CC BY
51
УДК 621.313.1
Е. М. КУЗНЕЦОВ Д. О. ПАВЛОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ПРЯМОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ПОГРУЖНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ УСТАНОВОК ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ
Рассматривается измерение скорости вращения погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД) путем размещения на его валу на стеклотекстоли-товых шайбах СТЭФ1 с двух сторон k немагнитных промежуточных подшипников ротора 4k четырехполюсных магнитов с радиально-намагниченными разнополярными зонами, ориентированных строго в одном направлении. Измерительная информация формируется непосредственно статорной обмоткой ПЭД, передается на поверхность по силовому кабелю и снимается через трансформатор тока и полосовой фильтр с фазы кабельной линии. Приводятся результаты схемотехнического моделирования в программном комплекте EWB 5.12, подтверждающие достоверность получения измерительной информации.
Ключевые слова: высококоэрцитивные магниты, синхронное и синфазное вращение, ЭДС.
Введение. Надежное и энергоэффективное частотное управление установками электроцентробежных насосов (УЭЦН), реализующими основной способ добычи нефти в России, напрямую связано с разработкой эффективных методов определения скорости вращения погружных асинхронных электродвигателей [1, 2]. ПЭД асинхронные, трехфазные, короткозамкнутые осуществляют вращение вала электроцентробежного насоса на глубине спуска от 1-го до 3-х км и получают электропитание с поверхности через длинную кабельную линию и промысловый повышающий трансформатор от СУ, оснащенной преобразователями частоты [3, 4].
Информация о скорости вращения ПЭД необходима для определения электромагнитного момента, энергетических показателей, пусковых, рабочих и механических характеристик погружных электродвигателей [5, 6], а также для организации оптимальных и надежных режимов эксплуатации УЭЦН.
Теоретическая часть. Существуют бездатчико-вые способы определения угловой скорости асинхронных электродвигателей, основанные на использовании модели электродвигателя, заданной в виде системы дифференциальных уравнений [7, 8], наблюдателей полного порядка и других методов [9, 10]. Бездатчиковые способы в настоящее время не обеспечивают необходимой точности из-за влияния скважинного электропитающего кабеля большой длины, режимных и температурных вариаций параметров ПЭД, находящегося на глубине спуска до трех километров в агрессивную среду пластовой жидкости с температурой 95...120 °С и давлением до 20 МПа.
В статье рассматривается возможность прямого определения скорости вращения ПЭД [11] благода-
ря размещению на немагнитных элементах ротора равномерно в осевом направлении набора высококоэрцитивных Бш — Со или N<3 — Бе — В магнитов, ориентированных строго в определенном направлении для получения синхронного и синфазного воздействия поля всех вращающихся магнитов на проводники отдельных секций обмотки статора ПЭД. Такое техническое решение повышает в к (35 — 60) раз величину импульсов ЭДС, индуктируемых в обмотке статора ПЭД, и позволяет использовать ее в качестве сигнальной для передачи измерительной информации на поверхность в станцию управления УЭЦН непосредственно по силовому питающему кабелю.
Немагнитные промежуточные подшипники ротора, находящиеся в расточке немагнитного пакета статора ПЭДН32-117-1000 (рис. 1), снабжены по торцам шайбами СТЭФ1 толщиной 2 мм, которые создают пары трения с торцами регулировочных шайб.
При ремонте или профилактическом обследовании ПЭД размещают по окружности шайб СТЭФ1 диаметрально противоположно 4к четы-рехполюсных высококоэрцитивных радиально намагниченных постоянных магнита со встречным расположением полюсов. Постоянные магниты имеют большую намагничивающую силу (более 6104 кА/ш), достаточную для того, чтобы воздействовать через воздушный зазор на проводники протяжной статорной обмотки ПЭД.
В процессе сборки ротора ПЭД все пары магнитов ориентируются строго в одном направлении для получения синхронного и синфазного перемещения поля каждого магнита относительно проводников протяжной статорной обмотки ПЭД, расположенных в пазах его немагнитных пакетов.
Рис. 1. Фрагмент сборочного чертежа ПЭДН32-117-1000
Рис. 2. Структурная схема
прямого измерения скорости вращения ПЭД
Рис. 3. Схема движения шайбы СТЭФ1 с постоянными магнитами относительно проводников протяжной обмотки статора ПЭД
На рис. 2 изображена структурная схема измерения скорости вращения ПЭД, содержащая стеклотек-столитовые диэлектрические шайбы 1, статорную обмотку 2 погружного электродвигателя, скважин-ную кабельную линию 3, трансформатор тока 4, нагрузочное сопротивление 5, полосовой фильтр 6, устройство сравнения напряжений 7 и делитель частоты 8.
При вращении ротора ПЭД магнитное поле постоянных магнитов 12 (рис. 3), пронизывающее воздушный зазор 11 (доли мм), индуцирует в проводниках протяжной обмотки 10 (например, проводниках фазы С), проходящих через пазы немагнитных пакетов статора 9 последовательность импульсов ЭДС Е различной полярности (рис. 4), которые меняют свою полярность через временной интервал 0,5Т2, где Т2 — период вращения ротора ПЭД.
В фазе С статорной обмотки ПЭД, размещенной в х/3 пазах пакетов статора, наводятся импульсы ЭДС Еркю1 (рис. 4), меняющие полярность через интервал времени 0,5Т2 и равные в соответствии с законом электромагнитной индукции
В фазе С трехпроводного скважинного кабеля формируются за один оборот ПЭД х импульсов тока 1рк т1 (рис. 4), повторяющихся с частотой вращения ротора ПЭД. У х/3 импульсов амплитуда примерно в 2 раза больше, чем у 2х/3 импульсов тока, попадающих в фазу С за счет действия импульсов ЭДС, наведенных в статорных обмотках фаз А и В ПЭД.
Измерительный трансформатор тока 4 преобразует частотные импульсы тока 1ркю1 и фазный ток, потребляемый ПЭД от источника и и превышающий на два-три порядка импульсный ток 1ркв пропорциональное напряжение.
Синусоидальное напряжение, пропорциональное фазному току ПЭД, отделяется от частотной импульсной составляющей напряжения с помощью полосового фильтра 6, который имеет граничные частоты полосы пропускания и и спад ам-
^ ^ •> шт •> тах т
плитудно-частотной характеристики за граничными частотами не менее 80 дб/дек. Такой фильтр уверенно отделяет частотные импульсы напряжения
и1 =1 ph.ro,/ к, •к/,
(2)
Ер^го,= в • Л' V •у • п ,
(1)
где В — магнитная индукция, Тл; d — толщина СТЭФ1 шайбы, м; = — линейная скорость перемещения магнитов, м/с ек (направление магнитной индукции В и скорости перемещения V взаимно перпендикулярны); т — ч исло эффективных проводников статорной обмотки в пазу магнитопровода ПЭД.
(к. и к^. передаточные еоэффициенты трансформатора тока и фильтра) от низкочастотного синусоидального напряжеыия, регулир^мого по частоте станцией управления УЭЦН в пределах от £' до /тах, (т е. от 40 Гц до 60 Гц) и превосходящего на два-три порядка ныпряжееие и, а также от высокочастотных напряжени Iй, обусловленных наличием частотного преобразователя в составе станции управления УЭЦН.
Рис. 4. Временные диаграммы напряжений и токов в элементах структурной схемы на рис. 2
Компаратор напряжений 7 преобразует импульсы напряжения Ui в прямоугольные импульсов U2 (рис. 4). Делитель частоты 8 формирует новую последовательность импульсов U3 (рис. 4), частота повторения которых уменьшена в z раз и совпадает с частотой вращения ротора ПЭД.
Схемотехническое моделирование. Схемотехническое моделирование схемы измерения (рис. 2) выполнено с использованием программного пакета Electronics Workbench 5.12 и проведено для
УЭЦНМ5-50-1700, содержащей ПЭДН32-117-1000, центробежный насос 2ЭЦН5-50-1800, скважин-ный кабель КПБК3х16 и трансформатор ТМПН-100/1170-73ХЛ1. Для данной установки рекомендуется отпайка на стороне ВН трансформатора с линейным напряжением 1170В. Основные данные на ПЭДН32-117-1000 (ТУ-3381-026-21945400-97) приведены в табл. 1.
В качестве измерительного трансформатора тока 4 для УЭЦНМ5-50-1700 выбран шинный трансформатор ТНШ-0,66-УЗ(Т3) с первичным номинальным током 30А. Измерительное сопротивление 5 составляет 1 Ом. Фазы ПЭД обозначены на структурной схеме измерения (рис. 5) блоками «stat» и представлены на схемотехнической модели многоконтурной схемой замещения (рис. 6). Параметры схемы замещения приведены в табл. 2. Трехфазный скважинный кабель типа КПБК представлен на схеме рис. 5 блоками «cab». Фазы скважинного кабеля моделируются П-образной схемой замещения. Параметры этой схемы рассчитаны для сечения 16 мм2 и длины спуска 2000 м по (3), (4), (5)
R =
l
X^F
1 + a.(tcab- 20° С)],
ю
0,144-lg(^) + 0,016
(3)
(4)
Параметры ПЭДН32-117-1000
Таблица 1
3 ф ё я ffl < о а н а CD < со с я E-i Номинальная мощность, кВт Номинальное линейное напряжение, В Напряжение в фазе, В Номинальный ток, А КПД, % Коэффициент мощности Номинальное скольжение, % Число пазов статора, z Число опорных подшипников ротора Диаметр ротора, мм
СЧ ГО < СО с < со с
32 1000 578 26 85 0,86 5 18 7 57
Рис. 5. Схемотехническая модель структурной схемы измерения скорости вращения ПЭД
r
eq
_ l 7,58-10"'
Сл =---D-
ю lg ^
(5)
где l — длина спуска кабеля, м; F — поперечное сечение жилы, мм2; X — удельная проводимость меди для 20 °С, принимается равной 51,2 МСм/м; а — ТКС меди, составляющий для меди 0,004 град-1; tcab — температура жилы кабеля на глубине спуска, принятая равной 90 °С; D — среднегеометрическое расстояние между жилами кабельной линии; req — приведенный (с учетом формы сечения и скин-эффекта) радиус жилы кабеля. Отношение Dav / req для сечения 16 мм2 равно 2,6; ю = 314 рад/с — угловая скорость вала ПЭД. Результаты расчета параметров R ,, L ,, C , представлены в табл. 2.
1 1 cab' cab' cab. 1 ^
Преобразователь ток — напряжение TA с передаточным сопротивлением 0,2 Ом моделирует измерительный трансформатор тока 4. Источники Ua, Ub, U частоты 50 Гц (рис. 5), соответствующие линейному напряжению 1170 В, представляют трехфазное напряжение, поступающее от скважинного трансформатора к погружному кабео. Высшие гармонические составляющие с несущей частотой 5 кГц от преобразователя частоты УЭЦН с синусоидальной ШИМ моделируются источниками напряжения Uahv, U,., U . . Источники E ,, £■, ,, E , (рис. 5) модели-
b.hv c.hv a.rot. b.rot' c.rot. V1 / r-i
руют ЭДС, наведенные в статорной обмоткеПЭД полем постоянных магнитов и определе ны, согласно (1), для B = 1,6 Тл, l = 2 мм, n = 4, v = 8,9 м/с. Синусоидальная форма напряжения источников E ,, E, ,, E , принята с учетом возможностей
a.rot. b.rot. c.rot.
программного пакета Electronics Workbench 5.12, частота напряжения frot с г • f • (1 я s) равна 858 Гц, где f — частота трехфазных источников Ua, Ub, Uc. Блок «commut» управляет электронными ключами £1, k2, k3. Последние переключают источники ЭДС
E „ Eb ,,
a.rot. b.rot.'
Рис. 6. Схема замещения ПЭДН32-117-1000
Рис. 7. Осциллограмма напряжения на выходе фильтра 6
мерительныи сигнал
частотные импульсы тока
E ,, — E — E, — E , с частотой
c.rot. a.rot. b.rot. c.rot.
6 f в порядке, отражающем очередность прохождения магнитами проводников, относящихся к началам (a, b, c) и концам (x, y, z) фазных обмоток, в z/3 пазах магнитопровода статора. Фильтр (filter) выполнен в виде соединения четырех идентичных каскадов, содержащих низкочастотный ДС-фильтр, высокочастотный ДС-фильтр и согласующие операционные усилители.
Из временной диаграммы напряжения Ui (рис. 7), пропорционального, согласно (2), току Iphrot видно, что, благодаря фильтру 5, эффективно подавляются токи от напряжения частоты 50 Гц и токи от действия напряжения гармонической составляющей частоты 5 кГц. На выходе фильтра 5 формируется напряжение U, эффективно воспроизводящее из-
1рктЫ (рис. 4). Это напряжение преобразуется компаратором напряжений 6 и делителем частоты 7 в прямоугольные выходные импульсы из (рис. 2), следующие с частотой вращения короткозамкнуто-го ротора ПЭД.
Выводы. Разработан метод прямого измерения скорости вращения ПЭД без использования индукционного датчика, роль которого выполняют элементы конструкции статора и ротора ПЭД, что упрощает передачу измерительной информации на поверхность и упрощает ее съем с помощью трансформатора тока, подключенного к фазе сква-женного кабеля. Метод может найти применение в энергоэффективных электротехнических комплексах УЭЦН для векторного регулирования скорости вращения ПЭД.
Эквивалентные параметры блоков stat и cab
Таблица 2
Параметр Rcab. Lcab. Ccab. r1 L1 r0 L0
Значение 1,25 Ом 0,241 mH 0,116 мкФ 1,015 Ом 7,67 mH 2,632 Ом 181,2 mH
Параметр r21 L21 r22 L22 r23 L23 s
Значение 1,331 Ом 9,038 mH 10,409 Ом 9,09 mH 6,025 Ом 40,91 mH 0,046 о.е.
r
eq
Библиографический список
1. Кузнецов Е. М., Ковалев А. Ю., Аникин В. В. Электротехнологические установки для нефтедобычи: моногр. / Мин-обрнауки России, ОмГТУ, НОУ ВПО «АИПЭ». Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. 160 с.
2. Kovalev А. Yu., Kuznetsov Ye. М., Anikin V. V. The parameter identificftion of submersible motors of electrical centrifugal pump units for oil production // Control and Communication (SIBCON), 2015: International Siberian Conference on Year. 2015. P. 1—4. DOI: 10.1109/SIBC0N, 2015. 7147111.
3. А. Ю. Ковалев, Кузнецов Е. М., Аникин В. В. Эффективность методов идентификации электромагнитных параметров погружных электродвигателей установок электроцентробежных насосов // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 282-285.
4. Ковалев Ю. З., Ермак Р. В. Системное моделирование погружных асинхронных двигателей в составе установок электроцентробежных насосов // Промышленная энергетика. 2012. № 1. С. 31-34.
5. Каширских В. Г. Динамическая идентификация асинхронных электродвигателей: моногр. Кемерово: Изд-во Куз-ГТУ, 2005. 139 с.
6. Кузнецов Е. М., Ковалев А. Ю., Аникин В. В. Экспериментальное исследование переходных процессов в системе станция управления - электродвигатель с короткозамкнутым ротором // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2012. № 3 (113). С. 213-217.
7. Karanayil B., Rahman M. F., Grantham G., Rahman M. A. 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.
8. Pinto J. O. P., Bose B. K., Borges L. E., Kazmierkowski M. P. A neural network based space vector PWM controller for voltage-fed inverter induction motor drive // IEEE Transaction on Industry Applications. 2000. Vol. 36. Is. 6. P. 1628-1636. DOI: 10.1109/28.887215.
9. Bose B. K. Neural network applications in power electronics and motor drives - an introduction and perspective // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007. Vol. 54. Is. 1. P. 1433. DOI 10.1109/TIE.2006.888683.
10. Jancovic M., Zalman M., Jovankovic J. Parameter identification of induction motors by u sing 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 (in English).
11. Пат. 2463612 Российская Федерация, МПК G01P3/48. Способ определения скорости вращения погружных асинхронных электродвигателей / Ковалев А. Ю., Ковалева Н. А., Кузнецов Е. М. № 2011104945/28; заявитель и патентообладатель НОУ ВПО «Академический институт прикладной энергетики», г. Нижневартовск; заявл. 10. 02. 2011; опубл. 10. 10.12.
КУЗНЕЦОВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрическая техника».
ПАВЛОВ Дмитрий Олегович, аспирант кафедры «Электрическая техника».
Адрес для переписки: kiricuznetsov@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 23.01.2017 г. © Е. М. Кузнецов, Д. О. Павлов
р
о
