CC BY
1
DOI: 10.47026/1810-1909-2023-2-18-23
УДК 622.276.054.4-83: [620.9:502.17] ББК [3156.59: 3313.111.2]: 3128.01
Э.М. АРТЫКАЕВА, Л.Н. ВАСИЛЬЕВА
ЛИНЕЙНЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
Ключевые слова: станок-качалка нефти, линейный цилиндрический вентильный двигатель, постоянный магнит.
Электропривод линейного типа представляет собой электромагнитное устройство, создающее поступательное (возвратно-поступательное) движение. Эффективно спроектированный линейный электропривод является неотъемлемой частью производственного механизма. Значительный объем отечественной нефтедобычи осуществляется с помощью станков-качалок нефти. Современные требования энергосбережения делают актуальными задачи улучшения энергетических характеристик и эффективности нефтедобывающего оборудования.
Целью работы является разработка конструктивных решений линейного цилиндрического вентильного электродвигателя, в которых подвижная часть оснащена постоянными магнитами.
Материалы и методы. Перспективным способом повышения эффективности работы электрооборудования скважин, оснащенных станками-качалками, является замена вращающихся электродвигателей вентильными электродвигателями линейного типа, в которых подвижная часть оснащена постоянными магнитами. В этом случае упрощается кинематическая схема, так как появляется возможность создания механизма станка-качалки без редуктора, ременной передачи, кривошипного механизма. Методологической базой работы являются обобщенная теория электрических машин, методы математического моделирования.
Результаты работы. Двигатель представлен в двух вариантах - с внутренней и внешней подвижной магнитной системой на основе постоянных магнитов. Конструкция магнитопровода неподвижной части состоит из кольцевых и продольных пластин типа «гребёнка».
Выводы. Предложены конструктивные решения линейного цилиндрического вентильного электродвигателя с внутренней и внешней подвижной магнитной частью, оснащенного постоянными магнитами. Приводятся рекомендации по замене обмоток обычного типа на более эффективную обмотку типа «Славянка».
Введение. Значительный объем отечественной нефтедобычи осуществляется с помощью станков-качалок нефти (СКН). Они просты в обслуживании и надёжны, в них используется насос возвратно-поступательного действия, приводимый в движение электроприводом на базе асинхронного двигателя с корот-козамкнутым ротором. К недостаткам привода СКН относятся: сложность кинематической схемы; большие масса и габариты; механизмы привода требуют обслуживания и ремонта. При анализе энергоэффективности привода необходимо учитывать характер нагрузки в течение различных промежутков времени, составляющих полный цикл (период) работы станка-качалки, который характеризуется динамограммой. Нагрузка электродвигателя привода станка-качалки в течение цикла изменяется в четыре-пять раз. Асинхронные двигатели с коротко-замкнутым ротором имеют перегрузочную способность, как правило не превышающую 2,5 от номинального момента. С учетом этого обстоятельства на практике приходится выбирать асинхронный двигатель заведомо повышенной мощности, причем это завышение обычно весьма существенно.
Современные требования энергосбережения делают актуальными задачи улучшения энергетических характеристик и эффективности нефтедобывающего оборудования.
Целью работы является разработка конструктивных решений линейного цилиндрического вентильного электродвигателя, в которых подвижная часть оснащена постоянными магнитами.
Материалы и методы. Перспективным способом повышения эффективности работы электрооборудования скважин, оснащенных станками-качалками, является замена вращающихся электродвигателей вентильными электродвигателями линейного типа, в которых подвижная часть оснащена постоянными магнитами [1, 3, 8]. В этом случае упрощается кинематическая схема, так как появляется возможность создания механизма станка-качалки без редуктора, ременной передачи, кривошипного механизма.
Методологической базой работы являются обобщенная теория электрических машин, методы математического моделирования.
Результаты работы. Линейный цилиндрический вентильный двигатель (ЛЦВД) конструктивно может быть представлен в двух вариантах - с внутренней и с внешней подвижной магнитной системой на основе постоянных магнитов (ПМ) (рис. 1-3).
Рис. 1. Конструктивные решения ЛЦВД с возбуждением от ПМ: - с внешней магнитной системой; б - с внутренней магнитной системой (1 - статорная обмотка, 2 - ПМ)
а б
Рис. 3. Конструктивные решения ЛЦВД с возбуждением от ПМ со статором «гребёнка»: а - с внешней магнитной системой; б - с внутренней магнитной системой (1 - статорная обмотка, 2- ПМ)
На рис. 1 и 3 схематично приведены предлагаемые конструктивные решения ЛЦВД в следующих вариантах:
- с подвижной внешней электромагнитной частью и неподвижной частью из кольцевых магнитопроводов и катушечных групп (рис. 1, а);
- с подвижной внутренней электромагнитной частью и неподвижной частью из кольцевых магнитопроводов и катушечных групп (рис. 1, б);
- с неподвижной частью из продольных пластин типа «гребёнка» (рис. 2) и подвижной внешней электромагнитной частью (рис. 3, а);
- с неподвижной частью из продольных пластин типа «гребёнка» (рис. 2) и подвижной внутренней электромагнитной частью (рис. 3, б).
Материал ПМ необходимо выбирать из условий получения наибольшей индукции в рабочем воздушном зазоре и обеспечения его коррозийной стойкости в агрессивной среде (рис. 4) [2]. Магнитные свойства ПМ должны быть следующими: Бг > 320 мТл; Нс > 280 кА/м. Этим условиям удовлетворяют постоянные магниты: магнитопласты на основе NdFeB, NdFeB спеченный, ферриты, самарий-кобальт. Не допускается на поверхности магнитов сколы, раковины глубиной более 0,2 мм, общей площадью до 10% поверхности.
Ф(1
;
ФО
Рис. 4. Постоянный магнит
Исходными параметрами для расчёта и проектирования линейного двигателя являются: наружный диаметр корпусной трубы; внутренний диаметр корпусной трубы; максимальное усилие; номинальное усилие; ход подвижной части двигателя; рабочая температура.
На этапе электромагнитного расчёта выполняются следующие шаги [6]:
1) выбор марки постоянных магнитов;
2) выбор линейной нагрузки;
3) выбор основных размеров ЛЦВД;
4) выбор оптимальных параметров ПМ в ЛЦВД;
5) расчёт обмоточных данных статора ЛЦВД;
6) расчёт электрических, магнитных, механических потерь, добавочных потерь;
7) расчёт коэффициента полезного действия ЛЦВД;
8) расчёт массы ЛЦВД.
В [7] приведена информация об эффективном применении обмоток типа «Славянка» (рис. 5).
N
N
о /1
о У
Рис. 5. Схема обмотки и расположения полюсов элементарного модуля ЛЦВД
Обмотка типа «Славянка» состоит из двух частей, имеющих общие зажимы и соединенных параллельно (рис. 5). При этом фазы одной ее части соединены в треугольник, а другой - в звезду. Преимущество от применения обмотки типа «Славянка» заключается в том, что по сравнению с обычной обмоткой снижается количество высших гармоник, что приближает кривую ЭДС к синусоиде. Эффективность ее применения особенно выражена для асинхронных двигателей, в вентильных ее применение целесообразно лишь для обмоток с укороченным шагом.
Выводы. Предложены конструктивные решения линейного цилиндрического вентильного электродвигателя с внутренней и внешней подвижной магнитной частью, оснащенного постоянными магнитами.
Приводятся рекомендации по замене обмоток обычного типа на более эффективную обмотку типа «Славянка».
Литература
1. Артыкаееа Э.М., Генин B.C., Нестерин В.А. Перспективы применения вентильных электродвигателей в системах энергоресурсосберегающего оборудования нефтедобывающих штанговых насосных установок // Электротехника. 2011. № 10. С. 2-7.
2. Артыкаееа Э.М., Романов P.A. Выбор главных размеров линейного цилиндрического вентильного двигателя // Учёные записки Альметьевского государственного нефтяного института. 2017. Т. 16. С. 160-162.
3. Конев К.А., ФуринаА.О., Коротаев А.Д., Чабанов Е.А. Цилиндрический линейный вентильный двигатель для добычи нефти бесштанговым методом // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2021. № 39. С. 150-168.
4. Нестерин В.А., Жуков В.П. Высокомоментные электродвигатели серий 5ДВМ // Электротехника. 2000. № 6. C. 17-19.
5. Проектирование вентильного двигателя на базе конструктива серийного асинхронного двигателя / Нестерин В.А., Генин B.C., Ильбеков A.A. и др. // Достижения, проблемы и перспективы развития нефтегазовой отрасли: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Альметьевск: Изд-во АГНИ, 2018. С. 437-442.
6. Проектирование электрических машин / под ред. И.П. Копылова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2011. 767 с.
7. Разработка метода повышения энергоэффективности электрических приводов на базе асинхронного двигателей с совмещенными обмотками / Д.А. Дуюнов, H.H. Яковлев, Е.Д. Дуюнов и др. // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2017. № 2(134). С. 11-17.
8. СвечарникД.В. Линейный электропривод. М.: Энергия, 1979. 152 с.
АРТЫКАЕВА ЭЛЬМИРА МИДХАТОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики, Альметьевский государственный нефтяной институт, Россия, Альметьевск ([email protected]; ОКСГО: https://orcid.org/0000-0003-3336-9579).
ВАСИЛЬЕВА ЛИДИЯ НИКОЛАЕВНА - кандидат педагогических наук, доцент кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный унн-верситет, Россия, Чебоксары ([email protected]; ОЯСЮ: https://orcid.org/0000-0002-2809-9044).
Elmira M. ARTYKAEVA, Lidia N. VASILEVA LINEAR CYLINDRICAL VALVE MOTOR FOR OIL EXTRACTION
Key words: oil pumping unit, linear cylindrical valve motor, permanent magnet.
A linear type electric drive is an electromagnetic device that creates translational (reciprocating) motion. An efficiently designed linear electric drive is an integral part of the production mechanism. Significant amount of domestic oil production is carried out with the help of oil pumping machines. Modern energy-saving requirements make the tasks of improving the energy characteristics and efficiency of oil-producing equipment urgent.
The purpose of the work is to develop design solutions for a linear cylindrical valve electric motor the moving part in -which is equipped with permanent magnets.
Materials and methods. A promising way to improve the efficiency of the electrical equipment of wells equipped with pumping units is to replace rotating electric motors with linear-type valve electric motors the moving part in which is equipped with permanent magnets. In this case, the kinematic scheme is simplified, since it becomes possible to create a pumping unit mechanism without a gearbox, a belt drive, and crank mechanism. The generalized theory of electric machines and methods ofmathematical modeling are the methodological basis of the work. Results of the work. The engine is presented in two versions - with an internal and external movable magnetic system based on permanent magnets. The design of the magnetic wire of the fixed part consists of annular and longitudinal plates of the "comb" type. Conclusions. Constructive solutions of a linear cylindrical valve electric motor with an internal and external moving magnetic part equipped with permanent magnets are proposed. Recommendations are given to replace the windings of the usual type with a more efficient winding of the "Slavyanka" type.
References
1. Artykaeva E.M., Genin V.S., Nesterin V.A. Perspektivy primeneniya ventil'nykh ehlektro-dvigatelei v sistemakh ehnergoresursosberegayushche-go oborudovaniya neftedobyvayushchikh shtangovykh nasosnykh ustanovok [Prospects of power effectiveness increase of oil-producing hose pump installations]. Electrotehnika, 2011, no. 10, pp. 2-7.
2. Artykaeva E.M., Romanov R.A. Vybor glavnykh razmerov lineinogo tsilindricheskogo ventil'nogo dvigatelya [Choosing the main dimensions of a linear cylindrical valve engine]. Uchenye zapiski Al'met'evskogo gosudarstvennogo neftyanogo instituta, 2017, vol. 16, pp. 160-162.
3. Konev K.A., Furina A.O., Korotaev A.D., Chabanov E.A. Tsilindricheskii lineinyi ventil'nyi dvigatel' dlya dobychi nefti besshtangovym metodom [Cylindrical linear valve motor for oil production by the rodless method]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta, 2021, no. 39, pp. 150-168.
4. Nesterin V.A., Gukov B.P. Vysokomomentnye ehlektrodvigateli serii 5DVM [High-torque electric motors of the 5DVM series]. Ehlektrotekhnika, 2000, no. 6, pp. 17-19.
5. Nesterin V.A., Genin V.S., Ilbekov A.A., et al. Proektirovanie ventil'nogo dvigatelya na baze konstruktiva seriinogo asinkhronnogo dvigatelya [Design of a valve motor based on the design of a serial asynchronous motor]. In: Dostizheniya, problemy iperspektivy razvitiya neftegazovoi otrasli: ma-terialyMezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Proc. of Int. Sci. Conf. «Achievements, problems and prospects for the development of the oil and gas industry»]. Almetyevsk, 2018, pp. 437-442.
6. Kopylov I.P., ed. Proektirovanie elektricheskih machin. 4-e izd. [Design of electric machines. 4th ed.]. Moscow, Yurayt Publ., 2011, 767 p.
7. Duyunov D.A., Yakovlev I.N., Duyunov E.D., et al. Razrabotka metoda povysheniya ehnergoehffektivnosti ehlektricheskikh privodov na baze asinkhronnogo dvigatelei s sovmeshchennymi obmotkami [Development of a method for improving the energy efficiency of electric drives based on asynchronous motors with combined windings]. In: Oboronnyi kompleks - nauchno-tekhniches-komu progressu Rossii., 2017, no. 2(134), pp. 11-17.
8. Svecharnik D.A. Lineinyi ehlektroprivod [Linear electric drive]. Moscow, Energiya Publ., 1979, 152 p.
ELMIRA M. ARTYKAEVA - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electric and Thermal Power Engineering, Almetyevsk State Oil Institute, Russia, Almetyevsk ([email protected]; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3336-9579).
LIDIA N. VASILEVA - Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor, Department of Automation and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2809-9044)._
Формат цитирования: Артыкаева Э.М., Васильева Л.Н. Линейный цилиндрический вентильный двигатель для добычи нефти // Вестник Чувашского университета. - 2023. - № 2. -С. 18-23. БО!: 10.47026/1810-1909-2023-2-18-23.
