CC BY
36
УДК 621.313.333.2
ЖЕЛЕЗНЯКОВ А.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) КАРАВАН И.А., директор (Донецкий электрометаллургический техникум)
Эксцентриситет ротора в погружных асинхронных двигателях
Zheleznyakov A.V., Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor (DRTI) Karavan I.A., Director (DEMTS)
Rotor eccentricity in submersible asynchronous motors
Введение
Асинхронные двигатели (АД) являются основными потребителями электрической энергии в
промышленности и сельском хозяйстве. Согласно статистики, они потребляют свыше 80% всей вырабатываемой электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода большинства механизмов промышленного
оборудования, поэтому качество и надежность работы АД во многом определяют эффективность,
экономичность, производительность и другие технико-экономические
показатели технологических процессов. Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы АД для всех отраслей промышленности и народного хозяйства.
На надежность работы АД влияют различные факторы конструкторского и эксплуатационного характера. Опыт эксплуатации и производства АД показывает, что весьма серьезным дефектом в эксплуатации электрических машин является эксцентриситет ротора.
Эксплуатация электродвигателя с таким видом дефекта не приводит к немедленному выходу его из строя, но снижает надежность работы,
долговечность и другие технико-экономические показатели. Искажается магнитное поле в воздушном зазоре, создается одностороннее магнитное
притяжение, КПД снижается на 1,5...2%, появляются дополнительные высшие гармоники поля, снижается пусковой момент на 10.13%, растут местные нагревы на 5.6% [1].
Причины появления
эксцентриситета обусловлены как ошибками при производстве и сборке машины, так и неблагоприятными условиями её эксплуатации. В общем случае различают статический и динамический эксцентриситет. При статическом эксцентриситете
неравномерная конфигурация
воздушного зазора не изменяется во времени при вращении ротора. Статический эксцентриситет возникает при радиальном или угловом смещении оси вращения ротора относительно продольной оси статора, при этом оси статора и ротора остаются взаимно неподвижными. При динамическом эксцентриситете конфигурация
воздушного зазора при вращении ротора изменяется, что обусловлено вращением оси ротора относительно оси статора.
Ввиду малости воздушного зазора в АД даже незначительный эксцентриситет ротора, нарушая симметрию конструкции машины, значительно ухудшает ее работу. Эксцентриситет существенно ухудшает эксплуатационные характеристики
машины и может быстро привести ее в неработоспособное состояние.
Анализ последних исследований и публикаций
Основным способом
механизированной добычи нефти в Российской Федерации (РФ) является использование установок
электроцентробежных насосов (УЭЦН) с приводом от специальных вертикальных асинхронных
маслонаполненных двухполюсных погружных двигателей (ПЭД). Данным способом эксплуатируется свыше 55% фонда скважин и добывается около 410 млн. т нефти в год, что составляет 75% от всего объема добычи в РФ [2].
За весь семилетний период (20062012 гг.) механизированного способа с помощью УЭЦН битумной нефти Ашальчинского месторождения
(Татарстан) было произведено 99 подземных ремонтов, из них 35 ремонтов по причине отказа оборудования: 23... 66% гидрозащита; 5...14% насос; 4.11% кабель; 3.9% ПЭД [3].
Ежегодно в ОАО
«Юганскнефтегаз» происходит около 6000 отказов УЭЦН. В целом отказы по различным причинам распределяются следующим образом: около 40 % -отказы, связанные с работой насоса; около 30 % - нарушение изоляции кабеля; около 30 % - отказы ПЭД [4].
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.
Ввиду значительной аксиальной длины ПЭД при его сборке возможно появление эксцентриситета,
обусловливающего неравномерность воздушного зазора вдоль оси статора и, в результате, появление магнитных сил одностороннего магнитного тяжения.
Таким образом, исследование влияния эксцентриситета на
работоспособность ПЭД является актуальной задачей, решение которой способствует как повышению надежности, так и экономической эффективности работы УЭЦН.
Цель работы
Исследовать влияние
эксцентриситета в ПЭД на величину силы одностороннего магнитного тяжения с целью определения воздействия последней на
работоспособность двигателя.
Основной материал
Исследование особенностей
распределения полей в ПЭД проведено для секционного ПЭД с литой медной короткозамкнутой обмоткой ротора типа ПЭД 45-117 МВ5 мощностью 45 кВт [5, 6].
На рис. 1 представлен фрагмент картины электромагнитного поля для случая эксцентриситета, при котором минимальный зазор в ПЭД 45-117 МВ5 составляет 0,1 мм, а максимальный -0,5 мм (при среднем рабочем зазоре 0,3 мм).
На рис. 1 отчетливо видно увеличение магнитной индукции в зубцово-пазовой зоне в правой части рисунка на участке с и её
ослабление на участке с с>тх . Так, если в области минимального зазора
индукция достигает значения 1,16 Тл, то в области максимального - всего 0,51 Тл [5].
Значение силы одностороннего магнитного тяжения определяется после расчета поля по тензору магнитного натяжения. Составляющая магнитной силы, действующей по нормали к поверхности £, охватывающей тот элемент конструкции двигателя (например, его ротор), для которого определяется сила, рассчитывается по выражению [7]:
Г = — -I" (Б2 - Б2) • е®,
П г\ 1 У П Т ' '
2/ х
(1)
где Бп
и
Б - нормальная
и
тангенциальная составляющие
магнитной индукции на выделенной поверхности.
При анализе двумерных полей интегрирование по поверхности
заменяется интегрированием по замкнутому контуру, охватывающему рассматриваемый элемент конструкции. С учетом этого, после замены интеграла конечной суммой на N отрезках, полная сила одностороннего магнитного тяжения рассчитывается по формуле:
гп
/0 N
N-1 2 2 2 (Бп1- БТ1X
(2)
где Я3 - радиус замкнутой расчетной линии, проходящей через середину воздушного зазора и охватывающей ротор;
Б , Б - нормальная и
тангенциальная составляющие вектора магнитной индукции на / -ом отрезке;
- активная длина двигателя; / = /0, так как расчетная линия полностью лежит в воздушном зазоре.
Рис. 1. Фрагмент картины электромагнитного поля ПЭД 45-117 МВ5 при эксцентриситете = 0,1 мм и = 0,5 мм
На рис. 2 изображена расчетная зависимость силы одностороннего магнитного тяжения в функции от относительного эксцентриситета
£ = (Зтх ¿щах . Параметр £ может
изменяться в пределах от нуля (отсутствие эксцентриситета) до £ = 1 (касание ротора о статор). Расчет выполнен на длину одного сердечника ротора.
Эксцентриситет, о.е.
Рис. 2. Сила одностороннего магнитного тяжения от относительного эксцентриситета £= (8тх 5тх
Из рис. 2 следует, что при увеличении эксцентриситета сила одностороннего тяжения резко увеличивается, достигая при касании ротора о статор значения около 15 кН.
С помощью разработанной методики проанализированы также силы одностороннего тяжения, возникающие при нарушении продольной соосности ротора и статора
(при непараллельности осей статора и ротора). На рис. 3 изображены две кривые действующих на ротор сил одностороннего тяжения для случаев, когда максимальный эксцентриситет на торцах достигает соответственно £ = 1 и £ = 0,5. При этом оси статора и ротора пересекаются друг с другом в центре активной длины пакета ротора [5].
Рис. 3. Силы одностороннего тяжения при непараллельности осей
статора и ротора
Выводы
Проведенное исследование
показало, что эксцентриситет в ПЭД может оказать значительное влияние на работоспособность двигателя и поэтому требуется разработка специальных конструкторских решений и
технологических операций по его устранению.
Список литературы:
1. Иванов-Смоленский А.И. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / А.И. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин,
А.И. Власов, В.А. Кузнецов / Под ред. А.И. Иванова-Смоленского. - М: Энергоатомиздат, 1986. - 216 с.
2. Шафиков И.Н. Повышение энергоэффективности электроприводов погружных электроцентробежных насосов: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. - Уфа, 2020. - 176 с.
3. Пятов И. Поршневая гидрозащита ПЭД - Опыт применения в битумных скважинах / И. Пятов, Б. Аристов // Журнал «Нефтегазовая Вертикаль», 2013. - № 13-14/2013. -С. 66-68.
4. Кудряшов С.И. Повышение надежности погружных систем УЭЦН на примере опыта эксплуатации в ОАО «Юганскнефтегаз» / С.И. Кудряшов // Научный журнал «Нефтяное хозяйство», 2005. - № 6. - С. 126-127.
5. Железняков А.В. Совершенствование асинхронных электродвигателей привода погружных насосов путём применения литой
медной короткозамкнутой обмотки ротора: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.01. - Донецк, 2008. - 123 с.
6. Чувашев В.А. Технологические аспекты изготовления литой медной короткозамкнутой обмотки ротора взрывозащищённых электродвигателей / В.А. Чувашев, В.Ю. Чуванков, А.В. Железняков, Ю.Н. Папазов // Сб. науч. тр. Украинского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института взрывозащищённого и рудничного электрооборудования с опытно-экспериментальным производством. Сер., Взрывозащищённое
электрооборудование. - 2007. - С. 225241.
7. Васьковський Ю.М. Математическое моделирование электромеханических преобразователей энергии. - Киев: НТУУ «КПИ», 2003. -164 с.
Аннотации:
В статье рассмотрены причины появления эксцентриситета ротора в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, его влияния на энергетические характеристики двигателей. Определено, что эксцентриситет в погружных двигателях оказывает значительное влияние на его работоспособность и поэтому требуется разработка специальных конструкторских решений и технологических операций по его устранению.
Ключевые слова: погружной
асинхронный двигатель, воздушный зазор, сила магнитного тяжения, эксцентриситет.
The article deals with the reasons of appearance of rotor eccentricity in asynchronous motors with a short-circuited rotor, its influence on the energy characteristics of the motors. It is determined that the eccentricity in submersible engines has a significant impact on its performance and therefore it is required the development of special design solutions and technological operations to eliminate it.
Keywords: plunged induction motor, air gap, strength of the magnetic pull, eccentricity.
