CC BY
25
УДК021. ЗМ. 261: 622
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ УСТАНОВОК ЭЛ СКТРОЦСНТРОБСЖНЫ X НАСОСОВ
Ь. М. К^-знсцов1. В. В. Аннхнн2 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 3Нижг¡евартозскыи оосударств&пали университет, г. Нижневартовск, Россия
Аннотация В статье разрабатывается метод определения электромагнитных параметроо погруж НК1\ Л'НЮрМННМХ -1.1НК1{111 1КИ1 :<1Р.Н>Й (ПЭД). Дш ЧИН» [1»ТШ1[ШКаР1ГМ К1ШШЖШ)Г I Ь ИГШ1.1КС1ЖаННМ кривой затухания постоянного тока статора, снятой при неподвижном роторе. Метод актуален хля при менения как в условиях электроремонтных предприятий, так и непосредственно на поверхности кустовых площадок нефтедобывающих скважин. Метод пмеет перспективу для использования прп эксплуатации погружных электродвигателей на глубине спуска в скважину в составе установок электроцентробежных нлсосов (УЭЦН). Результаты эксперимента показывают, что погрешность определения электромагнитных параметров ПЭД не превышает 7.5%. Для приведенного сопротивления ротора получено расхождение в 11.1%. Эти данные показывают достаточную степень адекватности предлагаемого метода определения электромагнитных параметров физическим процессам в асинхронных электродвигателях.
Клмягкыг ¡.¡паи: инрехцднгш харнк! ершишки, кллггичегкаи Т-чифлня* гъеми елмнщении, инирикги-мпрмещие экспонепты.
I. Внндьниь
Надежнее н энсргоэффсктнвнос управление УЭЦН. рсслнзующнмн основной спссос добычи нефти е России. напрямую связано с разработкой эффективных методов определения электромагнитных параметров ПЭД. Информация об электромагнитных параметрах ПЭД необходима для оценки скорости вращения [1]. электро
М;11Ы11Н()1П Г.М1МГН1Н И 1И>ШМК'ЦПиГНИИ ПЭД [?], ДЛЯ ШМ-Л^КГМИНТНиЙ ОЦГНКИ 1ГХНИЧГГК01П (Ч)ПОЯНИН ПЭД
определения эпергегачеехпх показателей, пусковых, рабочих а механических характеристик СПЭД) [31, а также для организации оптимальных п надежных режимов эксплуатации УЭШ1 [4].
Для решения данной проблемы предлагается метод определения электромагнитных параметров аеннхрок-ных электродвигаклек (АД), пригодный к использованию как в условиях электроиехсв ремонтных предприятии. так и непосредственно на кустовых площадках нефтедобывающих скважин. Он основан на регистрации переходной характеристики затухания постоянного тока обмогкн статора электродвигателе при неподвижном роторе к может применяться для предварительного определения электромагнитных параметров ПЭД на поверхности а тахже имеет перспективу для использования при эксплуатации ПЭД па глубине спуска в скэахапгу К ПИЛ ИНГ УЭТТН
П. Методы определения параметров асинхронных электро-вртателеи (АД)
Известны методы определения параметров АД [5...8] Реализация этнх методе® на поверхности, в частности. нг площадках нефтедобывающих скважин к нп ремонтных предприятиях сложна, нетехнологична и ас обеспечивает необходимой точности, т.к. требует сопряжения АД со специальными нагрузочными устройства-мн. применения дополнительного оборудования. осуществления набора тестовых режимов либо наличия специализированных стендсв, которыз.£п оснащаются предприятия, выпускающие АД. В [9] дается способ определения индуктивности рассеяния фазы обмотки статора АД при неподвижном роторе по кршон затухания по-етоянного тока статора /,(г) з сс ответствии с выражением
1ф = -ки0^/^ (1)
где Пс — постоянное напряжение иг обмотке статора, соединенной по трехфг.зней схеме, (Л7, / произ-
водная тока стагора в начале переходного процесса затухания прн замыкании накоротко его обметки.
И динний сгичъг прикодикх мгго.ц сицк-дгмгни* кгрх -»лгшромж ни1нкх и/1{ммг1}Х1К 1лгкч:ннкш)н Т-образной схемы замещения (рис. 1) АД непосредственно по характеристике Активные сопротивления
А^. А*-,. Кп на Рис. 1 моделируют потери энергии на тепло соответственно в обмотке статора, в стержнях ко-роткозамккутой обмотки ротора, в стали магнитной системы АД. Индуктивности . Ь,. £л моделируют потерн энергии на проведение магнитных потоков, которые замыкаются соответственно по путям рассеяния маг-
НИ НЫ* ГИСГГГМ CI'iflUJKI, p(»II!J>i1 И рШ ХОД :i.lfh l]K»4Hrj»l MH НЯ СЧНДЙИИГ [ЧНОКНОГО |1И1К)ЧП(1 Ч<И1 НИ I НОМ) IIOIOk/1
АД. Электромагнитные параметры R^ -л приведены к оомотхе статора.
Р.1 и
Рис. 1. Т-образкая схема змещення АД при неподвижном роторе Ш. Теоретическая часп>
Jlo предлагаемому методу аппроксимируют оцифрованную кривую затухания тока статора выражением
it г
\{})-1хе 7' +12е г' +1уе 7' .
С2)
определяют начальные токи /j./j.JjH постоянные времени Г^ Т>. Tj экспонент соотзстствснно лолсгогс. крутого и сверхпереходного участков характеристики (f). а также производную (di^ I dt\_Q н интеграл
(t)df. смеряют постоянное напряжение Uv и ток /с , приложенные к обмотае статора до гашения маши1-
п
ного доля, по определенным и помереишм данным вычисляют электромагнитные параметры донгагелей. Эк
KHK^JICHI-HKir CXCMhl (Рис П) Г001КГП"ГКГНИ0 .1Ц1Н НОЖНОГО и кругот учлпкои крикой митухини* ГОКИ С' ГИКЦМ АД ПОГфОГНМ мл (|г«Г <ЧНЛ НОПГНИЙ » ■ »-£„-4, A'-S* ->>JC
шл
J
[W
iRm
6.1
Рис. 2. Эквивалентные схемы ЛД для пологого (.а), крутого [б) и сверхпереходного (в)
уЧЖ'ГМЖ 11Г]К*ХО,ЦНОЙ ХИ|1ИН1Г|>ИГШкИ «тгухиним ГОКП Г1<Г111(Я1
Эти неравенства позволяют без какой-либо значительной ошибки пренебречь:
- злняннем сопротивления . сопротивлением контактов . проводников Р^. создающих режим
V X КЛ гтюрлнг ВХОДНЫХ ялигимгп АД К I"опрогтинггНИГV датикл ТОКЯ И ЭТОЙ К я ТТ<*ТТИ Ий ТТОГТОИННуТГ крр-
МГНИ (риг ?и) :*КСНОНГН1М /НШрОКСИМИр} КНЦГИ ПОЛОГИЙ уЧИС'ШМ ОГиТмШЩГЙ ХИрИШГрИГГИНИ МПОрыЙ
обусловлен процессами гашения энергии магнитного поля АД на сопротивлениях К^ к К, '■
- влиянием индуктивности 1И и сопротивлений ка постоянную времени экспоненты Г (рис. 26). аппроксимирующей крутой (мнллнеекунднын) участок огибающей переходной характеристики
который связан с электромагнитными процессами проникновения магнитного поля рассеяния обмотки статора АД в заторможенный ротор.
Основанием для эквивалентной схемы (рис. 2в) являются неравенство Zq ■ di^fj f dt » R '^(О-
К •dU{t')i dt » Кj • (/). справедливые aa сверхпереходном (десятки микросекунд) участке огибающей характеристики ij(0 и соотношения Ln>> Lr и Lm » Zi. которые дают возможность с очень хорошим приближением не учитывать влияние индуктивности и сопротивление R. и ^ на величину постоянной времени Т^ сверхпереходной аппроксимирующей экспоненты кривой затухания тока *, (/).
Как показывают расчеты, отличие значении постоянных времени определенных аналитически по
упрощенным схемам замещения (рис. 2а, 2б? 2в) от найденных для Т-ооразаой эквивалентной схемы компьютерными методами не превышает 2.5%. что можно считать приемлемым. Представим далее напряжение М0(О следуюшим выражением (рис. 1)
«„<0=^,(0(3) Проинтегрируем (J], учитывая, что при t > 0 напряжение W(l (t) = 0.
оо
Ъ -fh W' = -Г, [ь (=°) - *<<0] - [>„ <*>) - '„(О)] (4)
п
Так как ?i(0j = iB,(0) = . ^(«э) = = 0 . получаем соотношение
JO
ич мштрот с ynrmv ракт-ы гк-i [9]
(5)
определяется индуктивность намагничивания АД
ао
Rv\h(t)dt
L„= 0 V (б)
/о *
где к = 1! 6 при соедннсшш фаз АД по схеме неполной звезды а + ЬЛС. при котором результирующее потс-коспсплсннс получается таким же. как к при трехфазном питании обмоток статора синусоидальным током, действующее значение которого равно •
Сс111р«11ИК-1ГНИГ ипмп11и nVtlilJM KhlHHCJMrn:« II» рГЧуЛЫЯГИМ ИЧМГ[:гНИЙ
*1=ii. (7)
h
Уравнения i3). (>). (6). (/) получены с помощью правил н законов теоретической электротехники без нс-
поикчокннии упрогинн 1нх птк-дтмлжгний и донущгний |||)ин1)д1<цих к 11шг|1им пи ц1нкнти В (чкггксгкггкии t
уравнением (б), экпивалепгпой схемой (рис. 2а) и ссотпошепием L^-rL^ LM + L1 результирующая постоял нал времени находится как
Из данного уравнения определяется приведенное к статору активное сопротивление обмолот ротора АД
Ш 'JL'
(ад-//,(/)«&)•<*, fAWr1- (8)
о о
Индуктивность рассеяния сбмоткя ротора, приведенная к статору АД. находится по эквивалентной схеме (рис. 25)
L =T2 ÍR1+R2)-L* - (9)
к
Сопротивление активных noiepb в магннтопроводе АД выражается (рис. 2в) через постоянную времени сверхпереходпого участка кривой затухания ¿1(í) тока статора
-LiM ■ (10)
Т3 (_L¿ + ku)
Метсд в соответствии с уравнениями (1), (б)... (10) позволяет определять электромагнитные параметры АД
II» ПЦифрОНЛННОЙ К(!ИН(М ЧИГуХДНИУ ЧИНИ гпгпгрл К широком ДИЯНаЗОНГ реЖИМПК |Ж|ХГГЫ. КНЛЮЧИЯ НГ.1И-
НГЙККТГ рГЖИМЪГ вытил кит%тг нлгыщгнкгчг МЛГЮТТНОЙ ГИГТСТкПг АД к ^фпгктптд втлтеснгчття ТОК Л R глубокпплчнмх электродвигателях Эти режимы, характерные для ПЭД. реализуется путем изменения величины постоянного тока /0. Тех как кривая затухания тока статора регистрируется при неподвижном роторе, отпадает необходимость сопряжения ЮД с механической нагрузкой. что упрощает реглизанню метода на поверхности кустовых атошадок нсфтсдооываюшкх скважин н на ремонтных предприятия?:
Для получения оцифрованной переходной характеристики затухающего тока статора ПЭД ^(?) разработана мобильная установка «Регистратор переходных характеристик РПХ 20», сертифицированная в РОССТАН ДАРТ, федеральном бюджетном учреждении кОмскни центр стацдартшацин и метрологии)). Для намерения производной (<fij ¡dt)JsV. определения постоянных времени TrT,.Ts и начальных токов !,,1Х,1. аппрокек-хсируюоих экспонент и вычисления электромагнитных параметров ПЭД разработана программа SHEM ZAM 01. р^глн^ованная и системе Mallab. В upoipuuu ucuwiMyuiui функции pe¿peeсинмно ана.1к;а н на чайные условия
1,(0)
(d\!dt)„=ЧА/т1+12 /г, +/,;Г3) '
вытекающие из выражения (2) и связывающие между собой начальные теки /,,с постоянным током /0 и производную (di. i dt) с постоянными времени Tx.Tï,Ti.
TV Результаты эксттр?и\п=нта
Речулыиты -1КГ11е]жменга.1ьной прочгрки njr^Hianuüm мгщца ДЛ* ПЭД шна ТТЭДНЭ? lafi-ipnia 11 7М MOI I IHiX КН1 Я 2 kRi < p-lf»04HM HÍ- *ГН ИГМ 10П0 R ll| ИКГДГН-.1 К lílfijl 1 Видно. 4ll> lllll^lllHIN'lli ПНреДеЛГНИН í.icKipoMiUни.ныл нарамехрек не iipeuKiinaei 7.5%. Ис1_1К)чени= соишшпех сиприаивление ротора /?,, где ux-ли.онение дос.шаел 1 L. 1*/о. Все в целом nujúubiuaei диснио-шук' счеиень здеквашосчи мегома определения янгкipoMüi нитнмх парамтром физическим процессам к ПЭД И.-снгпимми « ihGji I мклмкпгм параметры^ определенные но мехаиичпьпй харныгрипине. полученной на счгндг и]]игм11датнимх и испытаний ПЭД ОАО «HiixiiMrr-ITqiUh» Концны 1иру eu ыми мклякигя член i ром пни i ныг плрлмефы ТТЭД определенными по переходной характеристике затухания тока статора í,(r) данного ПЭД с помощью программы SHEM_ZAM 01 (¡мг 1)
ТАБЛИЦА 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЭД
Двигатель Электромагнитные параметры
ПЭДН 32-117М-Ю00, 10-11,5 А Из переходной % Ом R2, ОМ ¿1, мГн ¿ 2, мГи Вт. Ом Lmr мГн
х-ки 1,01 1,47 8,03 8,93 1322,49 175,32
Известные 1.01 1.33 7.67 9,03 1232,58 181,58
Отклонение, % 0 11.1 4,78 1.15 7,29 3,44
V. Выводы
Разработан метод определения электромагнитных параметров ПЭД по оцифрованной кривой затухания тока статора, пригодный для оценки технического состояния ПЭД в условиях ремонтных предприятий и для предварительной идентификации параметров ПЭД на кустовых площадках нефтепромыслов при неподвижном роторе. Метод имеет перспективу для использования при эксплуатации ПЭД на глубине спуска в скважину в составе УЭЦН.
. is if a if j a i i< i | __I
^ZZZT"" »««И
| ЧЯК » [ !«се |
л | 4АМ1 и | 1-е*«» L1 J ulHntt | «I
Рис. 3. Интерфейс обрабатывающей программы SHEM_ZAM01 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kuznetsov Ye. М.. Kovalev A.Yn.. Anikiii V. V. The Parameter identification of submersible mo tori of electrical centrifugal pump units for oil production H International Siberian Conference on Control and Communications. SEBCON - Proceeding. M, 2015. P. 1-4.
2. Chung J., Dolen M.. Kim H.. Lorenz K. Continious - time observer to estimate electrical parameters of induction macliine > IEEE Turns, on Industry Applications. 2001. Vol. 30, no. 3. P. 259-263.
3. Аникин В. В . Ковалев А Ю.. Кузнецов Е. М. Программное обеспечение для расчета параметров схемы замещения асинхронного погружного электродвигателя: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 20126612625: зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 декабря 2012.
4. Yandevier Joseph Е. Generator selection for the reliable operation of subsurface centrifugal pump motors it EEEE Trans, on Industry Applications. 2008. Vol 1A, 16, no 1.
5. Holtz J. Sensorless Control of Induction Motor Drives H Proceedings of the IEEE 2002. Vol. 90 no .8. P 13591394
6. He Y., Wang Y., Feng Y., Wang Z. Parameter identification of an induction machine at standstill using the vector constructing method П IEEE Transactions on Power Electronics 2012. Vol. 27, no. 2. P. 905—915.
7. He L.. Cheng S., Harley R. G. [et al.] A torque-injection-based approach for thermal monitoring of induction nmcliines with direct torque control[C] // Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), International IEEE. 2013. P. 93-99.
8. Salmasi F. R_. Najafabadi T A. An adaptive observer with online rotor and stator resistance estimation for induction motors with one phase current sensor // IEEE Transactions on Energy Conversion 2011. Vol. 26. no. 3. P. 959-966.
9. Пат. 2422839 CI Российская Федерация. МПК G01R27/26, заявл 22. 10 09 ; опубл., 27.06.11
