Математическое моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электроцентробежных насосов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

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

"ДК 621313 С. В. БИРЮКОВ

А. Ю. КОВАЛЁВ Е. Н. ЕРЁМИН Р. Н. ХАМИТОВ

Омский государственный технический университет

Академический институт прикладной энергетики, г. Нижневартовск

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРУЖНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

В данной статье рассматриваются вопросы математического моделирования погружных асинхронных электрических двигателей в составе установок электро-центробежных насосов.

Ключевые слова: погружной электрический двигатель, погружная кабельная линия, электроцентробежный насос, моделирование.

Согласно общим положениям электромеханики, ПЭД представляет собой пятиполюсник с тремя электрическими (трехфазный ввод кабельной линии) и двумя механическими (момент и частота вращения выходного вала двигателя) полюсами. В случае симметричной трехфазной кабельной линии ПЭД - четырехполюсник, включенный в общую систему УЭЦН (рис. 1) [1, 2].

На рис. 1 U 1Су , 1Юу — напряжение и ток станции управления (обычно станция управления имеет соответствующую уставку, обеспечивающую изменение напряжения и1су в пределах ± 2 % при изменении напряжения системы электроснабжения до ± 25 %); U 2K = U1Д, I2K = 11Д — напряжение и ток на выходе кабельной линии, равные напряжению и току, потребляемым ПЭД, соответственно; М2д = МЭцН, ю2д = = ®ЭцН — момент и частота вращения выходного вала двигателя равные моменту и частоте вращения, потребных для обеспечения движения жидкости в гидравлической системе УЭЦН; НЭцН, 0ЭцН — напор и подача, развиваемая электроцентробежным насосом; М s — системная параметрическая матрица, равная произведению параметрических матриц станции управления МСУ, выходного синусного фильтра МСф, трансформатора Мт, кабельной линии Мкл и кабельного удлинителя Мукл:

мs мСу МСФ мт мкл мукл

А X В X

C X D X

A xExp(ja А|Х^

CxExp(jaciS)

BXExP(JaB,X

DXExP(jaD,X

(1)

Системная параметрическая матрица М £ взаимосвязывает напряжение и ток станции управления с напряжением и током на ПЭД и определяет уровень отклонения напряжения и тока двигателя от их но-

минальных значений. Заметим, что при неизменных напряжении U1A и частоте двигатель имеет естественные характеристики. Уже из схемы включения ПЭД в систему УЭЦН (рис. 1) на качественном уровне следует, что в рабочих режимах УЭЦН напряжение на ПЭД будет изменяться в соответствии с параметрами предвключенных элементов (1) и параметров системы «скважина — пласт», интегрально воздействующей на двигатель создаваемым ею моментом сопротивления. Получить количественные результаты дает возможность разрабатываемая ниже методика расчета ПЭД.

Для анализа влияния напряжения станции управления Uicy и его отклонений AU су , а так же коэффициента загрузки ПЭД по току и моменту на валу рм на напряжение Uід и ток іід двигателя, на падение напряжения AU£ и потери напряжения AU^ в силовом тракте УЭЦН из (1) находим соответственно. Напряжение и ток двигателя (рис. 1):

U2K - U1Д - U^Exp(jaU^ ), &2K - &1Д - U^ZAExpj(aU^ - Ф,

(2)

где Юд — угол сдвига по фазе, Ъд — сопротивление двигателя, найденное по его естественной характеристике как функция скольжения 8, Цд и аШд — действующее значение и фаза напряжения на двигателе:

Рис. 1 Погружной электрический двигатель в составе УЭЦН

).

и, в

1Д ’

600

500

400

300

200

100

0

\о| 1 т 5

/ 1

/3 4 /

Д о.е.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Рис. 2. Системные характеристики напряжений:

1 - на двигателе и1Д=и1Д(РМ); 2 - на двигателе и1Д=и1Д(Р7);

3 - станции управления и1СУ =и1СУ($М); 4 - станции управления и1СУ =и1СУ(Ь1); 5 - номинальное напряжение двигателя

Рис. 4. Механические характеристики двигателя:

1 - естественная М =М(б); 2 - в системе УЭЦН М =М(б); 3 - номинальное скольжение двигателя

и1Д =

UicyCos(auicy)

A ZCos(aA,Z + аиіД ^

' BIzACos(aB,l + aиід - Фд )

, (3)

Tgaиід - -

LZSin(aa,£)+ B£zд^щ(aв,£ - Фд )

^Cos(aA,£y+B£Z^Cos(aB,£^jA)

(4)

1СУ 1 j^icy

составляющие ¡В 1СУ де станции управления находится из следующих выражений:

150

120

90

60

30

0

Г3 1

2х

0 0,2 0,4 0,6 о,:

1,0

Рис. 3. Электромеханические характеристики двигателя:

— Л. UvlillU/l 1Д 1Д^ ' ^ У-ДПУ- J. УоХУДУо J чУІ.^11 -£1 д

3 - номинальное скольжение двигателя

1д

+ В£ С£и,д І1днРі8іп(аБіЕ — ас£ — Фд). (6)

Полная комплексная мощность и ее активная и реактивная составляющие, потребляемые двигателем, находятся из следующего выражения:

S1Д - U1Д&1Д - Р1Д + ^1Д •

(7)

Полная мощность и ее активная и реактивная

- U1СУІ1СУ - р1СУ + ,Q

Для коэффициента полезного действия hA и коэффициента мощности Cos фД на основании вышеизложенного имеем:

ПД= V Р,Д. (8)

cosф1Д = cosArcTg (01Д/Р1Д). (9)

Выражения (2) — (9) полностью характеризуют свойства двигателя в составе УЭЦН, как электротех-нологической системы. Заметим, что системная математическая модель двигателя существенно сложнее модели двигателя для его естественных характеристик.

В качестве примера применения разработанной выше методики системного моделирования погружного двигателя рассмотрим УЭЦН с комплектацией: станция управления — ЭЛЕКТОН 05-160, синусный фильтр — ФВЗ-250, скважинный трансформатор — ТМПН-63/3-УХЛ1 с отводом вторичной обмотки на 1069 В, кабельная линия - КПпБП 3x16, длинной 1755м, удлинитель — КПпБП 3x16, длинной 50м, электродвигатель — ПЭДН 32-117-1000, электроцентро-бежный насос — ЭЦНД-5А-1700. Параметры системной параметрической матрицы М S (1) следующие:

0,354+ j9,978 • 10-3 1,995+ j0,571

8,001 • 10-4 + j0,031 2,787 + j0,097

P1cy_ASCSU1A2 cos (aA,S — ac.s) +

+ AS d2 U1A І1ДНр 1cos(aA s — aD s + Фд) +

^^^дн* P21 cos (aB.S — aD,S) +

+ BS CSU^ ^днР^'^'ЧЕ — ac,S — Фд), (5)

Q1СУ = AE CS UiД2 sin K,E — aC,M) +

+ AS DS U1Д І1днР 1sin(aAs — aDs + Фд) +

P21 sin (aB,S — aD,S) +

Результаты расчетов системных характеристики (12) — (24) показаны на (рис. 2 — 4).

Из расчетных данных следует — напряжение на двигателе (рис. 2) с увеличением коэффициента его загрузки по току Р т и моменту Р м снижается. При загрузке 0,8 это снижение составляет 9 % и 11 % соответственно. Естественная характеристика напряжения — зависимость 5 на рис. 2. Это напряжение неизменно. При этом напряжении строиться естественные характеристики ПЭД. Совпадающие между собой кривые 3 и 4 (рис. 2) — неизменное напряжение на станции управления, при котором осуществлялся расчет искусственных характеристик.

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

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

Естественная механическая характеристика двигателя — зависимость 1 (рис. 4). В следствии того, что в системе УЭЦН происходит потеря напряжения на всех элементах силового канала преобразования электрической энергии, предвключенных перед двигателем — между ними и станции управления - искусственная механическая характеристика (кривая 2 рис. 4) расположена значительно ниже естественной и по своему критическому моменту более чем в два раза меньше критического момента естественной характеристики. Соответственно этому более чем в два раза снижается перегрузочная способность ПЭД при его работе в составе УЭЦН. Фактически выбранный тип двигателя и его мощность приводит к работе двигателя с большой недогрузкой и ставит задачу его обоснованного выбора.

Естественная и искусственная электромеханические характеристики двигателя, так же как и механические существенно разняться между собой. Особенно эта разница велика в пусковом режиме 8 = 1. Это объясняется большими пусковыми токами и высокой потерей напряжения в силовом тракте УЭЦН. При номинальных скольжениях и на рабочем участке характеристик двигателя эта разница менее заметна и составляет единицы процента.

Разработанная в данной статье методика моделирования погружных асинхронных электрических двигателей предназначена для использования в качестве программного модуля в общей программе подбора электрооборудования и комплектующих изделий установок электроцентробежных насосов.

Библиографический список

1. Ковалев, 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. 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.

БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования машин и технологических процессов» Омского государственного технического университета.

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

ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технологии сварочного производства», декан машиностроительного института Омского государственного технического университета.

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

Адрес для переписки: е-шаП: [email protected]

Статья поступила в редакцию 19.12.2011 г.

© С. В. Бирюков, А. Ю. Ковалёв, Е. Н. Ерёмин, Р. Н. Хамитов

Книжная полка

621.311/Т38

Технологические процессы производств промышленных предприятий [Текст] : учеб. пособие для вузов по специальности 140211 «Электроснабжение» направления подгот. 140200 «Электроэнергетика» / В. Н. Горюнов [и др.] ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 158 с. - 1БВЫ 978-5-8149-1041-7.

В учебном пособии на основании нормативных документов представлены характеристики окружающей среды производственных помещений и электрооборудования подразделений предприятий.

Дан обзор технологических процессов предприятий по отраслям промышленностей, приведено описание основных производств предприятий по подразделениям. В приложениях пособия представлены технологические показатели электрических нагрузок электроприемников, подразделений и предприятий в целом, приведен пример использования материалов пособия.

Пособие окажет существенную помощь при проектировании систем электроснабжения объектов. 621.3/Ш23

Шапиро, Д. Н. Электромагнитное экранирование [Текст] / Д. Н. Шапиро. - Долгопрудный : Интеллект, 2010. - 115 с. - 1БВЫ 978-5-91559-049-5.

При разработке аппаратуры инженеры сталкиваются с взаимовлияниями множества передающих и приемных устройств. Актуальными становятся задачи экранирования узлов аппаратуры и высокочастотных длинных линий. Книга дает базовые знания для их решения.

Трудные вопросы прикладной электродинамики изложены предельно кратко и ясно. Наглядное физическое описание дополняется проводимыми результатами сложных расчетов, данными экспериментов и практическими рекомендациями.

Для преподавателей, студентов и аспирантов радиотехнических и телекоммуникационных специальностей. 658.56/В24

Введение в техническую диагностику [Текст] : учеб. пособие / Урал. гос. техн. ун-т им. Б. Н. Ельцина ; сост. А. Н. Мойсейченков. - Екатеринбург : Изд-во УГТУ-УПИ, 2010. - 155 с. - 1БВЫ 978-5-321-01729-6

В учебном пособии приведены основные понятия и термины, применяемые при решении задач диагностирования электромеханических преобразователей.