Входные и выходные характеристики электромеханических систем установок электроцентробежных насосов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012

ности ЭВТИ величина К стремится к значению 1,08.

ст 1 '

Таким образом, для случая, когда граница фазового перехода «металл-изолятор» находится между граничными экранами, тепловой поток может быть скомпенсирован на величину от 8 % до 37 %.

Таким образом, используя коэффициент стабилизации теплового потока, можно оценивать степень стабилизации теплового потока любой теплоизоляции, обладающей конструктивными механизмами компенсации внешнего теплового воздействия.

В частности, определены предельные значения для экранно-ваккумной теплоизоляции с изменяющейся степенью черноты экранов от показателей близких к абсолютно черному телу и абсолютному отражателю, а также для ЭВТИ с покрытием экранов, претерпевающим фазовый переход «металл-изолятор». Это позволяет оценивать применимость того или иного типа теплоизоляции на этапе предварительного проектирования систем обеспечения теплового режима объектов с применением теплоизоляций с переменными теплофизическими свойствами.

Библиографический список

1. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Ку-тателадзе. — 5-е изд., доп. — М. : Атомиздат, 1979. — 415 с.

2. Экспериментальное исследование теплообмена излучением при фазовых переходах / Н. А. Рубцов [и др.] // Препринт ИТФ СО АН СССР № 97-83. - Новосибирск, 1983. - 19 с.

ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор ОмГТУ.

МАРТЫНОВ Валерий Юрьевич, аспирант кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».

Адрес для переписки: martynov@remmeh.ru

Статья поступила в редакцию 17.10.2011 г.

© В. В. Шалай, В. Ю. Мартынов

УДК 621.313

Е. Г. АНДРЕЕВА Р. В. ЕРМАК А. Ю. КОВАЛЁВ Р. Н. ХАМИТОВ

Омский государственный технический университет Академический институт прикладной энергетики, г. Нижневартовск

ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

В данной статье рассматриваются вопросы построения входной электромеханической и выходной механической характеристик электротехнических комплексов технологических установок насосной эксплуатации скважин (ЭТК УЭЦН). Ключевые слова: погружной электрический двигатель, погружная кабельная линия, промысловый трансформатор, сглаживающий фильтр.

Под входной характеристикой электротехнического комплекса понимается зависимость потребляемого тока 11 от скольжения погружного двигателя 8, а под выходной характеристикой — зависимость момента МЭТК, развиваемого двигателем, от скольжения 8 при постоянном напряжении на входе электротехнического комплекса и1. Рассматриваемые характеристики существенно отличаются от аналогичных характеристик асинхронного погружного электрического двигателя. Это отличие объясняется влиянием отдельных элементов ЭТК — станции управления, сглаживающего фильтра, промыслового трансформатора, кабельной линии.

Для получения характеристик ЭТК рассмотрим естественные характеристики погружного двигателя, полученные на базе обобщенного метода моделирования асинхронных электрических машин [1, 2, 3]. Данный метод сводится к использованию обобщенных параметров к1(11), к2(11и0), к3, к4(и0), ОДэ2), О^2), Ог(82), Р8(82) и применению закона сохранения энергии, согласно которому получаются выражения для развиваемого двигателем вращающего момента М ПЭд и потребляемого тока I ПЭд. При этом общие выражения для момента и тока с учетом основных зубцовых гармоник порядка у1 и у2 получается в следующем виде:

Рис. 1. Принципиальная схема замещения электротехнического комплекса

Рис. 2. Т-образная схема замещения л-го элемента силового канала ЭТК

М ПЭД ки ПЭДт(8)'

^пэд^пэд^Ь

(1)

(2)

і(б ) =

г2р(2 )б2 + к1Ог (б2 )б + к2Ох (б2 )б2 + С2О2 (б2 )

______________________°гу1(бу1 )бу1______________________+

к у1°гу (бу1 )бу1 + к2у1°ху1(у1 )бу1 + Су1°гу1(Бу1)

________________________° г у 2 (бу2 )бу 2____________________

к у 2°гу 2 (бу2 )бу 2 + к2у 2°ху 2 (Б у2

)б у 2 + С 2 2° гу 2 (б у 2 )

. (3)

і(б)

_ р(б2 ) 82 + г-Ч

(б2 )+ к3БОг (б2 )+ к4Б2Ох (б2 )

22р(б2 )б2 + к1Ог (б2 ) б + к2Ох (б2 )б2 + С2О2 (б2 ) Ру1 (б у 1 )б у 1 + 2 0 У 1°у 1 (б у1)+ к 3 у 1° гу 1 (б 2 1 )б у1

ку1°гу

(бу1 )бу1 + к2у1°ху1 (бу1 )бу1

® + к4у1Оху1(БУ1)Бу1 + Су1°7у1(бу1 )

_ Ру2 (б у 2 ) Б у 2 + 2 0 у 2 °7У2 (б 2 2 ) + к 3 у 2 ° гу 2 (б у 2 ) Б у 2 ку 2°гу 2 (бу2 ) бу 2 + к2у 2°ху2 (бу2 )бу2

+ к 4у 2 ° ху 2 (б у 2 ) Б у 2 + сУ2°у2 (бу2 )

численные выше элементы моделируются Т-образными схемами замещения (рис. 2). Влияние отдельных элементов комплекса фактически сказывается на величине напряжения и1 в выражении естественной механической характеристики (1), (3) и на выражении естественной электромеханической характеристики (2), (4). Отдельный участок в общей схеме замещения электротехнического комплекса (рис. 1) моделируется Т-образной схемой замещения (рис. 2).

Применительно к выделенной схеме замещения, на основании методов теоретической электротехники [4] для квадрата модуля (рис. 2) передаточной функции по напряжению для л-го элемента силового канала получаем выражения следующего вида:

Н2 _ и

Нип _

ип+1

Ьоп + Ьп кых ) + ЪупЗГ + Ъ3пЯПых'

(5)

где

Ъ0п = 222пЪ. +221п(1 +2<Г0пГ2п + х0пх2п)у20п) +

+ 2(г1пг2п+х1пх2пЬ (6)

Ъ1 = 1 +Z2lnY20n + 2(rlnr0n+X1nX0n)Y20n, (7)

Ъ2п = 2ТупЪ1п +2(г1п + г21п^20пТоп) , (8)

Ъ3 = 2х2пЪ1п + 2(х1п + 221п¥20пх0п)- (9)

^Лп + х^ (10)

(11)

¥20п=1/(Г20п + х20п)- (12)

Аналогично квадрат модуля передаточной функции по токам получается в следующем виде:

Н

1п

Г

1п+1

(4)

а0п + а1п ( пых ) + аупК пых + а3п^ пы

Здесь и1 — фазное напряжение на зажимах двигателя, ио — напряжение на ветви намагничивания, 11 — потребляемый двигателем ток, б, бу1, бу2—скольжения для основной и учитываемых зубцовых гармоник, к = рт1/(2пі:1), р — число пар полюсов статорной обмотки, т1 — количество фаз, ^ — частота питающей сети [1].

На рис. 1 приведена полная схема замещения электротехнического комплекса, в которой все пере-

где

а0п= 1 +222пУ20п + 2 (г0пГ2п +х0пх2п)¥20,

^(^Гуп)^

;2(х0п+х2п)у20п-

(13)

(14)

(15)

(16) (17)

+

2

2

а

2п

а

3п

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

184

Рис. 3. Схема замещения электротехнического комплекса УЭЦН

аппп

Рис. 4. Механические характеристики 1 — ПЭД, 2 — ЭТК

Рис. 5. Электромеханические характеристики 1 — ПЭД, 2 — ЭТК

Таблица 1

Плоский кабель-удлинитель Круглый кабель Промысловый трансформатор Сглаживающий фильтр

а0 1,000000208 1,00000141 1,002280384 1

а1 2,719510-13 2,5006840-13 2,8207510-7 0,008882644

а2 10-6 10-6 3,9774740-4 2,7272740-5

а3 -2,9631410-7 -1,64618 10-8 9,862410-4 -0,188495559

Ъ0 0,043754494 1,998019129 7,249495928 0,003947842

Ъ1 1 1 1 0,988191542

Ъ2 0,418275 2,82335625 4,620942015 1,0766840-7

Ъ3 0,008 0,144 2,764937 0,12492

Ъ0г 0,209137522 1,411679124 2,311908015 0

Ъ1г 510-7 5-10-7 1,9822240-4 1,3636440-5

Ъ2г 1,000000209 1,000001412 1,000915971 1

Ъ3г 410-9 7,240-8 5,4807110-4 0

Ъ0х 0,003999994 0,071999984 1,386040725 0,062831853

Ъ1х -1,481610-7 -8,230940-9 4,927340-4 -0,09368967

Ъух -6,19740-8 -2,323940-8 0,002276877 1,7136-10-6

Ъ3х 1 1 1,001362 0,988156

Входящие в выражения (5), (13) модуль входного сопротивления гвхпи его активная Явхп и реактивная Хвхп составляющие взаимосвязаны с сопротивлениями предыдущего (п 1) элемента посредством следующих выражений:

(гвхп)2=(явхп)2+(хвхп)2,

(18)

Н

Н

ип 1 Ъот + Ъ1гп (г пых )У +

1п

. к т^вых к увых ,

+ Ъ2гпяп + Ъ3гп- 1Хп | ,(19)

Н

где

Н

^1 Ъохп + Ъ1хп (г пых Iу +

1п

+ Ъ2хп^ Пых + Ъ3хпХ

3хпхп

Ъ0xn = aоnXln + X2n + XоnY2оn(ZBЫXn)2,

Ъ. =а х +х У2п ,

1хп 1п 1п Оп 0п'

Ъ0 = а0 х + 2х г0 ,

2хп 2п 1п Оп 2п Оп'

Хвх п_

вых

я пх _

,(20)

(21)

(22)

(23)

Я,:

1,20

0,96

0,72

0,48

0,24

1 1

4 2

,3

0 0,2 0,4 0,6 0,!

,0

Рис. 6. Зависимости передаточных функций по напряжению от скольжения 1 — плоский кабель-удлинитель, 2 — круглый кабель, 3 — промысловый трансформатор, 4 — сглаживающий фильтр

Рис. 7. Зависимости передаточных функций по току от скольжения 1 — плоский кабель-удлинитель, 2 — круглый кабель, 3 — промысловый трансформатор, 4 — сглаживающий фильтр

Ъ =1 + а х + 2х„ х У„ ,

3хп 3п 1п 0п 2п 0п'

Ъ =а„ г +г„ +х„ У„ ,

0т 0п 1п 2п 0п 0п 2п'

ъ, = а, г + г„ ,

1т 1п 1п 0п 0п

Ъ2 = 1+а2 г, + 2г0 г2 У20 ,

2т 2п 1п 0п 2п 0п'

ъ =а г +2г. х_ .

3т 3п 1п 0п 2п 0п

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

Поскольку отдельные элементы электротехнических комплексов соединены последовательно, а моделирующие их четырехполюсные схемы представляют собой каскадное соединение, для входной электромеханической и выходной механической характеристик комплекса имеем:

Мэтк = Ш^И^Н^И^Н^т (8),

^ЭТК = ки21Н211Н212Н213Н214^(8) ,

(29)

(30)

Где И2Ш И2U2И2U3И2U4, И2і1,И2і2,И2ІЗ,И2і4 — квадрат

модуля передаточных функций для плоского кабеля-удлинителя, основного круглого кабеля, трансформатора, сглаживающего фильтра по напряжению и току соответственно.

В качестве примера построения входных и выходных характеристик рассмотрим расчет электротехнического комплекса УЭЦН 200-1000 с электроцент-робежным насосом ЭЦНД 5-200-1000, погружным асинхронным электродвигателем ПЭДН 63-117-1900, кабельной линией К43.010-35, трансформатором ТМПН 100/3-УХЛ1, сглаживающим фильтром ФВ3-250 (ТУ3431-013-55280707-2008), станцией управления СЕИТШИРТ (схема замещения ЭТК одной фазы представлена на рис. 3). Результаты расчета по выражениям (5) — (28) согласно изложенной в данной статье методике представлены в табл. 1 и на рис. 4, рис. 5.

Как это следует из результатов расчета (рис. 6, 7) влияние элементов силового канала электротехнического комплекса оказывается существенным и естественные характеристики погружного асинхронного электрического двигателя существенно отличаются от аналогичных характеристик электротехнического комплекса в целом. Ввиду высокой сте-

пени алгоритмизации расчета входных и выходных характеристик ЭТК, достигаемое за счет применения обобщенных параметров и соответствующих передаточных функций, изложенная методика может быть рекомендована к использованию при решении задач подбора оборудования УЭЦН, расчета и исследования электротехнических комплексов.

Библиографический список

1. Ковалёв, А. Ю. Моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентро-бежных насосов : дис. ... канд. техн. наук / А. Ю. Ковалёв. — Омск, 2010. — 176 с.

2. Математическое моделирование погружных асинхронных электрических двигателей : препринт / А. Ю. Ковалёв [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. — 44 с.

3. Ковалёв, А. Ю. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин : монография / А. Ю. Ковалёв, Ю. 3. Ковалёв, А. С. Солодянкин. — Нижневартовск : Изд-во НГГУ, 2010. - 106 с.

4. Теоретические основы электротехники : учебник для вузов. В 3 т. Т. 1 / К. С. Демирчян [и др]. — СПб. : Питер, 2003. — 456 с.

АНДРЕЕВА Елена Григорьевна, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.

ЕРМАК Роман Владимирович, старший преподаватель кафедры «Электроэнергетика и электротехника» Академического института прикладной энергетики.

КОВАЛЁВ Александр Юрьевич, кандидат технических наук, первый проректор Академического института прикладной энергетики.

ХАМИТОВ Рустам Нуриманович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: lenandr02@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 15.12.2011 г.

© Е. Г. Андреева, Р. В. Ермак, А. Ю. Ковалёв, Р. Н. Хамитов

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА