/
^Г^ Р2=45 кВт ; Р,=53,615 кВт
1„=25,4 А; с<щ=0,865 ¡¡=5,63 %; КПД=84,2%
15
25
35
45
55 Р,, кВт
Рис. 3. Рабочие характеристики
500 /ООО 1500 2000 2500 п, об/мин Рис. 4. Механическая характеристика
Рис.5. Характеристики холостого хода
400 800 1200 и, В
Рис. 6. Характеристики короткого замыкания
л,
А 35
30
25
20
¡5
10
М, Им
400 300 200 100
%
12 10 8 б 4 2
со$(Р 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60
Р,>
кВт
60
50 40 30 20 10
1,
%\
84' 83 82 81 80
«И<Р ^
Л
1у
Р>=45 кВт; 1,-26 А; Р,=1 ааР КПД 4,243 • 0,85. = &з,; кВтг %
15
25
35
45
55 Р„ кВт
Рис. 7. Рабочие характеристики
Д/ = 164,8 Н м \
Ммикс^420,85 Нм г Ммш=257,8 Н-м \ М,„ск=347,3 Нм \
1 1 \ 1 \
О 500 1000 1500 2000 2500 п, об/мин Рис. 8. Механическая характеристика
Рабочие характеристики
(и = 1400В) приведены на рис. 7.
Механическая характеристика приведена на рис. 8.
В связи со снижением энергетических показателей машины при среднестатистическом режиме эксплуатации УЭЦН целесообразно сопоставить энергетические показатели, как опытного, так и серийного образцов ПЭД не только при номинальной, но и
при длительной среднестатистической эксплуатационной нагрузке. В качестве последней, исходя из анализа особенностей эксплуатации УЭЦН, выбран режим нагрузки равный 0,7 Рном.
Режим номинальной нагрузки. Основные результаты испытаний и параметры опытного и серийного образцов ПЭД45-117МВ5 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний электродвигателей ПЭД45-117МВ5 (серийный и опытный) при напряжении 1400 В и температуре обмотки 115+15 °С
Характеристика Параметр и его размерность Значения па раметров
опытный серийный
Сопротивление фазы t = 20° С Яф, Ом 1,421 1,447
t=115°С Яф, Ом 1,95 1,986
Холостой ход Ро, Вт 2404,76 2467
1о, А 10,41 10,2
Рст, Вт 966,86 976,36
Pмех, Вт 820,48 981
СоБф0 0,097 0,1
Нагрузка Рь Вт 53615 54263
Р2, Вт 45000 45000
Рм1, Вт 3774,2 4028,6
Нагрузка Рм2, Вт 2151 2828
I, А 25,4 26
Б, % 5,63 5,7
П, % 84,2 83,2
сos ф 0,865 0,853
П-сОБ ф 0,728 0,71
М, Нм 164,0 164,8
Короткое замыкание 1к/1 6,2 6
Вращающий момент Мп/М 2,13 2,1
Мтах/М 2,53 2,55
Мтш/М 1,4 1,56
Тепловая Т, °С 36,4 39,7
Обработка и анализ результатов стендовых испытаний опытного образца ПЭД с ЛМКО ротора мощностью 45 кВт по сравнению с аналогичными ПЭД со СМКО ротора (при номинальной нагрузке) показали следующее: замена СМКО ротора на ЛМКО при прочих равных условиях позволяет снизить потери в ПЭД, а именно: потери в обмотке ротора Рм2, потери в стали пакета ротора Рст2, потери в обмотке статора Рм1.
Вследствие неплотной посадки стержней в пазах СМКО ротора под воздействием электромагнитных сил
(при пусках, реверсах, набросах нагрузки и других нестационарных режимах) происходит вибрация стержней в пазах и прерывание поперечных токов. Следствием этого является электроэррозия стенок пазов и самих стержней, которая увеличивает амплитуду колебания стержней и приводит к ещё большей электроэрозии активных элементов. Более полное заполнение пазов ротора медью в ЛМКО приводит к увеличению поперечного сечения стержня и к уменьшению его активного
сопротивления, что приводит к
снижению потерь в обмотке ротора.
Следовательно:
Рм2 (ЛМКО) < Рм2 (СМКО). (1)
Следует также иметь ввиду, что при изготовлении роторов ПЭД с ЛМКО пакет ротора подвергается дополнительной термообработке,
изменяющей магнитные свойства электротехнической стали. Как показали исследования [1-5], потери в стали ротора Рст2 при этом снижаются на 20.. .30%.
Таким образом:
Рст2 (ЛМКО) < Рст2 (СМКО). (2)
Кроме того, снижение потерь в роторе приводит к уменьшению потребляемой мощности Р1 (при одной и той же полезной мощности Р2), что снижает величину потребляемого тока 11 и потерь в обмотке статора Рм1, то есть Рм1 (ЛМКО) < Рм1 (СМКО).
Для ПЭД45-117МВ5 с ЛМКО ротора:
- потери в обмотке ротора Рм2
снижаются на 18.21%;
- потери в стали Рст снижаются на 0,9.1,0 %;
- потери в обмотке статора Рм1 снижаются на 5.6,3%;
двигателя на 1.1,5 % и соБф на 0,01.0,02 о.е. Энергетический КПД, определяемый по выражению:
Пэ= псоБф, (3)
для двигателя с ЛМКО ротора также выше на 2,47 %, чем у ПэД со СМКО.
С уменьшением греющих потерь превышение температуры обмотки статора ПЭД с ЛМКО при сохранении той же полезной мощности снижается
на 3.4 °С, что способствует росту показателей надёжности машины.
Двигатель ПЭД45-117МВ5 с ЛМКО ротора выдержал стендовые испытания и рекомендован к проведению эксплуатационных
испытаний.
Режим среднестатистической эксплуатационной нагрузки.
Энергетические показатели
сопоставляемых образцов ПЭД приведены в табл. 2.
Таблица 2
Энергетические показатели электродвигателей ПЭД45-117МВ5
в режиме среднестатистической эксплуатационной нагрузки (0,7 Рном)
Параметр и его размерность Значения параметров
опытный серийный
П 0,8568 0,8571
сОБ ф 0,82 0,80
ПсОБ ф 0,702 0,686
Как следует из результатов исследований (см. табл. 1 и 2), энергетический КПД опытного ПЭД превышает аналогичный показатель серийной машины на 2,47% и 2,27% соответственно в номинальном и среднестатистическом эксплуатационном режимах. Было установлено, что параметры и характеристики ПЭД с ЛМКО ротора для привода УЭЦН соответствуют требованиям, предъявляемым как в установившемся режиме, так и в повторно-кратковременных режимах работы в эксплуатационных условиях.
Кроме того, энергетические показатели опытного образца ПЭД с ЛМКО ротора, как показали результаты
стендовых испытаний, превосходят аналогичные характеристики
существующих двигателей со СМКО ротора, как в номинальном, так и в среднестатистическом эксплуатационном (0,7Рном) режимах работы [1].
Выводы
1. Параметры и характеристики ПЭД с ЛМКО ротора соответствуют требованиям, предъявляемым к ним как в установившемся режиме, так и в повторно-кратковременных режимах работы в эксплуатационных условиях.
2. Энергетические показатели, тепловые характеристики и надёжность опытного образца ПЭД с ЛМКО ротора превосходят аналогичные характеристики существующих двигателей со СМКО ротора, как в номинальном, так и в среднестатистическом эксплуатационном (0,7 Рном) режимах работы.
Список литературы:
1. Железняков А.В. Совершенствование асинхронных электродвигателей привода погружных насосов путём применения литой медной короткозамкнутой обмотки ротора: дис... канд. техн. наук: 05.09.01 / Железняков Андрей Владимирович, ГВУЗ Донецкий национальный технический университет. - Донецк, 2008. - 123 с.
2. Чуванков, В.Ю. Экспериментальные исследования электродвигателей привода погружных насосов / В.Ю. Чуванков, А.В. Железняков // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: ООО «АИР», 2010. - С. 211-215.
3. Эффективность применения и перспективы развития электродвигателей погружных насосов с литой медной клеткой ротора / В.А. Чувашев, А.В. Железняков, В.Ю. Чуванков [и др.] // Вестник Харьковского НТУ «ХПИ» - «Новые решения в современных технологиях». - Харьков, 2000. -Вып. 84. - С. 189-192.
4. Новое поколение взрывозащищённых асинхронных двигателей привода погружных насосов для нефтяной промышленности / А.В. Железняков, Ю.Л. Медведев, Н.А. Мухаметшин [и др.] // VII Симпозиум «Электротехника 2010». Сб. докл. «Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии». -Московская обл., 2003. - Т. IV. - С. 286294.
5. Исследование технической возможности изготовления литых медных короткозамкнутых обмоток роторов для погружных электродвигателей / В.А. Чувашев,
A.В. Железняков, В.Ю. Чуванков [и др.] // Сб. науч. тр. Украинского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института взрывозащищённого и рудничного электрооборудования с опытно-экспериментальным производством. Сер., Взрывозащищённое
электрооборудование / УкрНИИВЭ. -2008. - С. 18-185.
6. Эффективность применения и перспективы развития электродвигателей погружных насосов с литой медной клеткой ротора / В . А . Чувашев, А.В. Железняков,
B.Ю. Чуванков [и др.] // Вестник Харьковского НТУ «ХПИ»: сб. науч. тр. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. -Вып. 84. - С.189-192.
7. Патент № 27993 МКИ Н02К 17/164. Ротор електрично'1 машини / Ш.Ф. Тахаутдшов, В.А. Чувашев, П.1. Захарченко та iH. - заявл. 26.05.99; опубл. 16.10.2000, Бюл. № 5.
8. Математическая модель расчёта погружного электродвигателя для привода бесштангового центробежного электронасоса / В.А. Чувашев, А.В. Железняков, Ю.Л. Медведев [и др.] // Вестник Харьковского НТУ «ХПИ»: сб. науч. тр. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2001. - Вып. 16. - С. 158-162.
9. L. Doffe etal Fasiva (France). Influence of the rotor Inner Diameter and the Supply Frequency Cage Rotor // ICEM, 2002, Aug. 2A (312/24).
Аннотации:
Работа посвящена экспериментальным исследованиям электродвигателей привода
подгруженных центробежных насосов. В результате эксперимента установлено, что параметры и характеристики ПЭД с ЛМКО ротора для привода УЭЦН соответствуют требованиям, предъявляемым как в установившемся режиме, так и в повторно-кратковременных режимах работы в эксплуатационных условиях.
Ключевые слова: погружной
асинхронный двигатель, литая медная короткозамкнутая обмотка ротора, параметры и характеристики электродвигателей.
The work is devoted to experimental studies of electric motors for driving loaded centrifugal pumps. As a result of the experiment, it was found that the parameters and characteristics of a submersible motor with a LMKO rotor for an ESP drive meet the requirements for both a steady state and intermittent operation under operating conditions.
Keywords: plunged induction motor, centrifugal pump, cast copper short circuited winding, parameters and characteristics of electric motors.
