CC BY
604
Стыскин А.В. Styskin A.V.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
Уразбахтина Н.Г. игафа^Нпа N.G.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 621.313
принципы применения вентильных электродвигателей в установках погружных электроцентробежных насосов для нефтедобывающих скважин
Одним из перспективных классов электрических машин для системы электроприводов нефтедобывающей промышленности являются погружные вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Несмотря на явные преимущества вентильных двигателей по сравнению с применяемыми ныне в нефтедобыче асинхронными и синхронными, не смолкают дискуссии об эффективности применения вентильных двигателей больших габаритов для скважин нефтедобычи. В статье проведен сравнительный анализ систем с данными типами двигателей для обоснования целесообразности их применения. В результате отмечается, что массовое внедрение вентильных приводов связано, в первую очередь, с выравниванием их себестоимости с себестоимостью асинхронного привода, что в свою очередь определяется применением недорогих высококоэрцитивных постоянных магнитов.
Ключевые слова: электрическая машина, нефтяная промышленность, вентильный двигатель.
THE PRINCIPLES oF uSE of SYNCHRoNouS motor wITH PERMANENT MAGNETS IN INSTALLATIoNS oF SuBMERSIBLE ELECTRoCENTRIFuGAL
pumps for oil production wells
One of perspective classes of electric cars for system of electric drives of the oil-extracting industry are submersible valve engines with excitement from constant magnets. Despite clear advantages of valve engines in comparison with applied nowadays asynchronous and synchronous engines, discussions about efficiency of use of valve engines of big dimensions for oil production wells don't cease. In article it is carried out the comparative analysis of systems with these types of engines for justification of expediency of their application. It is as a result noted that mass introduction of valve drives is connected, first of all, with alignment of its prime cost with prime cost of the asynchronous drive that in turn is defined by application of inexpensive high-coercive constant magnets.
Key words: electrical machines, oil industry, synchronous motorwith permanent magnets.
За последнее десятилетие отмечается не только широкий интерес, но и расширение производства вентильных двигателей от первого до третьего габаритов. Это позволило некоторым производителям, во-первых, увеличить производство вентильных двигателей не только средней и малой мощности,
но и активно внедрять их в установках погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) для добычи нефти из скважин. Несмотря на явные преимущества вентильных двигателей по сравнению с применяемыми ныне в УЭЦН асинхронными и синхронными, не смолкают дискуссии об эффективности
применения вентильных двигателей больших габаритов для скважин нефтедобычи. В связи с этим возникает актуальная необходимость сравнительного анализа систем с данными типами двигателей для обоснования целесообразности их применения в УЭЦН.
Известно, что вентильным двигателем (ВД) называют регулируемый электропривод, основным элементом которого является двигатель переменного тока, конструктивно напоминающий синхронную машину с постоянными магнитами [1, 2]. Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты, подключенного к источнику постоянного тока. Кроме того, имеют место устройства управления, осуществляющие коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения обмоток его ротора.
В связи с этим ВД напоминает электропривод с двигателем постоянного тока (ДПТ) и часто называется бесконтактным двигателем постоянного тока (БДПТ), лишенным основных недостатков ДПТ, таких как: наличие щеточно-коллекторного узла, следствием которого является их невысокая надежность; ограниченное напряжение на якоре и мощность двигателей, поэтому их не применяют для высокоскоростных мощных приводов, и т. д. Однако вентильный двигатель, конструктивно выполняется на базе синхронной машины с постоянными магнитами, поэтому имеет положительные свойства этих машин: повышенную надежность и ресурс работы; возможность использования в агрессивных и взрывоопасных средах, а также в вакууме, кроме того, ВД также имеет положительные свойства ДПТ - хорошие регулировочные качества.
Если до последнего времени авторы подчеркивали применение ВД в электроприводах малой и средней мощности, то широкому использованию мощных вентильных электроприводов способствовало создание высококоэрцитивных постоянных магнитов с остаточной индукцией Вг = 1,1 Тл и коэрцитивной силой Нс = 800 кА/м, прогресс в области силовых электронных ключей и высоковольтных микросхем [3].
В последнее десятилетие в связи с разработкой и внедрением в производство высокоэнергетических магнитов, изготовленных из сплавов редкоземельных металлов, таких как «Самарий-кобальт» (Sm-Co)и «Неодим-железо-бор» (Ш^е-В), и имеющих большую величину коэрцитивной силы, были значительно улучшены массогабаритные показатели электроприводов на основе ВД и получены более высокие электромеханические показатели, например, вращающий момент, для тех же габаритов дви-
гателей были разработаны и освоены промышленностью мощные вентильные двигатели, в том числе для нефтедобывающей отрасли.
Прежде чем предоставить информацию о преимуществах применения ВД по сравнению с традиционными двигателями переменного тока, кратко рассмотрим теоретические вопросы построения подобных систем. Согласно определению электропривода с ВД его функциональная схема может быть представлена подобно рис. 1, на котором: ЭМ - электрическая машина (ВД); К - коммутатор (инвертор), подключающий фазы ВД к источнику питания согласно определенному закону; ДПР - датчик положения ротора (отсутствует в приводах, в которых положение ротора определяется математически); СУ - система управления ключами коммутатора, обрабатывающая сигналы, поступающие с ДПР [3].
Рис. 1. Функциональная схема электропривода на основе ВД
Питание обмотки статора ВД осуществляется симметричной трехфазной системой напряжений (токов). В качестве коммутатора возможно применение известной схемы автономного инвертора на базе ЮВТ-транзисторов (рис. 2) [3]. Для получения формы кривой токов ВД, близкой по гармоническому составу к синусоидальной, целесообразно применить для системы управления транзисторами инвертора модифицированную синусоидальную или пространственно-векторную широтно-импульсную модуляцию с относительно высокими частотами переключения.
Основным силовым элементом электропривода является электрическая машина. Анализируя имеющуюся информацию, можно отметить сходство и отличие между синхронными и вентильными двигателями [3, 4]. В отличие от асинхронного у синхронных и вентильных двигателей частоты вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора пропорциональны и не зависят от момента сопротивления в определенном диапазоне. При частотном регулировании электропривода с синхронным двигателем частота вращения ротора п = 60f/p
20 — Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3 т. 9, 2013
50Гц
К двига-г—j тел to,,
p^--v
±15B,+5B
+24Б 20В, 50кГц
Рис. 2. Базовая функциональная схема силовой части преобразователя
определяется задающим устройством в составе системы управления автономного инвертора (как частота питающего напряжения У;), тем самым изменяя частоту коммутации ключей в фазах инвертора.
В отличие от синхронного вид и положение механической характеристики ВД определяется напряжением питания двигателя и моментом сопротивления, а частота вращения поля статора зависит от п, т. е.^ = рп/60.
При сравнении с асинхронным двигателем (АД) можно отметить более высокие энергетические показатели, такие как КПД и соsф. Коэффициент полезного действия ВД обычно превышает 90%, а коэффициент нагрузки ВД - более 0,95 [4]. Высокое значение коэффициента нагрузки соsф обеспечивается рациональной настройкой системы управления и датчиков положения ротора или применением системы управления с векторным законом управления ключами инвертора.
Согласно справочным данным, максимальный КПД АД составляет около 86%, кроме того, зависит от изменения момента сопротивления двигателя и питающего напряжения, так как в соответствии с известными формулами пропорционален напряжению в квадрате. Высокий КПД ВД с возбуждением от постоянных магнитов обусловлен отсутствием электрических потерь в роторе; малое значение тока холостого хода уменьшает магнитные потери.
Следовательно, имея большую величину КПД и коэффициента мощности соsф, ВД имеют более низкий перегрев по сравнению с АД одинаковой мощности и одинаковых размеров, что позволяет рассчитать двигатель меньших размеров по срав-
нению с АД той же мощности и тех же значений индукции в воздушном зазоре (порядка 0,6-0,8 Тл) или использовать привод при больших значениях нагрузки на валу.
Пониженный перегрев обмоток ВД увеличивает срок службы изоляции обмоток, повышая ресурс всего электропривода, даже если режим работы установки предполагает перегрузки, частые пуски и остановки. Уменьшенная масса ВД при той же мощности снижает момент инерции двигателя, увеличивает пусковой момент, тем самым повышая динамические свойства электропривода - высокое быстродействие, точность позиционирования.
Отличительным элементом электропривода на вентильном двигателе до последнего времени являлись датчики положения ротора (ДПР), необходимые для реализации алгоритма переключения коммутатора.
Датчиком положения ротора может быть индуктивный, емкостной дискретные датчики положения, также датчик Холла или фотоэлектрический инкрементальный энкодер. Однако эксплуатационники утверждают, что применение ДПР ведет к усложнению конструкции привода, снижению его надежности. Кроме того, в некоторых устройствах из-за удаленности двигателя от инверторов коммутатора применение датчиков положения фактически невозможно.
В этой связи ныне нашли применение «без-датчиковые» (sensorless) алгоритмы управления ВД, основанные на вычислении ЭДС одной из фаз двигателя по величинам токов, напряжений, измеренных непосредственно на выходных клеммах автономного инвертора, и текущей частоты вра-
щения ротора двигателя [5].
Кроме того, применяются более сложные методы определения положения ротора двигателя - метод оценки потокосцеплений фаз двигателя по математическим моделям с помощью наблюдателей состояния, по оценке гармонического состава ЭДС-вращения, а также применяя нейросетевые модели электромагнитных процессов в двигателе.
В последнее время в системах управления ключами инвертора вентильных электроприводов находят широкое применение так называемые «векторные», или частотно-токовые релейные алгоритмы управления [7]. Векторное управление невозможно без адекватной математической модели в системе управления. Кроме того, возникает необходимость введения наблюдателя состояний, который не только измеряет и отслеживает ряд внешних параметров двигателя (напряжения и токи как в звене постоянного тока, так и на клеммах питания), но и пересчитывает их значения в параметры обобщенной электрической машины в системе ортогональных координат d, q, связанной с роторной обмоткой двигателя и неподвижной относительно нее.
В математической модели задают положение вектора потокосцепления, направленного по оси d (продольной оси ротора ВД), токи и напряжения раскладывают на две составляющие. Составляющая тока по оси d определяет величину потокосце-пления, а составляющая тока по оси q определяет момент на валу двигателя. Подобная модель вентильного двигателя делает его похожим на ДПТ с обмоткой возбуждения.
Итак, ныне существуют и развиваются два направления развития систем векторного управления. Если область применения электропривода такова, что требует широкого диапазона изменения частоты вращения электродвигателя с повышенной точностью, а также возможности регулирования, то, как правило, проектируются системы управления с обратной связью по скорости [3]. В противных случаях векторные системы управления выполняются «бездатчиковыми».
В вентильных электроприводах, так же как в асинхронных и синхронных, законы управления током и частотой вращения при векторном управлении достаточно сложны [5]. Объем вычислений при включении математических моделей в систему управления будет еще более увеличиваться у «без-датчиковых» систем. Кроме того, эффективность «бездатчиковой» системы управления в реальном масштабе времени зависит не только от точности первоначально вводимой информации (конструктивные параметры двигателя и окружающей среды,
в частности, для погружных двигателей свойства нефтепродукта), но и от изменения этих факторов в процессе работы. Авторами был предложен ряд систем векторного управления преобразователями частоты с улучшенными энергетическими параметрами и обратной связью по частоте вращения [6].
Системы управления, разработанные на совершенных законах, как правило, имеют сложную структуру, состоящую из многочисленных замкнутых контуров, имеющих обратные связи, дополнительные регуляторы. Большое количество замкнутых контуров регулирования способно привести к неустойчивости всей системы управления электроприводом в целом. Кроме того, при эксплуатации традиционных электроприводов появляются накапливающиеся статические ошибки регулирования и низкие показатели качества при изменении момента на валу двигателя, изменении конструктивных параметров двигателя из-за изменения внешних условий, например, изменение активного сопротивления ротора от изменения температуры.
Использование нечеткой логики в системах управления уменьшает вмешательство оператора в процесс управления и, следовательно, позволяет разработать новые методики управления, более адаптированные к промышленной среде. Авторами была предложена система управления напряжением преобразователя частоты для электропривода с нечетким регулятором (рис. 3).
Система управления учитывает изменение внутренних и внешних параметров двигателя при сохранении устойчивости, точности и качества регулирования частоты вращения и момента на валу [8].
На основе вышеприведенного анализа можно сделать следующие выводы.
Вентильные электроприводы по сравнению с асинхронными обладают значительными преимуществами по таким эксплуатационным показателям, как энергоэффективность, надежность, габариты, что дает возможность эффективного решения таких задач, как нефтедобыча из боковых стволов, прерывистая эксплуатация малодебитных скважин, осложненных высоким газовым фактором, и др.
Основным недостатком вентильного электропривода по сравнению с асинхронным является его относительно высокая себестоимость, вызванная необходимостью применения дорогостоящих высококоэрцитивных постоянных магнитов и датчиков положения ротора.
Эффективные интеллектуальные системы управления - энергосберегающие, векторные и с нечеткими регуляторами - могут применяться как с датчиками в цепи обратной связи, так и в «бездат-
22
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3 т. 9, 2013
Рис. 3. Структурная схема системы управления электропривода с нечетким регулятором
чиковом» исполнении, это зависит от технических условий эксплуатации и от технических требований к установке. Однако однозначным видится то, что привод должен быть без датчиков положения ротора, усложняющих конструкцию погружного двигателя. Программное обеспечение системы управления вентильного двигателя может быть различным, но ненамного отличающимся по цене и сроку окупаемости от программного обеспечения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов.
В связи с вышесказанным можно отметить, что массовое внедрение вентильных приводов связано, в первую очередь, с выравниванием их себестоимости с себестоимостью асинхронного привода, что в свою очередь определяется применением недорогих высококоэрцитивных постоянных магнитов.
Список литературы
1. Овчинников И.В. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) [Текст] / И.В. Овчинников. - СПб.: КОРОНА-Век, 2006. - 336 с.
2. Воронин С.Г. Электропривод летательных аппаратов: Конспект лекций [Текст] / С.Г. Воронин. -Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2008. - Часть 2. - 115 с.
3. Панкратов В.В. Тенденции развития обще-
промышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники [Текст] / В.В. Панкратов // Силовая интеллектуальная электроника. Специализированный информационно-аналитический журнал. - 2005. -№ 2. - С. 27-31.
4. Шенгур Н.В. Мифы и реальности внедрения вентильного электродвигателя в УЭЦН [Текст] / Н.В. Шенгур, А.А. Иванов // Инженерная практика. - 2011. - № 3 - С. 36-38.
5. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: Учебник для вузов [Текст] / Г.Г. Соколовский. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 272 с.
6. Патент № 2339154, Российская Федерация, МПК7Н02Р27/06, H02M7/53846. Устройство управления преобразователя частоты [Текст] / Л.Э. Рогин-ская, А.В. Стыскин, Н.Г. Уразбахтина, Д.С. Рябухин; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т» (RU). - № 2007118803/09; за-явл. 21.05.2007; опубл. 20.11.2008.
7. Стыскин А.В. Система управления энергосберегающего асинхронного электропривода [Текст] / А.В. Стыскин, Н.Г. Уразбахтина // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: сборник научных трудов II Всероссийской научн. техн. конф. Т. 1. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 118-121.
