Определение эксплуатационных параметров погружных асинхронных электродвигателей по идентификационным параметрам Т-образной схемы замещения

Ковалев Владимир Захарович; Хамитов Рустам Нуриманович; Кузнецов Евгений Михайлович; Аникин Василий Владимирович; Бессонов Владимир Олегович

УДК 612.314.522

РО!: 10.25206/1813-8225-2018-162-36-40

В. з. КОВАЛЕВ1 Р. Н. ХАМИТОВ2 Е. М. КУЗНЕЦОВ2 В. В. АнИКИн3 В. О. БЕССОНОВ1

1Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск

2Омский государственный технический университет, г. Омск 3Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОГРУЖНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПО ИДЕНТИФИКАЦИОННЫМ ПАРАМЕТРАМ Т-ОБРАЗНОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ_

Рассмотрена методика определения эксплуатационных параметров погружных асинхронных электродвигателей (ПЭД) — тока статора выходной мощности Р2, коэффициента полезного действия п, коэффициента мощности ео5ф и др. через параметры Т-образной схемы замещения с одноконтурным ротором. Для практической реализации методики разработана программа SHEM_PAR в пакете МаМаЬ 7. Приводятся результаты определения эксплуатационных параметров у ПЭД типов ЭД(Т)12-117-380, 1ЭД(Т)45-117-1000, 1ЭД(Т)б3-117-1000, подтверждающие эффективность программы SHEM_PAR и целесообразность ее применения на предприятиях по ремонту погружного электрооборудования для идентификации и контроля параметров ПЭД с целью повышения межремонтного периода эксплуатации в составе установок для добычи нефти.

Ключевые слова: активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора.

Введение. Установки электропогружных центробежных насосов (УЭЦН) в составе станция управления — повышающий промысловый трансформатор — длинная кабельная линия — ПЭД — электроцентробежный насос (ЭЦ Н)—насосно-компрес-сорные трубы реализуют в России основной способ механизированной добычи нефти [1]. Надежное и эффективное управление работой ПЭД в УЭЦН напрямую связано с идентификацией параметвов его классической Т-образной схемы замещения (рис. 1). Информация об этих параметрах необходима для определения эксплуатационных параметров ПЭД [2], организации энергоэффективных и надежных режимов эксплуатации УЭЦН [3, 4].

В [5, 6] рассмотрена идентификоцво парамет°ов схемы замещения (рис. 1), использующая интегральное преобразование |Н (с)ИС оатоающего тока

обмотки статора, экспоненциальную аппаокоимо-цию его переходной характеристики

ИИ) а1е

В 12е ии в IЗе

(1)

и вычисление замещения

по этим данным параметров схкмы

О, а (Поа 10 ), Во а

о ■ [ф и

к

3( а

а, ■ [Ж)ис

I в°к[13с)ис

в в'

фф в2

Из (ВфВ-к-в 2)

к'2аИс(331 +33В) - в к

[к ■ п-о(иг1 а ис

(о

В (1)

ток в

и (2) и

об м отке

и

посвоянкое напряжение

статора до гаш ения магнитного

х

в

ф

R • X

^ _ хе _ _е

X • с

___ _ _ г т

со + X 2

со + х:

(3)

Полное соп+отивление с-обоо-нос схемы замещения ПЭД

(с - +]Х-) ■М + их;

z _ с + }Х1 +

с;

(СО+ОХ-Н^ + Х*

5

Рис. 1. Т-образная схема замещения АД с параллельным контуром намагничивания при неподвижном роторе: Кш, К2* — активное сопротивление обмотки статора АД, сопротивление активных потерь в магнитопроводе АД, приведенное активное сопротивление обмотки ротора; Ь1, Ь2*, — индуктивности рассеяния обмотки статора, обмотки ротора, индуктивность намагничивания

поля ПЭД; 1, 12, 13 и Т1, Т, Т3 — начальные токи и постоянные времени аппроксимирующих экспонент, ¿=2/3 при соединении фаз ПЭД по схеме неполной звезды а+Ыс. Идентификация параметров осуществляется при заторможенном роторе без сложного сопряжения ПЭД с нагрузочным ЭЦН и удобна для реализации в цеховых условиях ремонтных предприятий (табл. 1) с помощью переносной сертифицированной установки РПХ-20 [7], оснащенной программным обеспечением БНЕМ_ 7ЛМ [8].

В данной статье рассмотрены алгоритм определения эксплуатационных параметров ПЭД, построенный на основе структуры схемы замещения (рис. 1), и программа его реализации. Последняя может найти применение в сервисных центрах для контроля измененного технического состояния ПЭД, вызванного его ремонтным об служиванием.

Теорети ческ_я часть. Алгоритм определения эксплуатацион ных параметр ов ПЭД по идентификационным парамртрам сремы замещения (рис. 1) в зависимости от скольженыя заключается в сосле-довательном применении х ледзющих расчетсых со -отношений.

Сопротивления эквиваиентной посиедоватезь-ной ветви намагнич ивания

X _ 271Я_ Х[ _ 2пПС2. Ток в _бмотке статоро Г3ЭД

1 Тс-х

(4)

(е)

Приведеннсге падесие оаср+женся в оОмотке ротора ПЭД

(6)

(с- + их-)-М + )х;

Т2 _ о ---25

(СС])^3)ОT0)^-•\-R^сыоО2*

Приведенный ток в осоотко рстори ПЭД

0 О

+их;

(7)

Выход_ая мощоосоо ПГЫ

с+

О; _ Щ' О, —(•- 5),

5

(8)

где т1 — чисм фаз ПЭгО. Вращзющий момент на валу ПЭ Д

где Хт _ 0л • / • Иш — индуктивное сопротивление параллельной ветви намасни+иозния, / — частота трехфазноге насряжония, подводимого к ПЭД с поверхности по длинной кабельной лия си.

М;т ^ •0°Г с^ -(1тгН

1--л г

Потери мсщноес в иОсотке ротора ПЭД

сЩт_m(• |°о| • сг.

Ток в ветви намс_ничгвания сЭД

и_

о „ _

с- + их-

(9)

(10)

(11)

Таблица 1

Результаты идентификации параметров схем замещения ПЭД при номинальном значении намагничивающего тока 10

Параметры Двигатель ^^^^^ '„А ДОм Я*2, Ом Ь , мГн Ь*2, мГн К0, Ом Ь0, мГн

ЭД(Т)12-117-380 1+5 0 , 517 0,516 2,173 1,938 194,736 63,686

1ЭД(Т)45-117-1000 18 0,660 1,019 4,677 4,718 231,475 130,798

1ЭД(Т)63-117-1000 24 0,450 0,650 2,815 2,864 212,793 89,946

Суммарные потери мощности в ПЭД

ар = т • ре2 • е е т • |1ш|2 • + т • р;|2 • е;. (12)

Коэффициент поаезношо действия ПЭД

Л =

Коэффициент мощноети ПЭД

Р; е АО оосф = —-.

э

Критическое скэльжэние

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

К

Эр =

(13)

Ш е АО

РеактовеАЯ мопшоснь ПЭД

О = т • |1,|2 • е но, • |7ш А • Хш е ш, • | Г^ • _). (И)

Полная (кожущоясА) мощнасть ПЭД Э = О)О; е АО)2 е ОО2 ш

а 5)

(16)

(17)

Подстановка в формулы (4—17) величин скольжений номинального Н , критического Б , пуско-

н. 1 кр.'

вого Б=1 режимов и режима идеального холостого хода 5 = 0 позволяет получить значения параметров ПЭД, относящихся к данным условиям их эксплуа-оа=иш. Пуск о^ ой м о мен т П ЭД о п р ед е _ е тся следую щ им образом [9].

(

2М„

1 е Эг

К К

Л

Э кр.е

е Э,,

Эг

2К

К

(18)

На основе _ор_ул (4 — 18) разработана программа еНБМ_РН_ для оперативного определения експлуатационных (каталожных) параметров ПЭД по результатам испытаний на установке РПХ-20, реализованная в систеее МаНаЪ 7. Панель управления программой (рис. 2е) имеет интерфейс, удобный Мя использования в цеховых условиях предприятий по рем онэу эл е ктродвигателей. Исходные данные для орограммы 5НБМ_РЛИ — параметры Т-образной схемы замещения ПЭД (сопротивления _е, _2, _ш , величина Ц и частота / напряжения, подводимого к обмотке статора ПЭД, число фаз ПЭД т., номинальное значение скольжения Б и число

1 н.

пар полюсов р — заносятся пользователем в соот-

Исходные данные

Цл, Д)380_ ¡1 11,Гц|50 | гД3__| 5н, о.еШк^НИ 2р[Г

т. с^|0.517 I Х1,Ом|0.682 ¡ВЦо^'г.032 _ ^Ст. Ом^ЩЩ Н2\ Ом|0.516 Ом|0.Е08

Расчёт

Каталожные данные Некоторые параметры и коэффициенты Дополнительные возможности

И, А 25,31039

Мп/Мн |2,250751| Мкр/Мн 3,100914

а)

Р2, кВт 11.12253

|п/|н КПД, % 84,43231 п2, об/м|

б)

в)

Рис. 2. Панель управления (интерфейс) программы SHEM_PAR: а) с каталожными параметрами ЭД(Т)12-117-380; б) с параметрами пускового режима и идеального холостого хода; в) с параметрами последовательной ветви намагничивания

;

Мя. =

1

Результаты определения эксплуатационных параметров ПЭД

Таблица 2

Двигатель Эксплуатационные параметры погружных асинхронных электродвигателей

ЭД(Т)12-117-380, /„-10,5 А lv A P2, кВт п, % ras ф, о.е. л2, об/мин М ,/М , о.е. М ,/М , кр н,' о.е. I ,/1 , Р н,' о.е.

Изв. 26 12 84 0,85 2850 - - -

Получ. 25,31 11,12 84,43 0,85 2850 2,25 3,10 5,78

Отлич., % -2,65 -7,33 0,51 0,94 0 - - -

ЭД(Т) 45-117-1000, I0=18 A Изв. 36,5 45 85 0,86 2850 - - -

Получ. 34,14 43,92 83,53 0,85 2850 2,02 3,07 5,39

Отлич., % -6,46 -2,38 -1,72 -0,23 0 - - -

ЭД(Т) 63-117-1000, I0 = 24 A Изв. 51,5 63 85 0,85 2844 - - -

Получ. 46,53 65,20 85,50 0,86 2844 2,08 3,04 5,57

Отлич., % -9,67 3,38 0,58 1,64 0 - - -

ветствующие окна панели управления непосредственно с клавиатуры ноутбука установки РПХ-20.

Запуск программы осуществляется нажатием кнопки «Расчет». С помощью кнопки «каталожные данные» на панель управления выводятся каталожные (эксплуатационные) параметры испытуемого ПЭД (рис. 2а). Кнопка «некоторые параметры и коэффициенты» служит для вывода на панель управления БНЕМ_РЛК сведений о параметрах ПЭД в режимах пуска и идеального холостого хода (рис. 2б). При нажатии кнопки «дополнительные возможности» выводятся результаты преобразования параметров параллельной ветви намагничивания Т-образной схемы замещения ПЭД в эквивалентную последовательную ветвь (рис. 2в), параметры которой используются в расчетных соотношениях 4—18.

Результаты, представленные на рис. 2, получены для ПЭД типа ЭД(Т)12-117-380 на основании идентификационных параметров Т-образной схемы замещения, приведенных в табл. 1. Эти результаты, а также данные по определению каталожных параметров ПЭД типов 1ЭД(Т)45-117-1000, 1ЭД(Т)63-117-1000 на основе идентификации параметров их схем замещения приведены в табл. 2 вместе с известными каталожными параметрами этих ПЭД, представленными в [10]. Там же указаны отклонения полученных параметров ПЭД от номинальных значений.

Выводы. Данные, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о следующем. Эксплуатационные параметры рассматриваемых типов ПЭД получены средствами программы БНЕМ_РЛК на основе идентификационных параметров их схем замеще-

ния, которые, в свою очередь, были определены по переходным характеристикам затухания тока статора с использованием расчетных соотношений (2). Наблюдаются положительные и отрицательные отклонения полученных эксплуатационных параметров от их номинальных значений. Наименьшие отклонения имеют энергетические параметры ПЭД — коэффициент полезного действия п и коэффициент мощности cos4> (не более —2 % у обоих). Наибольшее отклонение, достигающее — 9,67 %, имеет входной ток ПЭД. Все в целом показывает достаточную степень адекватности программ SHEM_ PAR, SHEM_ZAM, методики идентификации [5, 6], установки РПХ-20 и определяет целесообразность их применения на предприятиях по ремонту погружного электрооборудования для определения измененного технического состояния ПЭД после ремонтного обслуживания и контроля его эксплуатационных параметров.

Библиографический список

1. Ковалев А. Ю., Ковалев Ю. З., Солодянкин А. С. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин: моногр. Нижевартовск: Изд-во НГГУ, 2010. 173 с.

2. Kovalev A. Yu., Kuznetsov Ye. M., Anikin V. V. The parameter identification of submersible motors of electrical centrifugal pump units oil production // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIB CON 2015 — PROCEEDINGS. 2015. P. 1-4. 7147111. DOI: 10.1109/ SIBC0N.2015.7147111.

3. Prado Jr. A. do, Heerdt J. A., Junior Jr. S. I. S. Off-line identication of PWM driver induction motors using reference voltages // In IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial

Electronics Society. 2002. Vol. 3. P. 2057-2062. DOI: 10.1109/ IECON.2002.1185289.

4. Razik H., Defranoux C., Rezzoug A. Identification of Induction Motor using a Genetic Algorithm and a Quasi-Newton Algorithm // Proc. IEEE Power Electronics Congress CIEP. October 15-19, Acapulco, Mexico. 2000. P. 65-70.

5. Кузнецов Е. М., Ковалев А. Ю., Аникин В. В. Послере-монтное определение эквивалентных параметров асинхронного электродвигателя без сопряжения с нагрузочным устройством // Омский научный вестник. 2017. № 6 (156). С. 76-79.

6. Пат. 2422839 Российская Федерация, МПК G 01 R 27/26. 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.

7. Kovalev А. Yu., Kuznetsov E. M., Aninkin V. V. Diagnostic unit for electrical submersible motors and their rotor packs // 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Omsk, 11-13 Nov. 2014. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005670.

8. Ковалев А. Ю., Кузнецов Е. М., Аникин В. В. Программное обеспечение для расчета параметров схемы замещения асинхронного погружного электродвигателя: программа для ЭВМ. М.: ФИПС, 2012. № 2012661265 от 11.12.2012 г.

9. Качин С. И., Чернышев А. Ю., Качин О. С. Автоматизированный электропривод. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2010. 162 с.

10. ТУ 3381-026-21945400-97. Двигатели асинхронные погружные унифицированной серии ПЭД модернизации М. -Альметьевск: ОАО Алнас, 1998. 42 с.

ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: apple_27@list.ru SPIN-код: 9576-1114 AuthorlD (РИНЦ): 548158 ORCID: 0000-0001-9876-5471 AuthorlD (SCOPUS): 24467903000 ResearcherlD: D-1001-2016

КУЗНЕЦОВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ. SPIN-код: 7575-5001, AuthorlD (РИНЦ): 686008 ORCID: 0000-0002-1744-2206 AuthorID (SCOPUS): 56825202800 ResearcherID: S-9876-2018

Адрес для переписки: kiricuznetsov@yandex.ru АНИКИН Василий Владимирович, старший преподаватель кафедры «Автоматизация и робототехника» Нижневартовского государственного университета.

БЕССОНОВ Владимир Олегович, старший преподаватель кафедры «Энергетика» ЮРГУ, г. Ханты-Мансийск. SPIN-код: 7658-8645 AuthorID (РИНЦ): 777310 ORCID: 0000-0002-5336-5949

Для цитирования

КОВАЛЕВ Владимир Захарович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Энергетика» Югорского государственного университета (ЮРГУ), г. Ханты-Мансийск. БРНЧ-код: 4571-7212 ЛиШогГО (РИНЦ): 345037 ОЯСГО: 0000-0002-4512-6868 Яе8еагсЬегГО: К-6022-2012 Адрес для переписки: vz_kovalev@mail.ru

Ковалев В. З., Хамитов Р. Н., Кузнецов Е. М., Аникин В. В., Бессонов В. О. Определение эксплуатационных параметров погружных асинхронных электродвигателей по идентификационным параметрам Т-образной схемы замещения // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 36-40. БО1: 10.25206/1813-8225-2018-162-36-40.

Determination of operational parameters of submersible induction motors by identification parameters of T-shaped equivalent circuit