CC BY
20
6. Marchesini J. L, Jeannin P. O, Avenas Y, Delaine J, Buttay C, Riva R. Implementation and Switching Behavior of a PCB-DBC IGBT Module Based on the Power Chip-on-Chip 3-D Concept // IEEE Transactions on Industry Applications. 2017. Vol. 53, Is.1. P. 362-370. DOI: 10.1109/TIA.2016.2604379.
7. Электротехнический справочник: в 4 т. Т. 4. Использование электрической энергии. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 696 с.
8. Mutsubishi IGBT modules CM400HA-24. High power switching use insulated type: http // www. datasheet / cm.400ha-24. (Дата обращения: 01.03.2017).
9. Request Infineon Technologies TT500N12KOF Discrete Semiconductor Modules: http // www.Alldatasheet.net. (Дата обращения: 01.03.2017).
10. Catalogue of JSC «Novomet». Perm: JSC «Novomet», 2009.
УДК 021. 314. 261: 622
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОГРУЖНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ ВАРИАЦИЯХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАКЕТА РОТОРА
Е. М. Кузнецов1, А. Ю. Ковалев2, В. В. Аникин3
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2'3Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск. Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-58-62
Аннотация - Разработана математическая модель для исследования изменений энергетических показателей погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД) при вариациях параметров пакета ротора. Определены в программе Mathematica коэффициенты влияния вариаций активного сопротивления ко-роткозамкнутой обмотки пакета ротора ПЭДН32-117 на потери мощности в этом пакете, а также на КПД и электромагнитный момент ПЭД. Выявлен наихудший энергетический режим пакета, характеризующийся ростом потерь мощности на 61,6% в условиях номинальной нагрузки ПЭД, перегревом пакета и преждевременным выходом ПЭД из строя. Обоснована необходимость контроля активного сопротивления пакетов ротора на этапе сборки ПЭД и целесообразность комплектования ротора пакетами с положительными и отрицательными вариациями активных сопротивлений для компенсации вариаций, имеющих разные знаки, стабилизации и сокращения разброса энергетических показателей ПЭД.
Ключевые слова: потери мощности, КПД, электромагнитный момент, скольжение.
I. Введение
Известно, что энергоэффективная и безаварийная эксплуатация установок электроцентробежных насосов (станция управления, промысловый трансформатор, синусный фильтр гармоник - СФ, кабельная линия, погружной электродвигатель - ПЭД, электроцентробежный насос - ЭЦН, насосно-компрессорные трубы), реализующих в России основной способ нефтедобычи [1], существенно зависит от режима работы ПЭД [2, 3], осуществляющего вращение ЭЦН в агрессивной среде скважины на глубинах 1...3 км для получения управляемого напора и извлечения нефти на поверхность. СФ в составе установок эффективно подавляет высшие гармоники в спектре выходного напряжения станций управления, действующих в динамическом режиме синусоидальной широтно-импульсной модуляции [4, 5].
ПЭД маслозаполненные, вертикального исполнения, мощностью до 500 кВт, диаметром 96...185 мм, длиной до 22 м имеют составной ротор, выполненный из набора пакетов (от 3 -х до 50) с самостоятельными короткоза-мкнутыми обмотками и многосекционный статор с общей протяжной трехфазной обмоткой [6]. Электромагнитные параметры пакетов имеют конструктивные, технологические и режимные отклонения от номинальных значений [6], что приводит к перераспределению потерь мощности в роторе и к изменению энергетических показателей ПЭД. При неблагополучном сочетании отклонений возможны тепловая перегрузка и заклинивание одного из пакетов (наиболее слабого звена ротора), в результате чего ПЭД выходит из строя.
Изучение влияния вариаций электромагнитных параметров пакетов ротора на режимы ПЭД актуально, но на действующих установках электроцентробежных насосов невозможно, так как для этого необходим доступ к
ротору ПЭД. Целью данной работы является создание математической модели, позволяющей произвести исследование влияния отклонений параметров пакета ротора в пределах поля допуска на энергетические показатели ПЭД, и представить полученные результаты в виде соотношений, удобных для практического применения.
II. Теоретическая часть
Объектом исследования является ПЭД типа ПЭДН32-117, однополюсный (р = 1), трехфазный (т1 = 3 ), мощность на валу 32 кВт, диаметральный размер 117 мм, рабочее напряжение Ц = 1000 В, коэффициент полезного действия ^ = 0,859, коэффициент мощности Со5ф = 0,837, электромагнитный момент 98,7 Нм, номинальное скольжение 5 = 0,0459, ротор содержит восемь пакетов [7]. Для определения влияния отклонений параметров восьмого пакета на параметры ПЭД представим его схемой замещения (рис. 1).
Рис.1. Схема замещения ПЭД
Эквивалентные параметры обмотки статора ПЭД (активное сопротивление фазы г = 1,015 Ом, индуктивное сопротивление рассеяния фазы х1 = 2,409 Ома), параметры семи идентичных пакетов ротора и секций магнито-провода ПЭД (активное гт7 = 2,303 Ома и индуктивное хт1 = 49,784 Ома сопротивление ветви намагничивания, приведенные к цепи статора активное г27 = 1,076 Ома и индуктивное х27 = 1,593 Ома сопротивление обмотки ротора), номинальные параметры восьмого пакета ротора и одноименной секции магнитопровода ПЭД (активное гт8 = 0,329 Ома и индуктивное хт8 = 7,112 Ома сопротивление ветви намагничивания, приведенные к цепи статора активное г28 = 0,154 Ома и индуктивное х28 = 0,227 Ома сопротивление самостоятельной короткоза-мкнутой обмотки) определены через параметры Т-образной схемы замещения данного ПЭД, представленные в [7]. Моделирование энергетических показателей ПЭД в программном пакете МаШешайса в зависимости от отклонений 8г2% активного сопротивления восьмого пакета (в пределах его поля допуска) и от скольжения 5 сводится к последовательному применению следующих расчетных соотношений.
Полное сопротивление схемы замещения
* = г + Л +
(гт7 + ]хт7) ■ (-^ + ]х2 7)
5
г + 8г
(гт8 + ¡хт8) ■ (—-28 + ]'х2 8)
5
г г + 8г (гт7 + ]хт7) + (— + ]х2 7) (гт8 + ]хт8) + (—-28 + ]х2 8)
5 5
(1)
Ток в обмотке статора
_ 0,577Ц 11 =
(2)
Приведенное падение напряжения на восьмом пакете ротора
и 8 = V
г + 8г
(гт8 + ]хт8) ■ (—-28 + ]х2 8)
_5__
г + 8г
(гт8 + ]хт8) + (—-28 + ]х28)
(3)
Приведенное падение напряжения на семи пакетах ротора
(rm7 + jxml) • (-^ + jx2 7) U7 = I--S-—. (4)
r
(rm8 + jxm8) + (— + jx2 7)
Приведенный ток в обмотке восьмого пакета ротора
48 = z п!~-. (5)
__8
128 - r +Sr
'2.8 +w,2.8 , ■ + jX2.8
s
Приведенный ток в обмотках семи пакетов ротора
U.
~ + jX2.7
12 7 =-7-. (6)
5
Приведенный ток в ветви намагничивания восьмого пакета ротора
Ч±
- + 1Хт8
I =-8--(7)
m8 r ■ (7)
5
Приведенный ток в ветви намагничивания семи пакетов ротора
и.
- + ./Хт7
Im7 = (8)
ml
5
Потери мощности в обмотке восьмого пакета ротора
АРИ = т1(АЬ*[48])2 • (г28 . (9)
Суммарные потери мощности в ПЭД
АР = т1 • (АЬ^])2 • Г2.7 + т1 • (АЬ^])2 • т + т1 • (АЬ^,])2 • (т2, + 8т2Я) + т1 • (АЬ^])2 • г„8 + т1 • (АЬ^])2 • Г1 (10)
Выходная мощность ПЭД
P = ml(Abs[I27])2 •г27 • — + ml(Abs[I28])2 • (r28 + Sr2t)• —. (11)
. . s s
Коэффициент полезного действия
P
tJ=-P-. (12)
P +1,4 AP
Электромагнитный момент ПЭД
My>=^mr-• (Abs[I2.7])2 • Г2.7 • — + • (Abs[12.8])2 • (Г2.8 + Srls)• —. (13)
100•л s 100•л s
III. Результаты моделирования
Результаты моделирования энергетических показателей ПЭДН32-117 приведены на рис. 2а, 3а, 4а, для трех значений отклонений Sr2g в зависимости от скольжения s и на рис. 2б, 3б, 4б в зависимости от вариаций Sr2g при номинальном скольжении s = 0,0459. Значения ör2g = 0,34 и ör2g =-0,25 приняты равными верхней и
нижнеи границе поля допуска на активное сопротивление пакета ротора согласно статистическим испытаниям партий из 441 пакета 117 габарита [6]. Как видно из рис 2б, 3б, 4б, влияние вариаций 8т2% на энергетические показатели ПЭДН32-117 при номинальном скольжении можно оценить выражениями
Щя = КР ■ ^2,8, Ал = К ■ 8г2Я, АМ = Км ■ 8Т28
(14)
в которых Кр, К Км представляют собой коэффициенты влияния вариаций 8т2% на потери мощности в пакете ротора ПЭД, на КПД и на электромагнитный момент ПЭД соответственно. Согласно (14) АР28 повышается при вариации 8т2% в сторону верхней границы поля допуска. В то же время, как установлено в [6], суммарные потери мощности в обмотках ротора ПЭД возрастают при вариации активных сопротивлений обмоток в сторону нижней границы поля допуска. Таким образом наихудший энергетический режим пакета ротора имеет место при минимальных активных сопротивлениях обмоток остальных пакетов и максимальном активном сопротивлении обмотки данного пакета. Расчеты, выполненные для этого режима в программе МиШБт, дают увеличение потерь мощности в пакете ротора на 61,6% относительно номинального режима 8г2% = 0 . Такой существенный рост потерь создает перегрев пакета ротора, его возможное заклинивание и преждевременный выход ПЭД из строя, или отбраковку ПЭД на этапе приемосдаточных испытаний, которые проходит каждый изготовленный погружной электродвигатель. Чтобы устранить отказы такого рода и увеличить процент выхода годных ПЭД, необходим контроль активного сопротивления пакетов ротора на этапе сборки ПЭД и формирование из этих пакетов «оптимальных» наборов [6 ].
а)
б)
Рис. 2. Зависимости АР28 от скольжения и вариаций активного сопротивления восьмого пакета
о.е 0.6 0.4
о.а
1- 5г2 2 ёг; 3-8г2 8=-0,2 18 = 0 ,8 = 0,3-: 5
II -4.32% /о, е.
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 5 _0 3 _0 2 -о.
0.1 0.2 Зг28
а) б)
Рис. 3. Зависимости КПД от скольжения и вариаций активного сопротивления восьмого пакета
0.01 о.ог 0.03 0.04 0.05 0,06 s _0 2 _Di 0-1 ог $г 28
а) б)
Рис. 4. Зависимости М^ от скольжения и вариаций активного сопротивления восьмого пакета
Коэффициенты влияния Kv, вариаций 8r2g соответственно на КПД и электромагнитный момент ПЭД существенно меньше в сравнении с K и имеют отрицательный знак. В диапазоне изменения Sr2g от верхней
до нижней границы поля допуска КПД ПЭДН32-117 повышается на 2,54%, что составляет 0,021, а электромагнитный момент на 3,09%, что составляет 3,04 Нм. При оптимальном комплектовании ротора ПЭДН32-117 на этапе сборки пакетами с положительными и отрицательными вариациями Sr2g сопротивлений самостоятельных короткозамкнутых обмоток происходит компенсация вариаций, имеющих разные знаки, в результате чего стабилизируются энергетические параметры ПЭД и сокращается их разброс у изготовленных электродвигателей.
IV. Выводы
Разработана математическая модель, позволяющая определять изменения энергетических показателей погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД) при вариациях параметров пакета ротора в пределах поля допуска. Полученные результаты представлены в виде соотношений, удобных для практического применения. Выявлен наихудший энергетический режим пакета ротора в ПЭД и обоснована необходимость контроля активного сопротивления пакетов ротора на этапе сборки ПЭД.
Список литературы
1. Kuznetsov Ye. M., Anikin V. V. Determination of the electromagnetic parameters of submersible electric motors of electric centrifugal pumps installations // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). DOI: 10. 1109/ Dynamics 2016.7819033.
2. Kovalev A. Yu., Kuznetsov Ye. M., Anikin V. V. The parameter identification of submersible motors of electrical centrifugal pump units for oil production // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2015). DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147111.
3. He Y., Wang Y., Feng Y., Wang Z. Parameter identification of an induction machine at standstill using the vector constructing method // IEEE Transactions on Power Electronics. 2012. Vol. 27, no. 2. P. 905-915.
4. Аникин В. В., Кузнецов Е. М., Ковалев В. З. Системное моделирование выходных фильтров гармоник в составе установок электроцентробежных насосов // Промышленная энергетика. 2012. № 1. С. 16-20.
5. Vandevier Joseph E. Generator selection for the reliable operation of subsurface centrifugal pump motors // IEEE Trans. on Industry Applications. 1980. Vol. 1A-16. Is. 1.
6. Пат. 2320063 Российская Федерация. МПК H 02 K 15/02. Способ сборки электрической машины / Ковалев Ю.З., Ковалев В.З., Ковалев А. Ю., Ковалева Н. А., Кузнецов Е. М., Щербаков А. Г. № 2005109602/09; заявл. 04.04.2005; опубл. 20. 03.2008.
7. Ковалев А.Ю., Ковалев Ю.З., Солодянкин А.С. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин: монография. Нижневартовск: Изд-во НГТУ, 2010. 105 с.
