CC BY
60
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
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: [email protected] 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: [email protected] 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: [email protected]
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.
Статья поступила в редакцию 26.10.2018 г. © В. З. Ковалев, Р. Н. Хамитов, Е. М. Кузнецов, В. В. Аникин, В. О. Бессонов
