CC BY
51
Электротехнические комплексы и системы
Никулин О. В. МШт О. V.
кандидат технических наук, ООО «УК«Татбурнефть», г. Альметьевск, Российская Федерация
Шабанов В. А. Shabanov V А.
кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования предприятий, ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.31
устойчивость электропривода буровых насосов
при нарушениях в системе возбуждения двигателей постоянного тока
Исследуется электропривод бурового насоса на основе двигателя постоянного тока при отказах системы возбуждения. Рассматривается возможность сохранения в работе электропривода бурового насоса при аварийном исчезновении тока в двух из четырех полюсных катушках возбуждения четырехполюсного электродвигателя постоянного тока. Для рассматриваемого аварийного режима получена математическая модель магнитной цепи двигателя постоянного тока и компьютерная модель электротехнического комплекса в среде Simulink. На основе осциллограмм, снятых при бурении скважины глубиной 1931 м, рассмотрено изменение режима работы бурового насоса при потере тока возбуждения в двух полюсных катушках. Показаны графики изменения подачи и давления на выходе бурового насоса в процессе бурения. Показано, что при таком аварийном режиме возможно сохранение в работе электродвигателя бурового насоса, если обеспечить регулирование коэффициентов усиления по скорости и току в цепи обратной связи в схеме управления электроприводом.
Ключевые слова: электродвигатель постоянного тока, математическая модель, буровой насос.
stability of dc motors of drilling mechanisms in case of disturbances in excitation system
The condition of the electric driver of the mud pump made on the base of a DC motor because of failures in the excitation system are reviewing. An opportunity to keep the driver of the mud pump operational at failures of two of four of the current pole coils of excitation of the four poles electric DC motor are considering. For the reviewed emergency mode we compiled a mathematical model of magnetic circuit of the DC motor, and a computer model of the electric system in the Simulink environment. On the base of the waveforms detected in the process of drilling wells of 1931 m depth, we considered a change of the operating mode of the mud pump while loosing the excitation current of two of the pole coils. There are diagrams of the flow and pressure change at the outlet of the mud pump in the drilling process. It have revealed that the describe emergency mode could secure operations of the electric motor of the mud pump, if we could provide it rate regulation of the acceleration by speed and current in the feedback circuit of the scheme of the motor control. Key words: DC motor, mathematical model, mud pump.
- 11
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 13, 2017
Electrical facilmes and systems
Введение. Для привода как основных, так и вспомогательных механизмов буровых установок широко используются как нерегулируемые, так и регулируемые электроприводы [1—3]. Достоинства и недостатки частотно-регулируемого электропривода переменного тока рассмотрены в [4-6], возможности частотного регулирования синхронных электродвигателей в приводе буровых установок рассмотрены в [7-11]. Достоинствами электродвигателей постоянного тока (ДПТ) в приводе буровых лебедок и насосов являются высокий пусковой момент и сохранение высокого КПД во всем диапазоне регулирования [12-14]. Поэтому их разработка продолжает оставаться актуальной [15-17] и они находят применение для привода основных механизмы буровых установок типа БУ-2000/125ЭП и БУ-2900/175ЭП, в которых буровые насосы, лебедки и роторы в качестве электропривода используют ДПТ с независимым возбуждением. Однако электродвигатели буровых механизмов эксплуатируются в тяжелых условиях — наличие влаги, пыли и вибрации, что повышает вероятность отказов в работе как электродвигателей, так и их систем возбуждения и управления. Из опыта эксплуатации известны случаи частичного отказа системы возбуждения, когда ток возбуждения исчезает не во всех, а только в части полюсных катушек возбуждения. Это нарушает нормальную работу электродвигателя и может привести к аварийному останову процесса бурения и значительному материальному ущербу. Поэтому представляет научный и практический интерес исследование процессов при частичных отказах системы возбуждения ДПТ и возможности сохранения устойчивости буровых установок при таких отказах.
Постановка задачи. В буровых установках БУ-2000/125ЭП и БУ-2900/175ЭП используются четырехполюсные ДПТ. Обмотка возбуждения четырехполюсного ДПТ содержит две пары полюсных катушек, соединенных последовательно-параллельно и образующих две параллельные цепи. В каждой из параллельных цепей две полюсные катушки включены последовательно. При выходе из строя одной из параллельных
цепей исчезает ток только в одной паре полюсных катушек, в то время как по второй паре катушек продолжает протекать ток возбуждения и магнитное поле в электродвигателе частично сохраняется. Если при этом ДПТ останется в работе, то буровая установка может остаться в работе. Это позволит либо сохранить устойчивость технологического процесса и продолжить бурение, либо безаварийно его остановить. Целью статьи является исследование изменения скорости вращения и мощности, развиваемой ДПТ при частичном отказе системы возбуждения. на примере электропривода бурового насоса.
Метод исследования. Для исследования устойчивости электропривода бурового насоса при частичных отказах системы возбуждения ДПТ используется математическая модель магнитной цепи машины постоянного тока и компьютерная модель электротехнического комплекса бурового насоса в среде программирования Ма^аЬ^тиНпк. В основе анализа свойств ДПТ при нарушениях в системе возбуждения лежит расчет магнитной цепи. При исчезновении тока в части катушек возбуждения изменяются пути протекания магнитного потока и изменяется уравнение равновесия намагничивающих сил. В нормальном режиме работы все четыре полюса машины создают магнитные потоки, одинаковые по величине и одинаково распределенные в зазоре. Поэтому расчет магнитной цепи достаточно вести для одной пары полюсов для средней линии магнитного потока. Магнитная цепь машины постоянного тока, показанная на рисунке 1, разбита на участки: воздушный зазор (¿), зубцы якоря (И), ярмо (сердечник) якоря (2LJ, полюсы (И ) и ярмо статора (станины) (2Ь ).
Рисунок 1. Магнитная цепь машины постоянного тока в нормальном режиме
Электротехнические комплексы и системы
В нормальном режиме работы уравнение по закону полного тока для магнитной цепи записывают либо для одного полюса [12], либо для одной пары полюсов [14]. Уравнение магнитной цепи для одной пары полюсов без учета реакции якоря имеет вид:
/г==гндд+гнх +
+2 НЬ + 2 НИ +2НЬ„ (1)
а а т т я я* \ /
где F = (2)
— магнитодвижущая сила, созданная током возбуждения двух обмоток возбуждения; Н
— вектор напряженности магнитного поля; dl — элемент дуги, по которой ведется интегрирование; 3, h , L , h , L — показанные на
А А 7 г а т я
рисунке 1 геометрические размеры; Н5, Н, Н, Н , Н — напряженности магнитного
а т я А
поля на соответствующих участках; №в — число витков обмотки возбуждения на полюс; ¡в — ток возбуждения.
При отказе одной из обмоток возбуждения магнитные цепи изменятся и примут вид, показанный на рисунке 2.
L К
al 4р 2'
(4)
Рисунок 2. Магнитная цепь машины постоянного тока при отказе одной из катушек возбуждения
В отличие от рисунка 1 для анализа магнитной цепи на рисунке 2 необходимо рассматривать два магнитных потока Ф и Ф отличающихся длиной магнитной цепи. Длины концентрических участков La и Lя для потока Ф1 на рисунке 2 увеличиваются примерно в три раза. Так, если длина участка Ьа на рисунке 1 потока Ф определяется по формуле [10]:
= n{Da-2hz-ha) ha а 4 р 2 '
(3)
Аналогично для участка Lя потока Ф его длина определяется по формуле [1]:
(5)
(6)
где р — число полюсов, то для участка La1 на рисунке 2 длина магнитной цепи будет определяться выражением
L'~ 4 р 2,
а для участка L:
= 3ж (Da+{S + hm)+hJ ha я1 Ар 2
Тогда уравнение по закону полного тока для контура с потоком Ф при отказе одной из катушек можно записать в виде:
F\ =\Hdl = 2Hs5+2Hzhz +2HaLal +
+ 2Нткт+2НяЬяХ=2(Ов1в. (7)
Магнитная цепь на рисунке 2 содержит два неизвестных потока Ф и Ф и для ее расчета необходимо решать систему из двух уравнений: уравнения (1), записанного для рисунка 2, и уравнения (7). При неизменном токе возбуждения магнитодвижущая сила F по уравнению (2), созданная током возбуждения двух обмоток возбуждения, остается неизменной:
F = 2т i = const. (8)
в в ^ ^
Поэтому сумма намагничивающих сил по уравнениям (1) и (7) для всех участков магнитной цепи на рисунках 1 и 2 также остается неизменной.
Компьютерная модель. Для решения уравнений (1) и (2) с учетом нелинейности характеристики намагничивания и исследования устойчивости электропривода бурового насоса при нарушении симметрии системы возбуждения ДПТ была разработана компьютерная модель электротехнического комплекса бурового насоса в среде Simulink (рисунок 3). Модель электротехнического комплекса содержит подсистему (модель) магнитной цепи, модель ДПТ, модель бурового насоса (блок регуляторов и формирования нагрузки) и подсистему вспомогательных расчетов.
В модели магнитной цепи выполняется расчет намагничивающих сил по уравнениям (1) и (2) на участках магнитных цепей Ф и Ф (см. рисунок 2). Для учета намагничивания стали на участках магнитной цепи использо-
Electrical facilities and systems
Подсистема вспомогательных расчетов
Рисунок 3. Компьютерная модель электротехнического комплекса бурового насоса и расчета магнитной цепи ДПТ при частичном отказе системы возбуждения
Ток якоря
Рисунок 4. Модель ДПТ в составе модели электротехнического комплекса бурового насоса на рисунке 3
ван блок одномерной таблицы Look-UpTaЫe, задающий в табличной форме кривую намагничивания В(Н) электротехнической стали. В подсистеме вспомогательных расчетов вычисляются: величина магнитного потока Ф , при котором соблюдается условие (8); сумма произведений машинной постоянной Ст и потоков Фи Ф1; развиваемый электромагнитный момент. При создании модели ДПТ использованы передаточные функции для тока якоря и частоты вращения при нулевых начальных условиях [18]:
/(,)=[,,(,)-<<,)]—(9)
ю(5) = [Аф)-Ме(5)]-, (10)
лу
где г — ток якоря; и — напряжение якоря; е — ЭДС якоря; R — активное сопротивление цепи якоря; Ь — индуктивность цепи якоря; а — частота вращения; М — электромагнитный момент; Мс — момент сопротивления на валу двигателя; 3 — момент инерции; ^ — оператор дифференцирования.
Модель электродвигателя в составе электротехнического комплекса, представленная на рисунке 3 блоком ДПТ, показана на рисунке 4.
Заданием скорости ДПТ является сигнал «напряжение якоря», пропорциональный
Электротехнические комплексы и системы
800 600 400 200
п, об/мин
Частота вращения
м
I А
Ток якоря
60 40 20
0
б, я/с
Подача
-1. м
||
Задание подачи .....Г—'■!/:!': . ----- 1 - т( V, ,' ; ; I ,' ПИП -иЫ1 11 Гм [ГГГ1
и1 ^•Н/ й Л.....ИЭДклГ Ч/иГ | Фактическая подача | .1 н. у .. 1 н 4 1л 1 ирчрц^ III 11, Ц1 ...... 1 .1. | 1 ¡1р-' ' ' ^ 1 '!5!::!! !| | !! 8 1 1 '¡'I"1.....■'!'
р, МПа
Давление
772 1158
Рисунок 5. Результаты моделирования
1544
I, м
I, м
1931
заданию необходимой подачи бурового насоса. Нагрузкой ДПТ является сигнал «нагрузка», пропорциональный давлению на выходе бурового насоса.
Результаты расчетов на модели показали, что при исчезновении тока возбуждения в одной паре полюсных катушек магнитный поток в зазорах снижается, частота вращения увеличивается, развиваемые электродвигателем электромагнитный момент и мощность снижаются. Мощность исследуемого четы-рехполюсного ДПТ снизилась на 54 %.
Исследование устойчивости бурового насоса. Рассмотрим изменение режима работы бурового насоса при потере тока возбуждения в одной паре полюсных катушек ДПТ на примере скважины 20627 глубиной 1931 м ООО «УК «Татбурнефть». Бурение производилось без смены втулок с учетом рекомендаций, приведенных в [19].
Изменение режимных параметров бурового насоса, полученное на модели при выведенной из работы одной паре полюсных катушек возбуждения, приведены на рисунке 5.
При исследовании работы ДПТ бурового насоса в модель были введены пропорциональный регулятор скорости и ПИ-регулятор тока, существующие в реальной системе управления в составе блока регуляторов с
теми же настройками (рисунок 3). Данные о подаче, выгруженные из контроллера системы контроля параметров бурения, подавались на вход «нагрузка» (рисунки 3 и 4). Система управления настроена таким образом, что при достижении током якоря номинального значения, автоматически (в процессе дальнейшего бурения) снижается частота вращения двигателя, обеспечивая регулирование по закону постоянства мощности. Из рисунка 5 видно, что частота вращения п, ток якоря I, подача насоса Q и давление на выходе р непрерывно изменяются в процессе бурения. При моделировании при исчезновении тока в двух полюсных катушках обмотки возбуждения происходит снижение частоты вращения насоса. На этих участках ток меньше номинального значения, мощность и подача насоса снижены, что приводит к снижению механической скорости бурения скважины. Для сохранения частоты вращения и восстановления требуемой подачи бурового насоса необходимо ввести усилительные блоки для регулирования скорости вращения ДПТ в функции подачи насоса. Для этого в цепи обратной связи по току и скорости в модель были введены блоки КУ1 и КУ2 (рисунок 3), коэффициенты усиления которых подобраны таким образом,
чтобы подача насоса была равна заданию при недогруженном приводе и снижалась при номинальном токе якоря.
Выводы
1. Разработана компьютерная модель электротехнического комплекса бурового насоса с электроприводом постоянного тока, позволяющая выполнять исследование работы электротехнического комплекса бурового
Список литературы
1. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтяной и газовой промышленности: учебник для вузов. М.: Недра, 2000. 487 с.
2. Шабанов В.А. Основы регулируемого электропривода основных механизмов бурения, добычи и транспорта нефти: учеб. пособие для вузов. Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2009. 156 с.
3. Никулин О.В., Шабанов В.А. Об особенностях эксплуатации электрооборудования и системы автоматизации системы верхнего привода /// ROGTEC. 2016. Вып. 45. С. 61-76.
4. Шабанов В.А., Никулин О.В. Оценка эффективности частотно-регулируемого привода буровых насосов в Азнакаевском УБР ООО «Татнефть-Бурение» // Энергетика Татарстана. 2008. № 1 (9). С. 74-81.
5. Абрамов Б.И., Коган А.И., Пономарев В.М., Шевырева Н.Ю., Шевырев Ю.В., Фащиленко В.Н. Активные выпрямители как универсальное средство повышения качества электрической энергии в системах электроснабжения буровых установок с частотно-регулируемым электроприводом // Труды IX Международной (ХХ Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016, Пермь, 3-7 октября 2016 г. Пермь: Изд-во Пермского национального политехнического университета, 2016. С. 372-376.
6. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Основные тенденции развития автоматизированного электропривода // Труды IX Международной (ХХ Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016, Пермь, 3-7 октября 2016 г. Пермь: Изд-во Пермского национального
насоса при работе ДПТ с частично отказавшей системой возбуждения.
2. При выходе из строя одной из четырех полюсных обмоток возбуждения электромагнитный момент и мощность ДПТ снижаются. Для сохранения в работе бурового насоса необходимо ввести регулирование коэффициентов усиления по скорости и току в цепи обратной связи в схеме управления электроприводом.
политехнического университета, 2016. С. 81-83.
7. Шабанов В.А., Никулин О.В. Система автоматического регулирования электроприводов буровых насосов // Энергетика Татарстана. 2008. № 3. С. 48-52.
8. Шабанов В.А., Никулин О.В. Возможности скалярного частотного регулирования синхронных электродвигателей буровых установок // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов: Межвуз. сб. науч. тр. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. С. 59-66.
9. Шабанов В.А., Никулин О.В. Векторное регулирование момента синхронного электропривода бурового насоса // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012. № 1. С. 137-144.
10. Шабанов В.А., Никулин О.В., Чумаков Д.И. Экономический эффект от внедрения синхронного частотно-регулируемого электропривода бурового насоса // Академия Энергетики. 2010. № 2 (34). С. 92-94.
11. Абрамов Б.И., Кожаков О.И., Шилен-ков В.А., Васильев В.К., Таран Д.А., Кириллов В.Е. Создание современных электротехнических комплексов для управления наземных и морских буровых установок // Тр. VIII Междунар. (XIX Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. Саранск: Изд-во Мордовского университета, 2014. Т. 2. С. 150-154.
12. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Юрай, 2015. 676 с.
13. Усольцев А.А. Электрические машины: учеб. пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 532 с.
14. Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для студентов высш. техн.
Электротехнические комплексы и системы
учебн. заведений. 3-е изд., перераб. Л.: Энергия, 1978. 832 с.
15. Morales R., Somolinos J.A., Sira-Rami-rez H. Control of a DC Motor using Algebraic Derivative Estimation with Real Time Experiments // Measurement. 2014. Vol. 47. P. 401-417.
16. Tapia R., Roses J.S., Aguilar O., Templos A. On-Line Speed Control of the Shunt-Connected DC Motor Via Neurocontroller // The 7th IET international conference on Power Electronics, Machines and Drives, 8-10 April 2014. Manchester, UK, 2014.
17. Козярук А.Е. Эффективный промышленный электропривод сегодня // Тр. IX Междунар. (ХХ Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2016, Пермь, 3-7 октября 2016 г. Пермь: Изд-во Пермского национального политехнического университета, 2016. С. 56-58.
18. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Sim-PowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
19. Шабанов В.А., Никулин О.В. Сокращение числа используемых втулок буровых насосов при регулируемом электроприводе // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. II Всеросс. науч.-техн. конф.: в 2 т. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. Т. 1. С. 20-24.
References
1. Men'shov B.G., Ershov M.S., Jari-zov A.D. Jelektrotehnicheskie ustanovki i kom-pleksy v neftjanoj i gazovoj promyshlennosti: uchebnik dlja vuzov. M.: Nedra, 2000. 487 p.
2. Shabanov V.A. Osnovy reguliruemogo jelektroprivoda osnovnyh mehanizmov burenija, dobychi i transporta nefti: uchebnoe posobie dlja vuzov. Ufa: Izd-vo «Neftegazovoe delo», 2009. 156 p.
3. Nikulin O.V., Shabanov V.A. Ob osoben-nostjah jekspluatacii jelektrooborudovanija i sistemy avtomatizacii sistemy verhnego privoda // ROGTEC. 2016. Issue 45. P. 61-76.
4. Shabanov V.A., Nikulin O.V. Ocenka jeffektivnosti chastotno-reguliruemogo privoda burovyh nasosov v Aznakaevskom UBR OOO
«Tatneft'-Burenie» // Jenergetika Tatarstana. 2008. № 1 (9). S. 74-81.
5. Abramov B.I., Kogan A.I., Pono-marev V.M., Shevyreva N.Ju., Shevyrev Ju.V., Fashhilenko V.N. Aktivnye vyprjamiteli kak universal'noe sredstvo povyshenija kachestva jelektricheskoj jenergii v sistemah jelektrosnab-zhenija burovyh ustanovok s chastotno-reguliruemym jelektroprivodom // Tr. IX Mezhdunar. (XX Vseross.) konf. po avtomatizirovannomu jelektroprivodu AJeP-2016, Perm', 3-7 oktjabrja 2016 g. Perm: Izd-vo Permskogo nacional'nogo politehnicheskogo universiteta, 2016. S. 372-376.
6. Onishhenko G.B., Jun'kov M.G. Osno-vnye tendencii razvitija avtomatizirovannogo jelektroprivoda // Tr. IX Mezhdunar. (XX Vseross.) konf. po avtomatizirovannomu jelektroprivodu AJeP-2016, Perm', 3-7 oktjabrja 2016 g. Perm: Izd-vo Permskogo nacional'nogo politehnicheskogo universiteta, 2016. S. 81-83.
7. Shabanov V.A., Nikulin O.V. Sistema avtomaticheskogo regulirovanija jelektro-privodov burovyh nasosov // Jenergetika Tatarstana. 2008. № 3. S. 48-52.
8. Shabanov V.A., Nikulin O.V. Vozmo-zhnosti skaljarnogo chastotnogo regulirovanija sinhronnyh jelektrodvigatelej burovyh ustanovok // Povyshenie nadezhnosti i jenergo-jeffektivnosti jelektrotehnicheskih sistem i kompleksov: mezhvuz. sb. nauch. tr. Ufa: Izd-vo UGNTU, 2010. S. 59-66.
9. Shabanov V.A., Nikulin O.V Vektornoe regulirovanie momenta sinhronnogo jelektroprivoda burovogo nasosa // Izvestija vuzov. Problemy jenergetiki. 2012. № 1. S. 137-144.
10. Shabanov V.A., Nikulin O.V., Chu-makov D.I. Jekonomicheskij jeffekt ot vned-renija sinhronnogo chastotno-reguliruemogo jelektroprivoda burovogo nasosa // Akademija Jenergetiki. 2010. № 2 (34). S. 92-94.
11. Abramov B.I., Kozhakov O.I., Shilen-kov V.A., Vasil'ev V.K., Taran D.A., Kirillov V.E. Sozdanie sovremennyh jelektrotehnicheskih kompleksov dlja upravlenija nazemnyh i morskih burovyh ustanovok // Tr. VIII Mezhdunar. (XIX Vseross.) konf. po avtomatizirovannomu jelektroprivodu AJeP-2014. Saransk: Izd-vo Mordovskogo universiteta, 2014. T. 2. S. 150-154.
12. Kopylov I.P. Jelektricheskie mashiny. M.: Jurajt, 2015. 676 s.
13. Usol'cev A.A. Jelektricheskie mashiny: ucheb. posobie. SPb.: NIU ITMO, 2013. 532 s.
14. Vol'dek A.I. Jelektricheskie mashiny: uchebnik dlja studentov vyssh. tehn. uchebn. zavedenij. 3-e izd., pererab. L.: Jenergija, 1978. 832 s.
15. Morales R., Somolinos J.A., Sira-Rami-rez H. Control of a DC Motor using Algebraic Derivative Estimation with Real Time Experiments // Measurement. 2014. Vol. 47. P. 401-417.
16. Tapia R., Roses J.S., Aguilar O., Templos A. On-Line Speed Control of the Shunt-Connected DC Motor Via Neurocontroller // The 7th IET international conference on Power Electronics, Machines and Drives, 8-10 April 2014. Manchester, UK, 2014.
17. Kozjaruk A.E. Jeffektivnyj promysh-lennyj jelektroprivod segodnja // Tr. IX Mezh-dunar. (XX Vseross.) konf. po avtoma-tizirovannomu jelektroprivodu AJeP-2016, Perm', 3-7 oktjabrja 2016 g. Perm: Izd-vo Permskogo nacional'nogo politehnicheskogo universiteta, 2016. S. 56-58.
18. Chernyh I.V. Modelirovanie jelektro-tehnicheskih ustrojstv v MATLAB, SimPower-Systems i Simulink. M.: DMK Press; SPb.: Piter, 2008. 288 s.
19. Shabanov V.A., Nikulin O.V. Sokra-shhenie chisla ispol'zuemyh vtulok burovyh nasosov pri reguliruemom jelektroprivode // Jelektrotehnologii, jelektroprivod i jelektro-oborudovanie predprijatij: sb. nauch. tr. II Vseross. nauch.-tehn. konf.: v 2 t. Ufa: Izd-vo UGNTU, 2009. T. 1. S. 20-24.
