CC BY
90
шины по каталожным данным // Электричество. 1998. № 4. С. 39-42.
5. Пат. 2391680 Российская Федерация, МПК G01R31/34. Способ определения параметров и рабочих характеристик асинхронного двигателя без сопряжения с нагрузочным устройством / Шарипов А. М. № 2008149499/28; заявл. 15.12.2008; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16.
6. Karanayil B., Rahman M. F., Grantham G. [et al.]. On-line parameter identification using artificial neural networks for vector controlled indu ction motor drive // 3rd International Conference on Electrical & Computer Engineering ICECE 2004, 28-30 December 2004. Dhaka. Bangladesh. 2004. P. 23-26.
7. Jancovic M., Zalman M., Jovankovic J. Parameter identification of induction motors by using genetic algorithms // Virtual University VUr07: 8th International Conference, 13-14 December 2007. Bratislava, Slovak Republic: STU. 2007. P. 196203. ISBN 978-80-89316-09-0.
8. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2008.298 с.
9. Пат. 2422839 Российская Федерация, МПК G01R27/26. Способ определения индуктивности рассеяния фазы обмотки статора асинхронного электродвигателя и устройство для его реализации / Ковалев Ю. З., Ковалев А. Ю., Кузнецов Е. М. № 2009139123/28; заявл. 22.10.09; опубл. 27.06.11, Бюл. № 18.
10. Ковалев А. Ю., Ковалев Ю. З., Солодянкин А. С. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин: моногр. Нижневартовск: Изд-во НГГУ, 2010. 173 с.
11. Пат. 2623834 Российская Федерация, МПК С0№27/26. Способ определения электромагнитных параметров асинхронных электродвигателей / Кузнецов Е. М., Ковалев А. Ю., Аникин В. В. № 2016104186; заявл. 09. 02.16; опубл. 29. 06.17, Бюл. № 19.
кузнецов Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.
ковААЕв Александр юрьевич, кандидат технических наук, декан инженерно-технического факультета Нижневартовского государственного университета (НВГУ).
АНИКИН Василий Владимирович, старший преподаватель кафедры «Автоматизация и робототехника» НВГУ.
Адрес для переписки: kiricuznetsov@yandex. га
Статья поступила в редакцию 27.10.2017 г. © Е. М. Кузнецов, А. Ю. Ковалев, В. В. Аникин
удк 6213138 о. д. лысенко
л. В. симдков
Омский государственный технический университет, г. Омск
МОДЕЛИРОВДНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХДРДКТЕРИСТИК СИНХРОННЫХ И ДСИНХРОННЫХ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГДТЕЛЕЙ
В статье рассматриваются вопросы моделирования и расчета электромагнитного момента погружных асинхронных электродвигателей (ПЭД) и погружных вентильных электродвигателей (ПВЭД) установок центробежных насосов добычи нефти. Актуальность рассмотренных вопросов подтверждается растущими требованиями к технологии добычи нефти, в том числе с точки зрения энергоэффективности. Дана краткая характеристика установкам электроцентробежных насосов и представлены основные конструктивные особенности погружных электродвигателей. Выбрано программное обеспечение для построения и расчета математической модели погружного электродвигателя. Результатами моделирования являются картины силовых линий в сечении асинхронного и магнитоэлектрического синхронного погружных электродвигателей. Адекватность моделей подтверждается соответствием распределения магнитного потока в сечении машины и совпадением в пределах погрешности аналитического и эмпирического значений вращающего момента. Результаты моделирования, с учетом принятых допущений и метода расчета, а также погрешности проектирования и средства расчета модели являются верными.
Р
Ключевые слова: нефтедобыча, центробежный насос, погружной электродви- о гатель, математическая модель, метод конечных элементов.
Непрерывное развитие промышленности обу- [2]. Вопросы добычи, транспортировки и хранения
словливает стабильный рост энергопотребления [1]. углеводородов на данный момент являются актуаль-
Углеводороды, несмотря на истощающиеся запасы, ными. Доля России в общей мировой добыче нефти
остаются самым востребованным видом топлива составляет 13,92 % [3]. Исходя из экономических,
Рис. 1. Погружной асинхронный электрический двигатель, где: 1 — головка, 2 — подшипник осевой, 3 — разъем для кабельной линии, 4 — обмотка статора (однослойная протяжная), 5 — вал двигателя, 6 — магнитопровод статора, 7 — подшипник скольжения, 8 — магнитопровод ротора (пакет ротора),
9 — отверстие для циркуляции масла, 10 — обмотка ротора [6]
промышленных и бытовых потребностей, можно утверждать, что в ближайшее время отсутствуют предпосылки для снижения объемов добычи.
При обеспечении нефтедобывающих участков не последнее место уделяется энергоэффективности [4]. Существует классификация по уровню коэффициента полезного действия: нормальный класс (EFF3), повышенный (EFF2) и высокий (EFF1) [5]. Отечественная промышленность в основном обеспечивает производство промышленности класса EFF2.
В данной работе внимание предлагается уделить установкам электроцентробежных насосов (УЭЦН). Они предназначены для извлечения пластовой жидкости из нефтедобывающих скважин. За счет УЭЦН функционируют около трети действующих скважин, извлекая около 60% добываемой нефти [6]. Приводом для УЭЦН является погружной электродвигатель (ПЭД). Ввиду того что именно электродвигатель определяет основные энергетические характеристики УЭЦН, вопросы математического моделирования, энергетической и конструкционной эффективности представляют реальный интерес.
В настоящее время погружные электродвигатели выпускаются в различных температурных исполнениях (температура окружающей среды может достигать 200 °С) и с различными габаритами корпуса, ориентированными на типовые диаметры скважин.
Основными конструктивными элементами погружного электродвигателя (рис. 1) являются ротор, статор, вал и корпус статора [6]. Принципиальные отличия от электродвигателей общего назначения заключаются, прежде всего, в конструкции ротора, который состоит из отдельных пакетов (от 8 до 23), разделенных подшипниками скольжения. Это обусловлено тем, что условия эксплуатации ПЭД имеют жесткие ограничения относительно наружного диаметра корпуса. Кроме того, внутренняя полость ПЭД заполняется синтетическим маслом с напряжением пробоя не менее 30 кВ/см. Оно служит для смазки трущихся деталей двигателя и для отвода тепла.
В последнее время растет применение синхронных машин с постоянными магнитами (СМПМ). Во многом это обусловлено появлением на рынке постоянных магнитов с большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Таковыми являются постоянные магниты на основе неодимовых сплавов [7]. СМПМ отличаются хорошими энергетическими характеристиками, достаточно простой конструкцией и широкими возможностями регулирования скорости вращения. Совокупность СМПМ и системы управления в технической литературе называется вентильным электроприводом (ВЭП).
Функциональная схема ВЭП погружного насоса (рис. 2) включает выпрямительный блок, регулятор
Рис. 2. Функциональная схема вЭП погружного насоса, где: в — выпрямительный блок, Рн — регулятор напряжения, И — инвертор, Т — трансформатор, ЭМ — электрическая машина, Су — система управления, ДИ1, Дн2 — датчики напряжений, ДТ — датчик тока, ПБТ — погружной блок телеметрии, н — насос [8]
напряжения, инвертор, трансформатор, систему управления, датчики напряжения и тока, погружной блок телеметрии, а также объект управления — погружную электрическую машину, являющуюся приводом насоса [8].
Скорость вращения двигателя, определяющая производительность насоса, регулируется изменением напряжения на входе инвертора по информации от датчиков. Погружной блок телеметрии отслеживает и отправляет в систему управления информацию о текущем состоянии насосной установки. В случае обнаружения неисправности система выполняет автоматическое отключение установки или формирует сигнал ошибки, код которой соответствует обнаруженной неисправности.
Ввиду того что объект управления находится глубоко под землей, установка дополнительных измерительных устройств и преобразователей непосредственно на нем нецелесообразна, поскольку данное решение будет связано с дополнительными погрешностями и снижением надежности установки в целом.
Относительно недавно существенным недостатком ВЭП была необходимость использования датчика положения ротора (ДПР). В данный момент этот недостаток устранен за счет применения без-датчиковых методов управления. Одним из таких методов является фазовое управление, суть которого заключается в определении точек, в которых наводимая в якорных обмотках противоЭДС от поля возбуждения переходит через нуль. Точки перехода регистрируются, когда одна из трех фаз обмотки отключена от источника питания. Это возможно при парной коммутации, когда в любой момент времени к источнику питания подключены только две фазы двигателя, а третья может быть использована для измерения противоЭДС, для расчета которой используются сигналы от датчиков тока и напряже-
Параметры погружного асинхронного электродвигателя
Тип Рн, кВт ин, В 1н, А КПД, % cos ф, о.е. S, % m, кг
ПЭДН70-130-1950 70 1950 27,5 84,4 0,893 4,6 445
Рис. 3. Результат моделирования асинхронного ПЭД
Рис. 4. Результат моделирования синхронного магнитоэлектрического ПЭД
ния. Для снижения потерь в подводящих проводах, а также для уменьшения их сечения на выходе инвертора предусмотрен регулируемый трансформатор, повышающий напряжение при максимальной производительности насоса [8].
На данный момент существует большой выбор различного программного обеспечения, позволяющего моделировать достаточно сложные процессы и мультифизические задачи. В частности, это COMSOL Multiphysics, AN SYS Maxwell, FlexPDE, Elcut и многие другие. Особенное внимание предлагается уделить программному продукту Elcut российской организации ООО «ТОР». Elcut — это интегрированная диалоговая система программ, позволяющая решать плоские и осесимметричные задачи различных типов [9]. Основным методом решения задач в Elcut является метод конечных элементов (МКЭ).
Для создания и определения геометрической модели ПЭД выберем один из существующих, серийно выпускаемых образцов. Таковым станет ПЭДН70-130-1950. Паспортные данные этого электродвигателя приведены в табл. 1.
Геометрическая модель электродвигателя представлена поперечным сечением статора и пакета ротора. В закрытых пазах статора и ротора находится медная обмотка с относительной магнитной проницаемостью, равной единице. Материал статора и ротора — электротехническая сталь СТ 2013. Вал выполнен полым и состоит из немагнитного материала, чтобы не вносить дополнительное искажение в картину поля. Трехфазная обмотка статора размещена в пазах таким образом, чтобы создать две пары полюсов. Плотность тока в обмотке статора принимаем равной 7106 А/м2 [10]. Проводимость
короткозамкнутой обмотки ротора равна 4407 см/м (при условии, что температура обмоток составляет 115 °С). Результат моделирования (рис. 3) соответствует теоретическим ожиданиям, картина силовых линий магнитного потока симметрична.
С помощью встроенных средств Е1си1; возможно измерить вращающий момент, создаваемый током статора. Для этого необходимо провести контур интегрирования, охватывающий ротор, и воспользоваться интегральным калькулятором. Измеренное в результате моделирования значение вращающего момента М =479,91 Нм
э '
Как известно из теории электрических машин аналитически определить вращающий момент двигателя возможно по формуле (1):
M = 9950P2/n .
2 н
(1)
Подставляя в эту зависимость известные параметры ПЭД (табл. 1), получаем аналитическое значение вращающего момента М =486,72 №м.
Для моделирования синхронного ПЭД с постоянными магнитами внесем изменения в конструкцию построенной ранее модели. Короткозамкнутую медную обмотку ротора заменим четырьмя постоянными магнитами на основе сплава ЫсЗ-Ре-В [11]. Коэрцитивную силу магнитов принимаем равной 1000 кА/м, а ее направление задаем таким, чтобы силовые линии магнитного потока ротора создавали две пары полюсов. Плотность тока, расположение обмоток статора, материал и габариты статора и ротора оставляем прежними. Результат моделирования (рис. 4) наглядно демонстрирует полюса ротора и статора. Симметрия силовых линий магнитного потока позволяет сделать вывод о корректности
Эмпирические значения момента в зависимости от плотности тока
j■106, А/м2 3,5 4,2 4,9 5,6 6,3 7 7,7 8,4 9,1 9,8 10,5
Масин, Н-м 120 173 235 307 389 480 581 691 811 941 1080
Мсин, Н-м 333 391 449 508 567 629 692 756 821 888 957
М, Н-м
). А/м2
3.00е+06 4.00е+06 5,00е+06 6,00е+06 7,00е+06 8,оое+о6 9,оое+о6 1,00е-ю7 1д0е+о7 -^—асинхронный пэд —•—синхронный пэд
Рис. 5. Зависимости вращающего момента от плотности тока
построения модели. Измеренное в результате моделирования значение вращающего момента Мэ = 628,91 Нм что на 23 % превосходит номинальный момент, полученный при моделировании асинхронного ПЭД.
Для того, чтобы получить зависимость изменения вращающегося момента от плотности тока в обмотке статора, повторим моделирование для значений плотности тока от 0,5 до 1,5 номинального значения. Результаты измерений сведены в табл. 2.
Построенный по рассчитанным значениям (табл. 2) график (рис. 5) демонстрирует нелинейную зависимость с случае с асинхронным ПЭД. В то же время синхронная машина с постоянными магнитами на исследуемом участке демонстрирует практически линейную зависимость.
Построенные модели соответствуют теоретическим представлениям о природе протекающих процессов. Распределение силовых линий поля внутри электрических машин позволяет сделать заключение о корректности принятых допущений и об адекватности построенных геометрических моделей.
Разница между аналитическим и эмпирическим значениями в номинальном режиме составляет менее 1,5 %. Столь незначительное расхождение связано с тем, что построенная модель имеет такие допущения, как: не учитывается коэффициент заполнения паза и коэффициент теплового расширения, отсутствуют механические потери и т.д.
Замена короткозамкнутого ротора на ротор с постоянными магнитами позволила на 23 %
увеличить вращающий момент, а следовательно, и мощность без изменения плотности тока в обмотках статора.
Построение зависимостей вращающего момента от плотности тока в диапазоне 0,5—1,5 от принятой при проектировании обнаружило нелинейную зависимость в случае с асинхронным ПЭД и линейную зависимость в случае с магнитоэлектрическим синхронным ПЭД.
Наличие линейной зависимости благоприятно сказывается при проектировании и управлении координатами машины.
Анализируя результаты моделирования, можно сделать вывод, что при использовании магнитоэлектрической синхронной машины в качестве ПЭД возможно добиться увеличения вращающего момента без изменения габаритов и токовых нагрузок машины либо получить сопоставимый с асинхронной машиной вращающий момент при меньшем энергопотреблении, а значит, и с меньшими электрическими потерями.
Библиографический список
1. Мудрецов А. Ф., Тулупов А. С. Вопросы развития альтернативной энергетики в России // Вестник Томского государственного университета. Экономика. 2016. № 4 (36). С. 38-45.
2. Прищепа О. М., Боровинских А. П. Направления развития сырьевой базы нефти России в долгосрочной перспективе // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2016. Т. 11, № 3. С. 10-24.
3. Лебединский Н. А. Тенденции развития мирового рынка нефти // Социально-экономические науки и гуманитарные исследования. 2016. № 12. С. 18-21.
4. Старкова Н. О., Кохановская Е. А. Проблемы эффективности российского нефтегазового комплекса РФ // Бюллетень науки и практики. 2016. № 10 (11). С. 263-270.
5. Мугалимов Р. И., Мугалимова А. Р. Сравнительная оценка класса энергоэффективности асинхронных двигателей и электротехнических комплексов с их применением // Электротехнические системы и комплексы. 2016. № 4 (33). С. 14-19.
6. Ковалев А. Ю., Ковалев Ю. З., Солодянкин А. С. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин: моногр. Нижневартовск: Изд-во НГГУ, 2010. 105 с.
7. Татевосян А. А., Мищенко В. С. Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 90-93.
8. Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Русаков А. М. Вентильные электродвигатели в составе нефтедобывающего оборудования // Электричество. 2008. № 1. С. 60-65.
9. Руководство пользователя БЬСиТ. СПб.: ПК ТОР, 2016. 292 с.
10. Проектирование электрических машин / Под ред. И. П. Копылова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2011. 767 с. ISBN 978-5-9916-0904-3.
11. Петренко А. Н., Плюгин В. Е., Петренко Н. Я [и др.]. Разработка синхронного двигателя с постоянными магнитами на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // Электротехнические и компьютерные системы. 2016. № 22 (98). С. 111-115.
ЛЫСЕНКО Олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника».
Адрес для переписки: deolas@mail.ru СИМАКОВ Александр Владимирович, магистрант гр. ЭЭм-162 факультета «Элитное образование и магистратура».
Адрес для переписки: simak_off94@mail.ru
Статья поступила в редакцию 07.11.2017 г. © О. А. Лысенко, А. В. Симаков
УДК 6213169251 т. А. ноВожИлоВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
датчик тока на герконе
для релейной защиты_
Предложена новая конструкция датчика тока на герконе для релейной защиты. Корпус датчика, изготовленный из диэлектрического материала, предназначен для надежной защиты датчика тока от механических и электрических повреждений. Управляющая обмотка при питании ее постоянным или переменным токами дает возможность повысить чувствительность устройства и определять направления измеряемого тока. А измерительная обмотка используется для контроля напряженности и спектра магнитного поля в точке размещения магнитной системы датчика тока от шины защищаемого элемента энергосистемы и в управляющей катушке. Для реализации защит предложены методы определения напряженности магнитного поля срабатывания геркона от токов в шине и катушке управления, а также метод коррекции параметров геркона.
Ключевые слова: датчик тока, корпус датчика тока, геркон, управляющая и измерительные катушки.
Введение. Наиболее часто для защиты от коротких замыканий элементов электроэнергетических систем используются токовые защиты. Как правило, для такой защиты требуется датчик тока и реагирующий орган. В максимальной токовой защите их роль выполняют трансформатор тока и токовое реле [1, 2]. Однако реализовать такую защиту удается не всегда.
Это вызвано тем, что часть элементов электроэнергетических систем не имеет трансформаторов тока, а на другие установить трансформаторы тока не представляется возможным из-за конструктивных особенностей как этих элементов, так и трансформаторов тока. Кроме того, размеры, вес и стоимость трансформаторов тока резко возрастает с повышением класса напряжения.
Поэтому в последние годы для решения подобных задач все чаще стали обращаться к датчикам тока в виде геркона с обмоткой [3, 4]. Одним примером может служить защита кабельных линий от ОЗЗ [5]. Другим примером использования такого датчика может служить максимальная токовая защита на герконе МТЗГ [6]. Однако проектирование и реализация таких технических решений затруднены из-за значительного разброса параметров срабатывания и возврата герконов, которые к тому же могут меняться в процессе длительной эксплуатации, а также из-за известных сложностей по определению напряженности магнитного поля срабатывания геркона [7, 8] и места его расположения. Таким образом, в настоящее время не совсем понятно, какую конструкцию должен иметь датчик
