CC BY
145
нейронных структур. Екатеринбург: УрО РАН, 2008. 85 с. ISBN 5-7691-1977-2.
11. Орлов А. И. Эконометрика. М.: Экзамен, 2014. 573 с. ISBN 5-472-00035-1.
12. Яновский Л. П., Буховец А. Г. Введение в эконометрику / под ред. Л. П. Яновского. 2-е изд., доп. М.: КноРус, 2007. 254 с. ISBN 978-5-85971-270-0.
ПЛОТНИКОВ юрий Викторович, инженер-исследователь Научно-исследовательской части (НИЧ). Адрес для переписки: omgups_lab@mail.ru ЭРБЕС Виктор Владимирович, кандидат технических наук, инженер-проектировщик НИЧ. Адрес для переписки: erbes-viktor@mail.ru
Для цитирования
ИВАНЧЕНКО Владимир Иванович, аспирант кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог».
Адрес для переписки: ivanchenko-v.i@yandex.ru КОМЯКОВ Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая электротехника». Адрес для переписки: tskom@mail.ru
Иванченко В. И., Комяков А. А., Плотников Ю. В., Эрбес
B. В. Разработка интеллектуальной системы контроля энергетической эффективности эксплуатации электрооборудования предприятий // Омский научный вестник. 2018. № 1 (157).
C. 54-58. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-157-54-58.
Статья поступила в редакцию 24.11.2017 г. © В. И. Иванченко, А. А. Комяков, ю. В. Плотников, В. В. Эрбес
УДК 62131333 В. А. Копырин
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-157-58-62
о. в. Смирнов
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
имитационноЕ моделирование режимов работы погружного
асинхронного ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
В статье представлены разработанная имитационная модель погружного асинхронного электродвигателя и результаты исследования режимов его работы. В качестве объекта исследования выбран электродвигатель номинальной мощностью 63 кВт. Построение модели проведено в программном комплексе МаАаЬ^тиНпк. Получены рабочие характеристики электродвигателя.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, энергия, нефтяная скважина, имитационная модель, погружной электродвигатель.
Введение. В настоящее время свыше 75 % всей нефти в России добывается установками электроцентробежных насосов, что составляет 410,4 млн т [1, 2]. Погружной асинхронный электродвигатель (ПЭД), входящий в состав электротехнического комплекса установки электроцентробежного насоса для добычи нефти, является одним из основных его элементов. Из-за конструктивных особенностей ПЭД построение адекватной имитационной модели, описывающей с достаточной степенью точности электромеханические процессы в машине, является сложной задачей [3-5].
В работах [6, 7] приведены результаты моделирования ПЭД в составе установок электроцентробежных насосов как асинхронного двигателя специфической конструкции. Предложенные математические модели позволяют исследовать электрические и механические характеристики электродвигателя.
В свою очередь, использование метода имитационного моделирования, как частного случая математического, позволяет наглядно исследовать процессы функционирования технических и техно-
логических объектов при минимальных материальных и трудовых затратах.
Целью публикации является сообщение о разработанной уточненной имитационной модели погружного асинхронного электродвигателя.
Теоретическая часть. В качестве объекта исследования выбран асинхронный электродвигатель ЭД-Я 63-117 М5В5 мощностью 63 кВт.
Для построения имитационной модели использованы готовые блоки электротехнических устройств, входящих в библиотеку Matlab/Simulink SimPowerSystem: three-phase programmable voltage source; asynchronous machines quirrel cage. Для измерения мгновенных значений токов и напряжений участков цепи использован блок three-phase U-I.
Модель механической части асинхронной машины описывается выражениями [8]:
d (Te - F '«m - Tm )
dt
2H
d О
— 0m = «m dt
где — угловая частота вращения ротора; вш — угловое положение ротора; Тт — механический момент на валу; Н — суммарная инерционная по-стояннаямашины и нагрузки; F — суммартый коэффициент вязкого трения (машины и нагрузкш).
Модень электрической частр асинхронной машины шписьш а етсш вырашененми [8]:
= и = Rs -iqs +-HWqS 4-05 '
и ■ d
Uds = Rs dds +~-0>ds -°-Vqs
0 = R ■ d с •Yt- - (и - ■r)Kdr dt
Te = 1-5 (Kd, -iqS - Kqs ■ d )
(2)
где uds' uqq
потокосцопления соатира и ротора на оси d и q соотв етств енно; и, и — угловая частота на пряжения питания и электричес^я углорая скорость праще-ния poтoра.
Посокссцепление кте1туро и прсоеденн=е пото-косцрпление ротора, а тикжи иeруктuвнтcть ста-тоуа с приведенная кндукпивнорсь иктора опще-де^адются ео выраженирм: KU = Л ■ iqs С Ит • Со
сеи с Ки
, Kir с 0 ■ d С Ки
lds'
Ли у Ли с Ли
Kqr =
ору К',] с 0ри
пт)e екция векто ]то в напряжения
и тока стато ра на соо тветствую щие о си; 1Не, I — преекция векторов тоюа роторс на соответотвую-щие рси; Д, Я1в, Д, Я1г — активноо сопротивление и инруктивность яассеяняя статора и ротора сортветствесно; Ь — иядуктивность цепи намагничивания; Я,,, Я'т — полные етндуктивности статора
проекция векторов
и ротоуа; Kds, Kqs, Kdr , K
Г qr
Kqs = к
уКТ-Кq С Ли
соответственно.
Начальные условияасинхронной машины могут быть определены по методике, изложенной в [9], или припомощи блокаpowergш [10].
Исходные данные для исследованияприведены в табл. 1. Выражения для определения базисных единиц и ихзначения приведены в табл. 2.
В Matlab/Simulink модель асинхронной машины (asynchronous machines squirrel-cage) представлена Т-образной схемой замещения (рис. 1) и включает в себя электрическую часть и механическую. Все электрические переменные и параметры асинхронной машины приводятся к статору и двухфазной системе координат d, q.
На рис. 2 приведены рабочие характеристики электродвигателя ЭД-Я 63-117 М5В5, полученные в ходе приемосдаточных испытаний согласно протоколу № 29988 от 31.08.2015 г. ООО «Алмаз».
Результаты моделирования. В результате расчета электрических параметров электродвигателя
Таблица 1
Техническиехарактеристики погружного электродвигателя
Таблица 2
Базисные единицы
Характеристика Значение
Номинальное напряжение U M, В 1040
Номинальная мощностьна валу Рдном, кВт 63
Номинальная частота вращения пн, об/мин 2910
Номинальный КПД т|, % 84,5
Номинальный коэффициент мощности cos ф ^ т д ном 0,84
Номинальный ток 1дном, А 51
Номинальный момент M , Нхм 212
Кратность пускового тока k 5,1
Кратность пускового момента ша 1,5
Кратность максимального момента m 2,3
Момент инерции J, кгхм2 0,46
Номинальное скольжение s , % 3,0
Критическое скольжение s, % 23,8
Сопротивление обмоток статора RIg при 84 °С, Ом 1,35
Параметр Расчетное выражение Значение Единицы измерения
Мощность ^ Sg.HOM 88757 S m 8 29586 ВА
Напряжение , , Us.ROM 1040 UU дн s 600,4 В
Ток S6 29586 6 — U6 ~ 600,-4 49,3 А
Частота 1„ = 0 50 Гц
Полное сопротивление z U2 600,-1 6 If, 09,3 12,8 Ом
Активное сопротивление z U6 600Д Zfs — — I I -19,3 12,8 Ом
Индуктивность Z z6 12,8 6 2n ■ I6 2 ■ 35,14 ■ 50 0,039 Гн
Угловая частота вращения магнитного поля статора 2m ■ f 2n ■ 50 ■ IM — II, --1 —- M 1 p 1 314,2 рад/с
Момент S„ ■ m 29586 ■ 3 M6 — - — - 6 I6 310,2 282,5 Нхм
ё-ось Я- ОСЬ
Рис. 1. Схема замещения электродвигателя
80
£
< 70
I
л 60
о -
0,84 : ¿Г"8
1 11 ^ Г......... □ ■ • ■ • Я □ г
■ в л 4 д 2 А |р,83
о }(7Г7>......... ■ л А #
13 А С * •
■ д д * 4 * * •
1...4 А . *1 + * :
■ Д ■ Д ♦ ♦ -
|С,кВ = 1, ш 1
----------- ф о ОП—0 г> , 0.0, 0 О 0 о о о о О с
1
0,9
|0,е
0,7
0 10 20 30 40 50 60 70
Рз, кВт (мощность на валу)
Рис. 2. Рабочие характеристики электродвигателя (экспериментальные)
Таблица 3
Параметры схемы замещения электродвигателя в абсолютных и относительных единицах
Параметр В физических единицах, Ом В относитаоаных единицах, о. е.
Активное сопротивление обмотки статора Я = 1,35 1д °'аа о9 •г,9 1,30 7 12,8 7 0,100
Индуктивное сопротивление обмотки статора X = 0,995 оСа ф1а л6 0,990 с 12,8 0,077
Приведенное активное сопротивление обмотки ротора R' = 0,676 2а ола л " ф о,ала С 1:1,гз = 0,003
Приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора ф' = 0,990 ла фла ф2а л'6 0,990 7 12,88 0,077
Индуктивное сопротивление контура намагничивания Хтд = 21,05 Ста у _ та 7 Ли 11,00 7 12,8 7 1,64
по методике, изложенной в [9, 10], и сопоставления их с экспериментальными данными получены параметры уточненной Т-образной схемы замещения исследуемого электродвигателя, выраженные в абсолютных и относительных единицах (табл. 3). Имитационная модель электродвигателя приведена
на рис. 3 . Погружной электродвигатель подключен к трехфазному синусоидальному источнику напряжения 1040 В, чостотой 50 Гц. Для определения значений уолной, активной, реактивной мощностей и коэффицлента мощности сети используется блок вычислиния мощности (БВМ).
Рис. 3. Имитационная модель электродвигателя
Таблица 4
Сравнение экспериментальных и полученных характеристик
Мс, % Скорость, об/мин Ток, А Потребляемая активная мощность, кВт Коэффициент мощности cos ф
1 2 А, % 1 2 А, % 1 2 А, % 1 2 А, %
40 2943 2936 0,1 30,2 31,9 -5,3 31,9 31,8 0,1 0,56 0,55 1,8
60 2911 2903 0,3 36,5 37,4 -2,4 46,4 46,3 0,2 0,70 0,69 1,4
80 2882 2869 0,4 44,1 44,2 -0,2 61,8 61,3 0,8 0,77 0,77 0,3
100 2844 2827 0,6 53,0 52,4 1,1 77,2 76,9 0,4 0,82 0,82 0,68
120 2811 2788 0,8 61,7 61,0 1,2 93,1 93,3 -0,2 0,85 0,85 -0,2
Сравнение экспериментальных рабочих характеристик (данные — 1) с полученными на имитационной модели (данные — 2) приведено в табл. 4. Исследование проводилось в установившемся режиме работы ПЭД при приложении статического момента на уровне 40 %, 60 %, 80 %, 100 %, 120 % от номинального.
В результате моделирования прямого пуска погружного асинхронного электродвигателя получены зависимости угловой частоты вращения ротора (рис. 4) и электромагнитного момента от времени (рис. 5) при приложении нагрузки в виде вентиляторного момента 212 Н • м, соответствующего форме
кривой механической характеристики электроцентробежного насоса.
На рис. 6 приведены графики изменения токов в статоре и роторе электродвигателя в момент пуска и установившегося режима. Получены зависимости потребляемого тока I, момента М, оборотов n, коэффициента мощности cos ф и коэффициента полезного действия п в функции мощности на валу P2 (рис. 7).
Обсуждение результатов. Анализ полученных данных показал, что разработанная имитационная модель ПЭД ЭД-Я 63-117 М5В5 с достаточной степенью точности воспроизводит характеристики
Рис. 6. Зависимость тока от времени: а) в роторе; б) в статоре
М, Н м I, А а, об мни
300-, 75 т 3000 г
а_/
а/
coscp у р
с /Хм ✓
/
т], cosq> 1
0,8
О 10 20 30 40 50 60 70 Р:,кВт
Рис. 7. Рабочие характеристики погружного электродвигателя (имитационные)
электродвигателя в установившемся режиме. В номинальном режиме различие между экспериментальными данными и расчетными для тока составляет 1,1 %, для потребляемой активной мощности — 0,4 %. Максимальная погрешность с учетом допустимых погрешностей измерений на испытательных стендах — не более 0,5 %, соответствующая области малых нагрузок, составляет для тока минус 5,8 % и уменьшается с увеличением нагрузки до 1,6 %.
В результате исследования работы ПЭД на вентиляторную нагрузку установлено, что номинальная скорость вращения ротора достигается через 0,5 секунды после запуска и составляет 2844 об/мин (рис. 4). Кривая электромагнитного момента (рис. 5) с 0 по 0,3 секунды имеет колебательный характер, что соответствует переходному режиму работы. Начиная с момента времени 0,5 секунды, электродвигатель переходит в установившийся режим работы. Анализ кривых токов (рис. 6) в электродвигателе показал, что ток в роторе имеет высокую частоту колебаний между 0 и 0,4 секунды. Ток в статоре во время пуска достигает значения 256,9 А и снижается до 50,5 А в установившемся режиме работы. Кратность пускового тока составляет 5,08, что практически соответствует паспортным данным.
В ходе верификации рабочих характеристик ПЭД (рис. 7) установлено, что полученные характеристики с достаточной степенью точности отображают физические процессы в исследуемом электродвигателе.
Вывод. Разработанная имитационная модель адекватно отображает электромеханические процессы погружного асинхронного электродвигателя. Адекватность модели подтверждена сравнением полученных данных с экспериментальными рабочими характеристиками электродвигателя.
Библиографический список
1. Ивановский В. Н., Сабиров А. А., Деговцов А. В. [и др.]. Вопросы энергоэффективности установок электроприводных центробежных насосов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2016. № 4. С. 25 — 30.
2. Шевченко С. Д., Якимов С. Б., Ивановский В. Н. [и др.]. Разработка алгоритма расчета дебита нефтяных скважин при их эксплуатации УЭЦН // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2013. № 6. С. 90 — 91.
3. Vivek V., Uma G., R. P. Kumudini Devi, Chellamuthu C. Performance of induction motor driven submersible pump using Matlab/Simulink // International Conference on Power System Technologies 2002. Proceedings PowerCon. 2002. Vol. 2. P. 765-768.
4. Ozpineci B, Tolbert Leon M. Simulink implementation of induction machine model - a modular approach // Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC'03. IEEE International. 2003. Vol. 2. P. 728-734. DOI: 10.1109/ IEMDC.2003.1210317.
5. Rameshrabhu S, Dr. Deivasundari P. Efficiency Prediction of ESP through Mathematical Modeling for PV Applications // International Journal of Engineering Research and General Science. 2015. Vol. 3, Issue 2, Part 2. P. 494-504.
6. Бирюков С. В., Ковалев А. Ю., Ерёмин Е. Н., Хамитов Р. Н. Математическое моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентробежных насосов // Омский научный вестник. 2012. № 1 (107). С. 186-188.
7. Ковалёв А. Ю. Моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентробежных насосов: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2010. 157 с.
8. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1985. 536 с.
9. Терёхин В. Б. Моделирование систем электроприводов в Simulink (Matlab 7.0.1). Томск: Изд-во ТПУ, 2010. 292 с.
10. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМКПресс, 2007. 288 с. ISBN 5-94074-395-1.
КОПыРИН Владимир Анатольевич, специалист отдела развития научных инициатив. Адрес для переписки: kopurinva@gmail.com СМИРНОВ Олег Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электроэнергетика».
Адрес для переписки: oleg_smirnov_1940@mail.ru
Для цитирования
Копырин В. А., Смирнов О. В. Имитационное моделирование режимов работы погружного асинхронного электродвигателя // Омский научный вестник. 2018. № 1 (157). С. 58 — 62. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-157-58-62.
Статья поступила в редакцию 22.12.2017 г. © В. А. Копырин, О. В. Смирнов
