Векторное регулирование момента синхронного электродвигателя бурового насоса Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313

ВЕКТОРНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ МОМЕНТА СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ БУРОВОГО НАСОСА

В.А. ШАБАНОВ, О.В. НИКУЛИН

Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа ООО «Бурение», г. Альметьевск

В статье рассматривается векторное управление моментом синхронного двигателя бурового насоса. Показано, что алгоритм управления электроприводом упрощается, если поддерживать значение коэффициента мощности двигателя, близким к единице. Приведены результаты исследования предложенного алгоритма.

Ключевые слова: синхронный двигатель, электромагнитный момент, частотное управление, буровой насос.

В процессе бурения скважин на нефть и газ по мере углубления изменяется гидравлическая характеристика скважины и увеличивается давление на выходе бурового насоса (БН). При нерегулируемом электроприводе подача БН остается постоянной. При этом по мере углубления скважины увеличивается мощность, потребляемая от электропривода. Это ограничивает возможности нерегулируемого электропривода БН: при достижении номинальной нагрузки приходится останавливать процесс бурения и заменять поршни БН. Подачу и давление на выходе БН можно плавно изменять при частотно-регулируемом электроприводе [1]. Основным регулируемым параметром для процесса бурения является давление, пропорциональное развиваемому приводным двигателем моменту. С одной стороны, давление должно быть достаточным для вращения долота и разбуривания породы при турбинном бурении. С другой стороны, при повышении давления растут усилия в механизмах насоса, что может быть опасным для них. Поэтому давление в процессе бурения следует ограничивать. Одновременно с давлением должна регулироваться подача насоса. С одной стороны, подача должна быть максимально возможной для лучшей очистки забоя и выноса разбуренной породы на поверхность. С другой стороны, подача должна быть ограниченной, чтобы мощность, потребляемая от электропривода, не превышала допустимых для электродвигателя значений. Таким образом, в процессе бурения существует необходимость раздельного регулирования давления и подачи БН. При скалярном управлении изменение подачи и давления определяются принятым законом частотного управления. При этом нет возможности их раздельного регулирования. В статье рассматриваются возможности векторного управления для раздельного регулирования подачи и давления на выходе БН по мере углубления скважины.

Основным видом привода буровых насосов во многих буровых компаниях Российской Федерации является нерегулируемый электропривод на базе синхронных электродвигателей (СД) серий СДБО и СДБМ с явнополюсным ротором. На рис. 1 показана векторная диаграмма двигателя СДБМ в системе координат построенная с использованием данных, приведенных в табл. 1. На векторной диаграмме ток возбуждения направлен по оси й. Векторы потокосцеплений совпадают по направлению с векторами соответствующих

© В.А Шабанов, О.В. Никулин

Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

токов. Индуктированные ЭДС отстают от соответствующих потокосцеплений на 90 электрических градусов.

Таблица 1

Основные параметры электродвигателя СДБМ мощностью 560 кВт

Наименование параметра Значение

Синхронное сопротивление по продольной оси хй, о.е. 1,606

Синхронное сопротивление по поперечной оси хт о.е. 0,907

Индуктивное сопротивление взаимоиндукции по продольной оси хй, о.е. 1,5

Индуктивное сопротивление взаимоиндукции по поперечной оси хаа, о.е. 0,801

Индуктивное сопротивление рассеяния хс, о.е. 0,107

При построении векторной диаграммы использованы следующие соотношения [2, 3]. Результирующий магнитный поток в воздушном зазоре (или основной магнитный поток), представляющий собой потокосцепление взаимоиндукции статора и ротора, равен сумме магнитного потока ротора (возбуждения) Уу и потокосцепления реакции якоря по продольной уай и

поперечной ущ осям:

Уб = У/ + Уай + Уац .

Вектор потокосцепления статора связан с вектором основного магнитного потока и магнитным потоком рассеяния уа выражением

У * = Уб + Ус .

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

Основной магнитный поток индуктирует в обмотке статора ЭДС Еб = -Е/ + Еай + Еац , где Еу = —]хай1 у - ЭДС, наведенная потокосцеплением возбуждения У у ;

Еай = -]хай^й и Еац = — ]Хщ1ц - ЭДС продольной и поперечной реакции якоря;

I- ток статора; 1й , - составляющие тока статора по осям й и ц соответственно.

Напряжение на зажимах статора и, приложенное к двигателю, уравновешивается векторной суммой ЭДС:

и = Еб + Ес,

где Ес = — ухсI - ЭДС, индуцированная потокосцеплением рассеяния У б .

Из теории обобщенной электрической машины известно, что для электромагнитного момента можно использовать проекции пространственных векторов на оси координат [4, 5]. При использовании проекций тока статора и основного магнитного потока в координатах й-ц электромагнитный момент синхронной машины имеет вид

М = У5й - 1й , (1)

где Убц и Убй - проекции вектора основного магнитного потока У б на оси й и ц .

Это выражение требует разложения тока и потокосцепления на две составляющие. Введем на рис. 1 дополнительную систему координат р-т. Ось р

совместим с вектором основного магнитного потока Уб . Для системы координат р-т проекции тока статора и потокосцепления взаимоиндукции на оси координат:

1т = 1й ■ 8»п е5 + 1ц ■сов е5; 1р =0;

у т =0; Ур = Уб,

где 0б - угол между векторами Еу и Еб, называемый углом нагрузки [2]. Тогда выражение (1) для электромагнитного момента принимает вид М = Ур • 1т. (2)

Электромагнитный момент двигателя в системе координат р-т является простым произведением тока 1т и потокосцепления Ур . Основным недостатком

такого представления момента является необходимость преобразования координат из й-ц в р-т.

Для упрощения системы управления вместо введения блока преобразования координат можно использовать управление током возбуждения. Для этого ток возбуждения двигателя следует регулировать так, чтобы вектор тока статора I в заданном диапазоне регулирования совпадал бы по фазе с ЭДС Еб в обмотке статора. Векторная диаграмма для такого режима работы СД показана на рис. 2.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

q (1т)

с1 (Я е)

Рис. 2. Векторная диаграмма СД при совпадении по фазе ЭДС и тока статора

Тогда вектор тока статора будет перпендикулярен потокосцеплению основного магнитного потока У 5 . При этом проекция тока статора на ось т в выражении (2) будет равна полному току и выражение для электромагнитного момента примет вид

М = Ур ■ I. (3)

При вычислении момента по выражению (3) не требуется разложение тока статора по осям р и т. Для его использования необходимо определить ЭДС:

Е = и - Х1

(4)

и в процессе частотного управления изменением тока возбуждения поддерживать равным нулю угол фе между ЭДС и током в обмотке статора.

В типовых возбудительных устройствах СД для управления током возбуждения используется угол ф между током и напряжением. Рассмотрим возможность использования угла ф вместо угла фе. Для этого оценим угол между напряжением сети и ЭДС Е§, равный разности углов ф - фе. По векторной диаграмме рис. 2 этот угол равен разности 0 - 0§. В табл. 2 приведены результаты расчетов углов 0 и 0§ для двигателя серии СДБМ при работе двигателя с номинальной нагрузкой и коэффициентом мощности, равным единице, при различных значениях частоты и напряжения. Наибольшее значение разности 0 - 0§ порядка 6,5° имеет место при номинальной частоте. При снижении частоты значение этой разности снижается. Погрешность, вносимую несовпадением по

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

фазе тока и напряжения статора, можно приближенно оценить по зависимости электромагнитного момента от синуса угла между векторами результирующего потокосцепления и тока статора. В наихудшем случае он будет равен 96,50. Синус угла 96,50 отличается от единицы менее, чем на 1%. Поэтому углом 0 - 0б при определении момента двигателя можно пренебречь и считать, что для совпадения по фазе тока статора и результирующей ЭДС Еб достаточно так регулировать ток возбуждения, чтобы СД работал с коэффициентом мощности созф, близким к единице.

Таблица 2

Результаты расчетов углов 0 и 08 для различных значений частоты питающей сети а и

напряжения у

Частота Напряжение Коэффициент Угол нагрузки Угол 08, Разность

сети, о.е. сети, о.е. мощности СОЗф 0, град град 0 - 08, град

1 1 1 44,1 37,6 6,5

0,5 0,5 1 43,4 37,1 6,2

0,5 0,85 1 17,2 15,1 2,1

0,35 0,5 1 26,2 22,2 4,0

Описанная система частотного регулирования двигателя типа СДБМ для привода БН с определением момента СД по выражению (3) была реализована в среде 81шиИпк пакета МаИаЬ. На рис. 3 показана математическая модель СД на основе уравнений Парка-Горева в среде моделирования 81шиНпк [6].

Рис. 3. Математическая модель синхронного двигателя СДБМ

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

На вход модели подаются фазные напряжения (вход АВС), напряжение возбуждения (вход Uf) и момент сопротивления (вход Мс). Выходными сигналами модели являются напряжение и ток статора по осям d и q, ток возбуждения If и частота вращения ш.

На рис. 4 показана модель электропривода. Модель содержит преобразователь частоты, модель электродвигателя, вычислитель угла ф, ПИ -регулятор для управления током возбуждения, блок вычисления электромагнитного момента и блок нагрузки, моделирующий давление в скважине в процессе бурения. Для моделирования работы регулятора тока возбуждения использована нелинейность типа гистерезисное реле с зоной нечувствительности [7].

Модель

Частотный преобразователь электродвигателя Вычисление угла <р

Результаты исследований в виде осциллограмм частоты вращения, давления на выходе БН, электромагнитного момента, коэффициента мощности, напряжения статора и тока возбуждения представлены на рис. 5 и 6. При бурении скважин производительность БН на определенных интервалах бурения после смены втулки целесообразно поддерживать постоянной. На таких интервалах бурения частоту вращения электродвигателя также надо поддерживать постоянной. По мере увеличения глубины скважины и увеличения требуемого давления необходимо увеличивать момент, развиваемый двигателем. Из рис. 5 видно, что при постоянной частоте вращения (постоянной производительности насоса) повышение электромагнитного момента и давления обеспечивается повышением напряжения на выходе преобразователя частоты и повышением тока возбуждения. При этом коэффициент мощности СД остается постоянным и близким к единице.

При достижении предельно допустимого давления для данной втулки БН следует перейти на закон регулирования с постоянным моментом (рис. 6). При этом, по мере увеличения глубины бурения частота питающего напряжения, а следовательно, и частота вращения двигателя, и подача БН снижаются; давление на выходе БН, электромагнитный момент и коэффициент мощности двигателя остаются постоянными; напряжение снижается. Ток возбуждения медленно снижается. Коэффициент мощности СД, как и на рис. 5, остается постоянным и близким к единице.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

Рис. 5. Результаты исследований на модели при постоянной частоте вращения

Рис. 6. Результаты исследований на модели при постоянном моменте Выводы

1. Предложен алгоритм векторного управления моментом синхронного двигателя бурового насоса, основанный на использовании системы координат р-т, © Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

в которой ось р совпадает с вектором основного магнитного потока в воздушном зазоре.

2. Показано, что вместо разложения тока статора на составляющие по осям р и т достаточно с помощью регулирования тока возбуждения поддерживать значение коэффициента мощности двигателя, близким к единице.

3. Выполненные на модели расчеты показали эффективность предложенного алгоритма частотного управления синхронным двигателем привода бурового насоса.

При подготовке статьи использованы результаты исследований, выполненных при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по программе «Разработка и организация серийного производства мощных высоковольтных частотно-регулируемых приводов (ВЧРП)» (шифр 2010-218-02-051, договор№13.G25.31.0060).

Summary

The frequency-adjustable synchronous electric drives for drill pumps are considered. Examples of modeling of the received systems, in case power factor is unity, are resulted.

Key words: synchronous electric drive, electromagnetic torque, frequency-adjustable, drill pump.

Литература

1. Шабанов В.А., Никулин О.В. Оценка эффективности применения частотно-регулируемого электропривода буровых насосов в Азнакаевском УБР // Энергетика Татарстана. 2008. № 1.С. 74-81.

2. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2008. 350 с.

3. Каган А.В. Математическое моделирование в электромеханике. ч. 2: Письменные лекции. СПб.: СЗТУ, 2002. 73 с.

4. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 272 с.

5. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Теория электропривода: Учеб. пособие. Минск: ЗАО «Техноперспектива», 2004. 527 с.

6. Шабанов В.А., Никулин О.В. Модель синхронного двигателя бурового насоса в среде Симулинк // Электротехнические комплексы и системы. Межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2009. С.70-75.

7. Мандра А. Г. Анализ связанной системы автоматического регулирования уровня воды в баке системы химводоподготовки. Работы-участники конкурса Simulink-моделей // Консультационный центр MATLAB компании Soft [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rrc.dgu.ru/res/matlab/simulink/book3/ 10.html.

Поступила в редакцию 29 мая 2011 г.

Шабанов Виталий Алексеевич - канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование промышленных предприятий» Уфимского государственного нефтяного технического университета. Тел.: 8 (347) 242-07-59.

Никулин Олег Викторович - аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование промышленных предприятий» Уфимского государственного нефтяного технического университета, старший механик по электрооборудованию Альметьевского цеха по эксплуатации оборудования ООО «Бурение». Тел.: 8 (8553) 37-11-55, 8-917-2551234.

© Проблемы энергетики, 2011, № 9-10