CC BY
36
© И.В.Ившин, А.Р. Сафин, Т.И.Петров, А.Н. Цветков, В.Ю.Корнилов, А.И. Мухаметшин УДК 621.313.82
РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
И.В. Ившин, А.Р. Сафин, Т.И. Петров, А.Н. Цветков, В.Ю. Корнилов, А.И. Мухаметшин
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8733-8914, tobac15@mail.ru
Резюме: Перспективным направлением в области энергоэффективного оборудования является создание интеллектуальных станций управления и новой серии российских высокоэффективных вентильных двигателей для штанговых скважинных насосных установок, предназначенных для повышения уровня нефтедобычи, оптимизации технологического процесса, существенного снижения влияния «человеческого» фактора и повышения производственной безопасности. В целях её экономии применяется частотно - регулируемый привод станка - качалки.
Для осуществления данного проекта необходимо, в первую очередь, разработать и реализовать испытательный стенд для исследования характеристик синхронного электродвигателя. В работе будут рассмотрены методы и средства испытания двигателей, представлена структурная схема стенда и продемонстрированы полученные результаты в ходе экспериментов.
Ключевые слова: синхронный двигатель, испытательный стенд, электропривод, генератор, коллектор.
Благодарности: Публикация статьи осуществлена в рамках проекта «Создание серии электроприводов на базе российских высокоэффективных синхронных двигателей для станков-качалок нефти с применением беспроводных систем передачи данных и адаптивной системой управления для «умных» месторождений», Соглашение №074-112018-020 с Минобрнауки РФ от 30 мая 2018 г.
DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF THE TEST STAND FOR RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF A SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR
I.V. Ivshin , A.R. Safin, T.I. Petrov, A.N. Tsvetkov, V.Yu.Kornilov, A.I. Mukhametshin
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8733-8914, tobac15@mail.ru
Abstract: A promising area in the field of energy efficient equipment is the creation of intelligent control stations and a new series of Russian high-efficiency valve motors for rodtype well pumps designed to improve the level of oil production, optimize the technological process, significantly reduce the impact of the "human" factor and improve production safety. In order to save it, the frequency-controlled drive of the machine-rocking is used.
To implement this project, it is necessary, first of all, to develop and implement a test bench for the study of the characteristics of a synchronous motor. The work will consider the methods and the means of testing the engines, the structural diagram of the stand is presented and the results obtained in the course of the experiments are demonstrated.
45
Keywords: synchronous motor, test bed, electric drive, generator, collector.
Acknowledgments: The publication of the article was carried out within the framework of the project "Creation of a series of electric drives on the basis of Russian high-performance synchronous engines for oil pumping machines using wireless data transmission systems and an adaptive control system for smart deposits", Agreement No. 074-11-2018-020 with the Ministry of Education and Science of the Russian Federation of May 30, 2018.
Введение
Настоящий проект направлен на создание современного высокотехнологичного производства в интересах нефтегазовой отрасли, обеспечения максимального дебета при минимальных затратах. Адаптивные системы управления для «умных» месторождений позволят с помощью беспроводных систем передачи данных обеспечить оптимальные режимы и надежность работы погружного оборудования, а также при необходимости удаленно производить регулировку технологического режима работы скважин.
По итогам реализации проекта будет создано высокотехнологическое оборудование и производство серии электроприводов на базе российских высокоэффективных вентильных двигателей для станков-качалок нефти в соответствии с потребностями заказчиков. Будут получены следующие показатели и характеристики:
- увеличение объема продукции на 20-35%;
- контроль технического состояния оборудования в реальном времени;
- экономия энергопотребления на малодебитных скважинах на 20%;
- сокращение затрат на профилактические работы на 50%;
- управление электроприводом станка-качалки нефти на базе вентильного электродвигателя, с целью оптимизации технологии добычи. Использование вентильного электродвигателя позволяет повысить КПД привода ШСНУ за счет возможности уменьшения установленной мощности двигателя;
- обеспечение беспроводной передачи данных о технологических параметрах СУ ШСНУ;
- реализация функций интеллектуальной сети нефтяных полей с целью оперативного мониторинга и управления нефтедобычей, потреблением электроэнергии, локализации аварийных ситуаций, снижения потерь электроэнергии в питающих сетях на 15%.
В контексте импортозамещения создание новой серии российских высокоэффективных вентильных электроприводов позволит значительно сократить импорт данного вида продукции.
Испытательный стенд
Испытательный стенд представляет собой автономно скомпонованный электропривод типа ЭПБ1-30027УХЛ4 с бесколлекторным синхронным двигателем 4СХ2П90£8ПД2(1), вал которого соединен с генератором постоянного тока типа ГСР-3000М через планетарный редуктор с передаточным числом 3,5625, работающий в режиме мультипликатора (быстроходный вал на выходе). Генератор служит для электродинамической нагрузки двигателя электропривода, создаваемый путем подключения к выходу генератора нагрузочных резисторов (рис. 1).
Рис. 1. Испытательный стенд
Испытательный стенд содержит вертикально расположенный двигатель 1, редуктор (2) и генератор (3), жестко соединенные между собой и установленные на каркасе-основании (4), снабженном тремя опорами с резиновыми амортизаторами. Валы двигателя и генератора соединены с редуктором посредством жестких муфт. Силовые цепи двигателя и генератора выведены на кабели с разъемами для подключения к стойке управления (5). Кроме того, на двигателе расположен разъем для присоединения сигнального кабеля, подключаемого также к стойке управления и служащего для передачи сигналов тахогенератора, датчика положения ротора и путевого датчика, конструктивно входящих в состав двигателя.
Стойка управления разделена на 2 отсека: нижний (отсек электропривода) и верхний (отсек нагрузки). В нижнем отсеке расположены блоки электропривода: блок регулирования БС4101-2850 и блок питания БС9801-2850, а также элементы первичной силовой цепи электропривода: магнитный пускатель КМ1 и токоограничивающие резисторы Л16..К21, установленные на внутренней стороне передней панели отсека. На лицевую сторону передней панели нижнего отсека выведены:
- контрольные гнезда путевого датчика 1ДП, 2ДП, 3ДП;
- контрольные гнезда датчика положения ротора АДПР, ВДПР, СДПР;
- гнезда для подключения общего вывода внешних контрольных приборов;
- стрелочный индикатор напряжения тахогенератора с двухсторонней шкалой;
- стрелочный индикатор однополярного напряжения на выходе датчика тока фаз двигателя;
- ручка «Задатчик скорости» с грубой шкалой установки скорости вращения двигателя;
- переключатель направления вращения двигателя с нейтральным положением «Вперед-стоп-назад»;
- выключатель «Нагрузка» для включения-отключения нагрузки в целом;
- пара клеммных гнезд «Генератор» для контроля напряжения на выходе генератора;
- выключатель «Изменение нагрузки» для подключения-отключения заданной части нагрузки.
В верхнем отсеке стойки управления расположены нагрузочные резисторы в общем количестве 100 шт. установленные на горизонтальной теплозащитной панели. Последовательно-параллельным включением резисторы объединены в 5 секций (Ш...Л5), что создает возможность изменения нагрузки ступенями, кратными 20% максимального значения.
Также на горизонтальной панели установлен источник питания цепи возбуждения генератора, включающий в себя понижающий сетевой трансформатор Тр1 и диодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором С1. Напряжение возбуждения иш = 4,5 В (рис. 2).
Генератор представляет собой шунтовую четырехполюсную электрическую машину постоянного тока с четырьмя дополнительными полюсами.
Генератор состоит из корпуса с обмотками, якоря, щёток, патрубка.
Корпус генератора является магнитопроводом и несет на себе основные полюсы с обмотками возбуждения и дополнительные полюсы с обмотками. В корпусе установлен подшипник.
Якорь имеет волновую обмотку, уложенную в пазы пакета пластин и соединенную через коллектор.
Щит крепится к корпусу болтами. На внутренней поверхности щита размещены четыре обоймы щеткодержателя. В каждой обойме щеткодержателя установлены по две щетки, которые цилиндрическими пружинами через рычаги прижимаются к коллектору.
Рис. 2. Структурная схема стенда для определения рабочих характеристик: 1 - измерительный комплект К-50, 2 - аппаратно-программный комплекс, 3 - стойка управления, 4 - СД 4СХ2П90£8ПД2, 5 - ГПТ ГСР-3000М, 6 - нагрузочный резистор, 7 - персональный компьютер, 8 - оцилограф, 9 - вольтметр, 10 - тахометр ТП-80-20-02,
ОВ-обмотка возбуждения ГПТ
На щите установлена клеммная панель. В щите установлен подшипник. Патрубок крепится к щиту шпилькой и гайкой.
Технические характеристики синхронного двигателя СД 4СХ2П90£8ПД2 представлены в табл. 1.
Технические характеристики СД 4СХ2П90£8ЦД2
Синхронный двигатель 4СХ2П90£8ЦД2
Рн, кВт и, об/мин Мн, Нм и», в I, А 7, кг-м2
2 кВт 1500 13 115 4,3 0,810-2
Коллектор состоит из 75 пластин, изолированных слюдяными прокладками друг от друга. Коллекторные пластины собраны на стальной втулке и закреплены специальной шайбой и гайкой. Коллекторная втулка укреплена на ребрах алюминиевой втулки звездообразной формы и образует с последней сквозные каналы для прохождения охлаждающего воздуха. Коллектор напрессован на полый вал, выполненный из углеродистой стали.
Технические характеристики ГПТ ГСР-3000М представлены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики ГПТ ГСР-3000М
Номинальное напряжение, В 28,5
Номинальный ток нагрузки, А 100
Номинальная мощность, Вт 3000
Частота вращения, об/мин 4000-9800
Сопротивление обмоток при темпе] эатуре 20°С
Обмотка якоря, Ом 0,024 Ом + 10%
Обмотка возбуждения, Ом 2,20 Ом + 6%
Обмотка дополнительных полюсов, Ом 0,0122
Щетки
Марка МГС -7И
Количество, шт. 8
Тахогенератор ТП-80-20-02 - измеряющий генератор постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, состоящим из якоря и магнитной системы (табл. 3). Якорь устанавливается непосредственно на вал, а магнитная система крепится к корпусу электродвигателя.
Созданный электросигнал из тахогенератора идёт для непосредственного отображения на спецпроградуированный вольтметр (тахометр) и на клеммы для подключения электронного вольтметра.
Методика испытаний
В соответствии с действующим ГОСТ для синхронного двигателя с постоянными магнитами проводятся испытания двигателей по следующей программе:
1. Измерение сопротивления обмоток при постоянном токе в практически холодном или нагретом состоянии.
2. Испытание при пониженных частотах вращения под нагрузкой.
3. Определение характеристики холостого хода.
4. Определение потерь и коэффициента полезного действия.
Измерения проводить при помощи измерительных проборов с классом точности не ниже 0,5.
Основные технические данные тахогенератора ТП-80-20-0,2
Крутизна выходного напряжения, мВ об/мин 20
Номинальная частота вращения, об/мин 3000
Максимальная частота вращения, об/мин 6000
Минимальная частота вращения, об/мин 0,1
Нагрузочное сопротивление, кОм, не менее 10
Погрешность в диапазоне частот вращения 0,1+4000 об/мин, % не более 0,2
Коэффициент пульсации при максимальной частоте вращения, % не более 3,0
Масса, кг, не более 0,5
Марка щеток СГ1
Согласно ГОСТ измерение сопротивлений обмоток следует производить непосредственно на выводах этих обмоток, а для замкнутых обмоток, не имеющих начала и конца, например, обмоток якорей коллекторных машин постоянного и переменного тока, -между точками, доступными для присоединения измерительного устройства и выбираемыми в соответствии с типом обмотки.
Испытания при пониженной частоте вращения проводятся в частотах вращения 500, 750, 1000, 1500 об/мин с постепенной нагрузкой двигателя в контрольных точка по моменту: холостой ход испытательного стенда, 0,92, 1,5 от номинального момента СД, при частоте 1500 об/мин.
Нагружающим устройством является ГПТ ГСР-3000М с параллельным возбуждением. Нагрузочный резистор может быть выставлен в трех положениях соответствующий: холостому ходу испытательного стенда, 0,5 Мн, 0,92 Мн, 1,5Мн, где Мн -номинальный момент синхронного двигателя 4СХ2П90£8ПД2, при частоте вращения 1500 об/мин, равная 13 Нм.
Оценка КПД производится по формуле:
л = 100 р
Р
где Р2 - отдаваемая мощность, кВт, определенная по измеренному моменту и частоте вращения либо по данным измерений на тарированной вспомогательной машине; Р1 -подводимая мощность, кВт.
Основные результаты
Результаты испытаний синхронного двигателя на разных величинах частоты вращения (от 500 до 1500 об/мин) представлены в табл. 4-7.
Таблица 4
Результаты испытания СД на 500 об/мин
иа иъ и 1а 1ъ 1с Ра Ръ Рс S, ВА соэОО М Р2 Вт РьВт КПД, %
226 224 224 1,95 1,75 0,3 270 190 20 299,56 0,53 1,72 90,00 480,00 18,75
226 224 222 2,25 1,8 0,3 360 200 24 324,80 0,60 3,87 202,50 584,00 34,67
226 224 224 2,65 2,2 1,3 440 270 190 460,57 0,65 5,78 302,50 900,00 33,61
Результаты испытания СД на 750 об/мин
иа и и 1а 1ь 1с Ра Рь Рс S, ВА соэОО М Рг Вт РьВт КПД, %
228 224 222 2,2 1,9 0,27 350 210 20 327,26 0,59 1,15 90,00 580,00 15,52
228 224 222 2,9 2,5 1,2 460 310 160 494,27 0,63 2,58 202,50 930,00 21,77
228 224 222 3,7 3,15 2 610 430 290 662,77 0,67 7,16 562,50 1330,00 42,29
Таблица 6
Результаты испытания СД на 1000 об/мин
иа иь ис 1а 1ь 1с Ра Рь Рс £,ВА соэОО М Р2,Вт РьВт КПД, %
228 224 222 2,5 2,1 1,1 390 260 150 426,87 0,62 2,39 250,00 800,00 31,25
226 224 224 3,6 3 2,1 580 400 300 651,53 0,65 4,51 472,66 1280,00 36,93
226 222 222 4,85 4,25 3,35 800 640 510 926,83 0,70 7,74 810,00 1950,00 41,54
Таблица 7
Результаты испытания СД на 1500 об/мин
иа иь ис 1а 1ь 1с Ра Рь Рс £,ВА соэОО М Р2,Вт РьВт КПД, %
228 226 224 6,5 6,1 2,9 1020 800 420 1167,67 0,64 3,58 562,50 2240,00 25,11
228 226 222 6 5,2 3,8 940 720 560 1126,67 0,66 12,04 1890,63 2220,00 85,16
228 224 222 8,3 7,5 6,5 1420 1140 560 1670,02 0,62 19,50 3062,50 3120,00 98,16
Рабочие характеристики СД 4СХ2П90£8ПД2
На рис. 3-7 изображены рабочие характеристики СД 4СХ2П90£8ПД2, работающего от стенда управления, при разных частотах питания:
г Р'п Т / = -—, Гц
60
где р - число пар полюсов СД, и - скорость вращения ротора СД.
На рисунках фиолетовые графики соответствует характеристикам, снятым при скорости вращения 1500 об/мин, зелеными цветами изображены графики, снятые при скорости вращения 1000 об/мин, красным цветом изображены графики снятые при скорости вращения СД 750 об/мин. Синим цветом изображены графики, построенные при 500 об/мин.
Рис. 3. Зависимость изменения момента на валу СД от полезной мощности
Рис. 4. Зависимость КПД СД от полезной мощности
Рис. 5. Зависимость коэффициента мощности СД от полезной мощности
3500.00 — ш JJ- 3000,00 о 2500.00 о 2000.00 Е ^ 1500,00 Ё к 1000.00 ^ о 500,00 о. ° 0,00 0, Зависимость потребляемой мощности от полезной мощности
-500 об/мин -750 об/мин -1000 об/мин -1500 об/мин
//
Э0 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 3500,00 полезная мощность, Вт
Рис. 6. Зависимость потребляемой СД мощности от полезной мощности
25 20 Е = 15 1- I <и ¡10 5 0 Механическая характеристика
—i
-3
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Скорость вращения роюра, об/мин
Рис. 7. Механическая характеристика СД с разной нагрузкой на валу 1 - холостой ход испытательного стенда, 2 - при моменте на валу СД М = 0,92 Мн, 3 - при моменте на валу М = 1,5Мн, где Мн - номинальный момент на валу СД, при 1500 об/мин
Выводы
Наиболее важные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:
1. Произведен выбор методов и средств испытания синхронного двигателя с постоянными магнитами.
2. Разработана структурная схема испытательного стенда вертикально расположенного синхронного электродвигателя.
3. Получены экспериментальные данные о влиянии частоты вращения на характеристики двигателя и представлены соответствующие графики.
Литература
1. Панкратов В.В., Зима Е.А. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2005. 120 с.
2. Калачев Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика). ЭФО: 2013. 63 с.
3. Trzynadlowski A.M., Kirlin R.L., Legowski S.F. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate, IEEE Transactions on Industrioal Electronics. 1997. P. 44.
4. Завьялов В.М, Абд Эль Вхаб А. Р. Дифференциальное управление моментом синхронного двигателя с постоянными магнитами // Современный электропривод. 2012. №1. С. 8.
5. Калачев Ю.Н. Наблюдатели состояния в векторном электроприводе. М.: 2015. 63 с.
6. Вейнгер А.М. Регулируемые электроприводы переменного тока. М.: 2009. 102 с.
7. Ryvkin Sergey . Sliding mode for synchronouselectric drive. Eduardo Palomar Lever-CRC Press. 2011. P. 208.
8. Vas. P. Sensorless Vector and Direct Torque Control. Oxford: Oxford University Press, 1998.
P. 376.
9. Вирповский А.С. Теория и практика глубиннонасосной добычи нефти. М.: Недра, 1971.
184 с.
10. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 272 с.
Авторы публикации
Ившин Игорь Владимирович - доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Сафин Альфред Робертович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Петров Тимур Игоревич - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Email: tobac15@mail.ru.
Цветков Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Корнилов Владимир Юрьевич - доктор техн. наук, профессор кафедры «Приборостроение и мехатроника» (ПМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Мухаметшин Азат Ильдусович - аспирант кафедры «Приборостроение и мехатроника» (ПМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1. Pankratov VV, Zima E.A. Energy-optimal vector control of asynchronous electric drives. Novosibirsk: Publishing House of the National Technical University, 2005. P. 120. (in Russian)
2. Kalachev Yu.N. Vector regulation (practice notes). EF: 2013. P. 63. (in Russian)
3. Trzynadlowski A.M., Kirlin R.L., Legowski S.F. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate, IEEE Transactions on Industrioal Electronics. 1997. P. 44.
4. Zavyalov V.M., Abd El Vkhab AR Differential control of the torque of a synchronous motor with permanent magnets // Modern electric drive. 2012. №1. P. 8. (in Russian)
5. Kalachev Yu.N. Observers of the state in a vector electric drive. Moscow: 2015. 63 p. (in Russian)
6. Weinger A.M. Adjustable electric drives of alternating current. М.: 2009. 102 p. (in Russian)
7. Ryvkin Sergey. Sliding mode for synchronouselectric drive. Eduardo Palomar Lever-CRC Press. 2011. P. 208.
8. Vas. P. Sensorless Vector and Direct Torque Control. Oxford: Oxford University Press, 1998.
P. 376.
9. Virpovsky A.S. Theory and practice of deep pumping oil. M.: Nedra, 1971. 184 p.
10. Sokolovsky G.G. AC electric drives with frequency control. Moscow: Academy, 2006. 272 p.
© И.В.Ившин, А.Р. Сафин, Т.И.Петров, А.Н. Цветков, В.Ю.Корнилов, А.И. Мухаметшин Authors of the publication
Igor V. Ivshin - doc. sci. (techn.), associate professor, head of the Department of «Power supply of industrial enterprises», Kazan State Power Engineering University.
Alfred R. Safin - сand. sci. (techn.), assistant professor, Department «Power supply of industrial enterprises», Kazan State Power Engineering University.
Timur I. Petrov - postgraduate, Department «Power supply of industrial enterprises», Kazan State Power Engineering University. Email: tobac15@mail.ru.
Alexey N. Tsvetkov - сand. sci. (techn.), assistant professor, Department «Power supply of industrial enterprises», Kazan State Power Engineering University.
Vladimir Yu. Kornilov - doct. sci. (techn.), associate professor, Department «Instrument making and mechatronics», Kazan State Power Engineering University.
Azat I. Mukhametshin - postgraduate, Department «Instrument making and mechatronics», Kazan State Power Engineering University.
Поступила в редакцию 17 сентября 2018 г.
