Разработка и исследование электропривода для нефтедобывающих насосов с погружным магнитоэлектрическим двигателем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Окунеева, Надежда Анатольевна

• Окунеева, Надежда Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Окунеева, Надежда Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. Современное состояние электропривода с погружными электродвигателями для нефтедобычи.

1.1 Функции, выполняемые электроприводом в составе насосной установки

1.2 Виды установок погружных скважинных насосов.

1.3 Условия работы электропривода.

1.4 Требования, предъявляемые к погружным электродвигателям.

1.5 Типы электродвигателей, применяющихся в составе электропривода погружных насосов.

Выводы по главе 1.

2. Вентильный электропривод.

2.1 Функциональная схема вентильного электропривода.'.30 !

2.2 Типы электрических машин, используемые в вентильном приводе.

2.2.1 Индукторные машины с самовозбуждением.

2.2.2 Одноименнополюсные индукторные машины с обмоткой возбуждения.

2.2.3 Одноименнополюсные индукторные машины с постоянными магнитами.

2.2.4 Магнитоэлектрические двигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

2.3 Типы магнитных систем магнитоэлектрических двигателей.

2.4 Выбор материала постоянных магнитов для погружных электродвигателей

Выводы по главе 2.

3. Математическая модель электромагнитных и тепловых процессов в вентильных двигателях на базе магнитоэлектрических двигателей.

3.1 Цель и задачи анализа электромагнитных процессов.

3.2 Выбор метода анализа электромагнитных процессов в магнитоэлектрических двигателях.

3.3 Математическая модель электромагнитных процессов в магнитоэлектрических двигателях, выполненная на базе малоузловых схем замещения.

3.4 Программная реализация математической модели электромагнитных процессов.

3.5 Проверка адекватности разработанной математической модели электромагнитных процессов.

3.6 Математическая модель тепловых процессов в магнитоэлектрических двигателях, выполненная на базе малоузловых схем замещения.

Выводы по главе 3.

4. Результаты расчетных исследований магнитных систем погружных магнитоэлектрических двигателей.

4.1 Сравнительный анализ характеристик и показателей магнитоэлектрических двигателей на базе магнитных систем различной конфигурации.

4.2 Оценка влияния входных геометрических параметров магнитных систем на выходные показатели магнитоэлектрических двигателей.

4.2.1 Исследование влияния отдельных геометрических параметров конкретной магнитной системы на выходные показатели.

4.2.2 Влияние способа намагничивания постоянных магнитов на выходные показатели.

4.2.3 Влияние увеличения рабочего зазора при изменении способа крепления магнитов.

4.2.4 Влияние дискретного скоса пазов на момент залипания, форму и величину линейной ЭДС.

4.3 Результаты электромагнитного расчета погружного магнитоэлектрического двигателя.

4.4 Результаты теплового расчета погружного магнитоэлектрического двигателя.

4.5 Качественное сравнение погружных асинхронных и вентильных электроприводов.

4.5.1 Энергетические показатели погружных асинхронных и магнитоэлектрических двигателей.

4.5.2 Сопоставление возможностей по управлению погружными асинхронными и вентильными электроприводами.

4.5.3 Экономический эффект при применении магнитоэлектрического двигателя в составе электропривода погружных насосов.

4.6 Рекомендации для выбора размеров и электромагнитных параметров магнитных систем погружных магнитоэлектрических двигателей при применении в нефтедобывающем оборудовании.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование электропривода для нефтедобывающих насосов с погружным магнитоэлектрическим двигателем»

Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46% [1].

Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является задача рационального использования истощенных месторождений и залежей с тяжело добываемой нефтью [2-4]. В связи с этим все более значимыми являются вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования, надежность и эффективность которого, в том числе экономическая, определяют эффективность всего процесса эксплуатации нефтяного месторождения [5-7].

В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются погружные центробежные и винтовые насосы [8]. За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.

Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим фактором современной мировой экономики, во многом определяющим и политику, является наличие и использование нефтяных ресурсов. Современная цивилизация не может существовать без нефти и нефтепродуктов, потребление которых постоянно растет. Основным является энергетическое направление их использования. В настоящее время доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46% [1].

Одной из главных задач, стоящих перед нефтедобытчиками, является задача рационального использования истощенных месторождений и залежей с тяжело добываемой нефтью [2-4]. В связи с этим все более значимыми являются вопросы научно обоснованного создания и эксплуатации нового нефтепромыслового оборудования, надежность и эффективность которого, в том числе экономическая, определяют эффективность всего процесса эксплуатации нефтяного месторождения [5-7].

В подавляющем числе случаев добыча нефти не обходится без специального оборудования и такой его важной составляющей, как насосная установка. Одним из основных видов техники добычи нефти в России являются погружные центробежные и винтовые насосы [8]. За последние годы изготовителями проделана большая работа по повышению качества традиционных погружных насосных установок. Однако и сегодня они нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы удовлетворить возросшие требования потребителей и обеспечить рост эффективности их использования.

Изменяющиеся в процессе работы привода нагрузки и интенсивность охлаждения электродвигателя, выдвигаемые требования к обеспечению функционирования в наклонных и сильно искривленных скважинах, сокращению энергопотребления, а также уменьшению стоимости изготовления, ремонта и эксплуатации приводов заставляют вести поиск новых технических решений.

Суммируя требования, изложенные в различных источниках, можно заключить, что электропривод нефтедобывающих насосов должен обладать следующими основными качествами:

- быть регулируемым в широком диапазоне частот вращения (1:8) и нагрузок (1:10);

- КПД электропривода и коэффициент мощности электродвигателя должны оставаться высокими при всех основных режимах эксплуатации;

- иметь высокую мощность в заданных габаритах;

- обеспечивать возможность работы с минимальной частотой вращения и минимальных расходах охлаждающей (пластовой) жидкости;

- иметь малые потери в длинной силовой линии связи погружного электродвигателя с поверхностью;

- отношение вращающего момента электродвигателя в кратковременном режиме перегрузки к номинальному значению должно быть не менее 2;

- обеспечивать возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям функционирования для оптимизации режима работы насосной установки;

- электродвигатель должен обладать свойствами, позволяющими применить достаточно простые, но эффективные алгоритмы управления.

Помимо обеспечения указанных качеств электропривода важно минимизировать его себестоимость, что обусловливает необходимость применения соответствующей полупроводниковой элементной базы, материалов и выбора рациональной структуры привода, обеспечения высокой технологичности изготовления.

До настоящего времени для привода нефтедобывающих насосов, как правило, используются погружные асинхронные электродвигатели серии ПЭД [9, 10]. Этому типу привода присущи невысокие КПД и коэффициент мощности, большие пусковые токи, относительно большая длина электродвигателя, а также сложность реализации алгоритма эффективного управления.

Актуальность выбранной темы

Таким образом, в связи с возрастающими требованиями в повышении эффективности добычи нефти, используемые в настоящее время погружные асинхронные двигатели, не удовлетворяют запросам потребителей. Поэтому необходима и актуальна разработка нового электропривода насосов с погружными электродвигателями, способного отвечать современным требованиям.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование электроприводов, обладающих высокими потребительскими свойствами, для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными электродвигателями.

Для достижения поставленной цели в работе потребовалось решить следующие задачи:

1. Выбрать тип электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.

2. Обосновать рациональные конструкции магнитных систем электродвигателей погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.

3. Разработать математическую модель электромагнитных процессов для исследования и проектирования электропривода с погружным магнитоэлектрическим двигателем (МЭД), учитывающую конструктивные особенности и алгоритмы управления электроприводом, разработать схемы замещения исследуемых магнитных систем, проверить адекватность разработанной модели.

4. Дать рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления вентильным электроприводом (ВЭП).

5. Спроектировать и исследовать погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.

Объект исследования

Объектом исследования в работе является вентильный электропривод (ВЭП) для центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с погружными маслозаполненными МЭД [11-13].

ВЭП состоит из наземной и подземной (погружной) части. В состав наземной части входит силовая станция управления, которая подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц и повышающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку цепей. Погружная часть ВЭП состоит из МЭД и линии передачи.

Особенности конструкций разработанных МЭД заключаются в следующем: погружной двигатель заполняется трансформаторным маслом под давлением около 25 МПа, а снаружи охлаждается прокачиваемой между корпусом и обсадной трубой скважины пластовой жидкостью с температурой до 135°С; регулирование выходных характеристик ВЭП осуществляется с помощью бездатчикового способа управления; при существенно большой мощности (от 16 до 400 кВт) погружные МЭД выполняют в корпусе малого диаметра (92, 103, 117 и 130 мм), но большой длины (до 6 м); в магнитных системах используются статор с закрытыми пазами и ротор с замкнутыми для размещения постоянных магнитов окнами; магнитопровод набирается из тонколистовой электротехнической стали так же, как выполняются магнитные системы погружных асинхронных двигателей.

В настоящей работе под ВЭП в дальнейшем будем понимать электропривод, у которого состояние ключей инвертора определяется положением ротора. Асинхронный электропривод, управляемый от преобразователя частоты выделен в отдельный класс электроприводов.

Методы исследования

Комплексное исследование электропривода на базе МЭД включает в себя анализ электромагнитных процессов с помощью аналитических методов исследования, базирующихся на методе мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в МЭД проводились посредством математических моделей, основанных на методе эквивалентных схем замещения, и с применением пакета конечно-элементного анализа ЕЬСиТ.

Достоверность полученных результатов

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обосновывается хорошим совпадением результатов теоретического исследования и экспериментальных данных, полученных на опытных образцах для различных режимов работы привода.

Научная новизна и практическая ценность

1. Обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.

2. Разработаны конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие хорошей технологичностью изготовления и высокими энергетическими показателями.

3. Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверена адекватность разработанной модели.

4. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружных МЭД с учетом особенностей их применения, а также по алгоритму управления ВЭП.

5. С использованием разработанной математической модели спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления, отвечающие современным требованиям, предъявляемым к электродвигателям подобного назначения.

Внедрение результатов работы:

Разработанные математические модели реализованы в виде комплекса программ и готовы для использования на персональном компьютере. Их использование позволяет вести расчетные исследования и проектирование МЭД погружного исполнения рассмотренных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.

Результаты диссертационной работы использованы:

1. При серийном производстве ГК «БОРЕЦ» погружных МЭД серии 1ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 18, 26, 36, 45, 72, 110, 128, 180 и 20 кВт (500-3500 об/мин) для центробежных насосов, и серии 2ВЭДБТ в габарите 117 мм мощностью 10, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56 и 70 кВт (250-1500 об/мин) для винтовых насосов. Электродвигатели в габаритах 103 и 130 мм находятся на стадии производства и испытания.

2. При разработке ООО «РИТЭК-ИТЦ» типоразмерных рядов МЭД для погружных центробежных и винтовых насосов в корпусах диаметром 92, 117 мм, мощностью 16, 24, 40, 48 и 64 кВт.

3. ФГУП «Альфа» при проведении работ, связанных с разработкой вентильного электропривода специального назначения и поиском оптимальных режимов управления электроприводом со сходной магнитной системой.

Разработанное в рамках данной работы программное средство учебного назначения (ПСУН) реализовано в учебном процессе на кафедре ЭКАО МЭИ (ПСУН «Программа моделирования электромагнитных процессов в вентильных синхронных машинах с возбуждением от постоянных магнитов»), а также используется при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ.

Область применения результатов:

Основной областью применения результатов работы является ВЭП для нефтедобывающих погружных насосов. Кроме того, разработанные математические модели, а также результаты расчетных исследований по выявлению влияния параметров на выходные характеристики, могут быть использованы при проектировании и исследовании ВЭП другого назначения.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Обоснование выбора типа электропривода и погружного электродвигателя для нефтедобывающих насосов.

2. Рациональные конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие высокой технологичностью и высокими энергетическими показателями.

3. Математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД. Результаты проверки адекватности разработанной модели.

4. Результаты математического моделирования ВЭП на базе спроектированных МЭД.

5. Рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения, а также по алгоритму управления ВЭП.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института, а также на следующих конференциях:

- одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 1-2 марта, 2005;

- двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 2-3 марта, 2006;

- тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 1-2 марта, 2007;

- четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 28-29 февраля, 2008.

Для решения поставленных задач в первой главе описаны функции, выполняемые приводом в составе насосной установки, проведен обзор различных видов установок для погружных скважинных насосов, используемых в настоящее время, проанализированы условия работы электропривода (ЭП) и предъявляемые к нему требования. Проведен обзор электродвигателей, применяющихся в настоящее время в составе ЭП для погружного электронасоса.

Во второй главе приведены структурная и функциональная схемы ВЭП с погружным электродвигателем, проведен обзор различных типов электрических машин, возможных для использования в составе ВЭП. По результатам анализа в качестве наиболее перспективного варианта, выбран МЭД. Описаны особенности конструкции, предложены рациональные типы магнитных систем с постоянными магнитами (ПМ), имеющие высокие энергетические показатели и обладающие хорошей технологичностью в изготовлении. Проанализированы свойства материалов, применяемых для изготовления ПМ; по результатам их анализа и сравнения как наиболее приемлемый для использования в погружных электродвигателях выбран материал на основе сплава неодим-железо-бор.

В третьей главе произведен выбор методов исследования, разработана математическая модель электромагнитных процессов в ВЭП на базе МЭД, выполненная с использованием малоузловых схем замещения. Для конкретных объектов исследования на основе анализа численных результатов, полученных с помощью разработанного программного продукта и их сравнения с экспериментальными данными проведена проверка адекватности математической модели и сделан вывод о целесообразности ее использования как инструмента для исследования и проектирования ВЭП на базе погружного МЭД для центробежных и винтовых насосов.

Приведена методика оценки теплового состояния электродвигателей на базе эквивалентных тепловых схем замещения.

Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям, выполненным с использованием разработанной математической модели. Проведен сравнительный анализ характеристик и показателей МЭД с магнитными системами различной конфигурации, а также исследование влияния конструктивных параметров отдельных магнитных систем на выходные показатели МЭД.

С помощью разработанной модели приведены результаты электромагнитного расчета погружного МЭД одной из предложенных конструкций. Выявлено, что высокие значения КПД и коэффициента мощности сохраняются во всем диапазоне частот вращения и нагрузок.

Проведена оценка теплового состояния восьмиполюсного погружного МЭД, сделан вывод о его соответствии требованиям по перегреву, проведено сравнение полученных данных с экспериментом. Приемлемая степень адекватности модели говорит о целесообразности ее применения для оценки теплового состояния погружных МЭД.

Даны рекомендации для выбора размеров и параметров магнитных систем погружных МЭД при их применении в нефтедобывающем оборудовании, представляющие практическую ценность при проектировании двигателей данного назначения.

По результатам анализа имеющихся данных проведено сравнение приводов на базе МЭД и АД, находящихся в эксплуатации.

В заключении обобщены основные результаты и сделаны выводы по работе.

Основные положения диссертации освещены в следующих статьях и публикациях:

1. Окунеева Н. А., Соломин А. Н., Русаков А. М. Вентильные электродвигатели в составе нефтедобывающего оборудования // «Электричество», 2008. № 1.-С. 60-65.

2. Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н., Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях // «Вестник МЭИ», 2007. № 3. - С. 33-39.

3. Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Магнитные системы вентильных электродвигателей для погружных насосов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Одиннадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2005. Т. 2. - С. 90.

4. Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Разработка и исследование погружных вентильных индукторных двигателей для нефтедобычи // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. Т. 2.-С. 78-79.

5. Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильных двигателях для нефтедобывающего оборудования // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Тринадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т. 2. - С. 72-73.

6. Окунеева Н. А., Соломин А. Н. Результаты испытания вентильных двигателей специального назначения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов : Тез. докл. : В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. - С. 62-63.

По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименований. Ее содержание изложено на 204 страницах машинописного текста, включая 93 рисунка, 26 таблиц и 4 приложений.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Окунеева, Надежда Анатольевна

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. По результатам сравнительного анализа характеристик и показателей четырехполюсных четырехсекционных погружных МЭД, рассчитанных на мощность 40 кВт (при 3000 об/мин), с магнитными системами различной конфигурации при условии одинаковых тепловых нагрузок, сделан вывод о том, что выходные показатели вентильных электродвигателей зависят большей частью от суммарной массы магнитов и коэффициента рассеяния магнитного потока. При этом все МЭД с рассмотренными вариантами магнитных систем имеют высокий КПД (более 92%) и уровень соэф в пределах 0,95-Н.

2. Проведенные исследования по влиянию ряда геометрических параметров на выходные показатели МЭД на холостом ходу показали, что рациональная толщина магнитов находится в переделах 3,5^-4,5 мм, а величину перемычек и рабочего зазора следует выбирать минимально возможными. Рациональный коэффициент полюсного перекрытия лежит в интервале 0,7-Ю,8.

3. Величина дискретного скоса на роторе МЭД и число сдвигаемых модулей влияют на уровень момента залипания и форму ЭДС. Проведенные исследования показали, что оптимальные значения этих показателей достигаются при угле скоса, равном 0,75 зубц. дел. статора и 4 сдвигаемых модулях.

4. Сделан вывод о нецелесообразности применения радиального намагничивания магнитов в конструкции ротора с дуговыми магнитами, так как это приводит к снижению линейной ЭДС почти на 10%. При равнозначности в технологическом отношении процессов намагничивания магнитов отдано предпочтение осевому намагничиванию.

5. Исследование конструкции с увеличенным немагнитным зазором, образованным при креплении магнитов немагнитным материалом с необходимыми прочностными и температурными свойствами, коэффициентом расширения, сходным со сталью ротора, показало, что применение такого варианта позволило бы упростить конструкцию ротора, а при правильном выборе материала массивной втулки располагать магниты прямо на ней, не используя шихтованного ярма ротора, вследствие отсутствия перемагничивания в роторе. Расчеты показали, что данный технологический прием значительного влияния на форму и уровень ЭДС, в сравнении с базовым вариантом, не оказывает, а также позволяет отказаться от дискретного скоса на роторе, что подтверждено соответствующими осциллограммами.

6. Угол включения фазы оказывает существенное влияние на токи, напряжения и энергетические показатели ВЭП. Разработанная математическая модель позволяет выявить оптимальное значение этого угла.

7. Расчеты, проведенные при разработке серий погружных МЭД для ВЭП УЦН и УВН, подтвержденные при эксплуатации этих двигателей (, показали высокий уровень энергетических показателей разработанных электродвигателей. Для представленного в главе погружного МЭД, принадлежащего серии 1ВЭДБТ-117В5, мощностью 80 кВт, разработанного для ГК «Борец», КПД составил 92+94%, а совф - 0,95+1,0. Высокий уровень этих показателей сохраняется во всем требуемом диапазоне частот вращения (3000+6500 об/мин) и нагрузок, что позволяет расширить диапазон регулирования ВЭП до частоты вращения 7000 об/мин.

8. С помощью расчетной программы, реализующей математическую модель тепловых процессов, для погружного ВД125-117 были проведены расчетные исследования при различных значениях средних длин лобовых частей (£лоб = 100; 200; 300 мм) и коэффициентов «омыва» лобовых частей к011 (0,4+1) при работе двигателя в номинальном режиме, по результатам которых для исследуемого двигателя ВД125-117 при частоте вращения 3000 об/мин рекомендуется принять кол =0,7.

9. Анализ приведенных зависимостей показывает, что температура отдельных его элементов достигает: магнитов - 111°С (перегрев - 16°С); корпуса - 100°С (перегрев - 5°С); лобовой части обмотки - 112°С (перегрев - 17°С); пазовой части обмотки - 113°С (перегрев - 18°С); зубцов статора - 106°С (перегрев - 11°С); спинки статора - 102°С (перегрев - 7°С).

10. При проведении эксперимента по оценке теплового состояния двигателя ВД125-117 в номинальном режиме превышение установившейся температуры пазовой части обмотки двигателя над температурой окружающей среды составило 15-18°С, что говорит о высокой достоверности полученных результатов.

11. Проведенный сравнительный анализ АЭП и ВЭП показал, что ВЭП для погружных установок имеют следующие преимущества:

- высокие значения КПД ВД (более 90%) и coscp (более 0,95);

- пониженное на 15-25% энергопотребление; меньшие в 2 и более раз габариты активной части ВД; более простая реализация управления приводом.

12. Данные рекомендации по выбору размеров и параметров магнитных систем погружных МЭД при их применении в нефтедобывающем оборудовании, представляют практическую ценность при проектировании двигателей данного назначения.

13. Замена асинхронного электродвигателя вентильным в составе привода погружных центробежных и винтовых установок для добычи нефти является перспективным, целесообразным и экономически выгодным решением.

176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с содержанием поставленной цели и задач в данной диссертационной работе:

1. На основе анализа условий работы и требований, предъявляемые к приводу для погружных электронасосов, и проведенного сравнения ВЭП с АЭП, применяемым на практике, обоснована целесообразность применения ВЭП с погружным МЭД для нефтедобывающих установок центробежных и винтовых насосов.

2. Разработаны рациональные конструкции магнитных систем электродвигателя погружного исполнения для центробежных и винтовых насосов, обладающие хорошей технологичностью изготовления и высокими энергетическими показателями.

3. Разработаны математическая модель электромагнитных процессов и схемы замещения выбранных магнитных систем для исследования и проектирования погружных МЭД, учитывающие их конструктивные особенности и алгоритмы управления ВЭП, позволяющие с малыми затратами времени и приемлемой точностью рассчитывать выходные показатели и характеристики ВЭП. Проверка адекватности разработанной модели показала, что расхождение по выходным показателям ВЭП составляет не более 7%.

4. С использованием разработанной математической модели впервые в мире спроектированы и исследованы погружные МЭД предложенных конструкций для ВЭП с бездатчиковым способом управления.

5. Разработаны серии погружных МЭД для ВЭП УЦН и УВН, подтвердившие результаты расчетов и показавшие при эксплуатации высокий уровень энергетических показателей (КПД - 9СН-94%, соБср - 0,95^-1,0), сохраняющийся в требуемом диапазоне частот вращения и нагрузок.

6. Дана оценка тепловому состоянию ВЭП на базе МЭД с учетом условий эксплуатации и особенностей погружного исполнения, сделан вывод о соответствии проектируемых погружных ВЭП требованиям по перегреву.

Тепловые расчеты показали хорошее совпадение с экспериментом, что говорит о высокой достоверности полученных результатов.

7. Даны рекомендации для выбора конструктивных решений, размеров магнитных систем, электромагнитных параметров погружного МЭД с учетом особенностей применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Окунеева, Надежда Анатольевна, 2008 год

1. Байбаков Н. К., Абызбаев Б. И. Проблемы электробурения и возможные пути их решения // «Нефтяное хозяйство», 1996. № 5.

2. Абызбаев Б. И., Байбаков Н. К., Байдюк Б. В., Цыганенко С. М. Эффективность бурения на основе комплексного использования электрической энергии при проводке скважин // «Бурение», 2000, №№ 1-2.

3. Байбаков Н. К. Насущные вопросы электробурения // «Нефтяное хозяйство», 1996. № 5.

4. Кузьмичев Н. П. Пути решения основных проблем механизированной добычи нефти // «Территория нефтегаз», 2005. № 9, 10.

5. Нефть новой России. Ситуация, проблемы, перспективы / Общ. ред. В. Ю. Александров, Российская академия естественных наук (РАЕН). — М. : Древлехранилище, 2007. 688 с.

6. ГОСТ 18058-80. Двигатели трехфазные асинхронные короткозамкну-тые погружные серии ПЭД. Взамен ГОСТ 18058-72 ; Введ.01.07.81 до 01.01.90. -М. : Изд-во стандартов, 1987. - 47 с.-ГруппаЕ61.

7. ГОСТ 30195-94. Электродвигатели асинхронные погружные. Общие технические условия. Введ.01.07.96. Мн. : Изд-во стандартов, 1996. - 35 с.

8. Гинзбург М. Я., Павленко В. И. Новый высокоэффективный привод для погружных центробежных и винтовых насосов // «Технологии ТЭК», 2004. №6.

9. Гинзбург М. Я., Павленко В. И. Вентильные приводы УЭЦН- энергоэффективная техника нефтедобычи» // «Технологии ТЭК», 2006. №8.

10. Сагаловский В. И. Неоспоримые преимущества // «Нефть России», 2006. №12.

11. Ивановский В. Н. Современные скважинные насосные установки для добычи нефти области и перспективы применения // «Территория нефтегаз», 2004. №6.

12. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы / А. А. Ломакин . 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение, 1966. - 364 с.

13. Альтшуллер М. И., Аристов Б. В. и др. Регулируемый электропривод с вентильным двигателем для погружных насосов нефтяных скважин // «Электротехника», 2001. №2.

14. Фоменко Ф. Н. Бурение скважин электробуром. — М.: Недра, 1974. —272 с.

15. Радин В. И. Электрические машины : Асинхронные машины : Учебник для электромеханических специальностей вузов / В. И. Радин, Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, Ред. И. П. Копылов. М. : Высшая школа, 1988 . -328 с.

16. Гинзбург М. Я., Сагаловский В. И. Привод УЭЦН на основе вентильного двигателя. Тезисы доклада VI горно-геологического форума. С-Пб. 17-18 ноября 1998 г., 134-135 с.

17. Аракелян А. К. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. В 2-х кн.Кн.1. Вентильные электрические машины / А. К. Аракелян, А. А. Афанасьев. М. : Энергоатомиздат, 1997. - 509 с.

18. Сабинин Ю. А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю. А. Сабинин, В. JI. Грузов. JL : Энергоатомиздат, 1985. - 128 с.

19. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И. Е. Овчинников : Курс лекций. — СПб. : КОРОНА-Век, 2007. 336 с. : ил.

20. Аракелян А. К. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором / А. К. Аракелян, А. А. Афанасьев, М. Г. Чиликин, Ред. М. Г. Чиликин. М. : Энергия, 1977. - 224 с.

21. Мишин Д. Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие. М. : Высш. школа, 1981 - 335 с. : ил.

22. Постоянные магниты : Справочник / А. Б. Альтман, и др., Ред. Ю. М. Пятин . 2-е изд., доп. и перераб. — М. : Энергия, 1980. — 488 с.

23. Сливинская А. Г. Постоянные магниты / А. Г. Сливинская, А. В. Гордон. -М. : Энергия, 1965. 128 с.

24. Дианов А.Н., Козаченко В.Ф., Остриров В.Н., Русаков A.M. Бездатчи-ковая система управления вентильным двигателем // IV Международная (XV Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу, 14-17 сентября 2004 г., Магнитогорск.

25. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины : Учеб. пособие для электромеханических электроэнергетических спец. втузов. — М. : Высшая школа, 1985. 255 с. : ил.

26. Бесконтактные двигатели постоянного тока. / И. Е. Овчинников, Н. И. Лебедев. Л. : Наука, 1979. - 270 с. : ил.

27. Гинзбург М. Я., Павленко В. И. История одного изобретения // «Нефтегазовая вертикаль», 2006. №12.

28. Балагуров В. А., Гридин В. М., Лозенко В. К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М. : Энергия, 1975. - 128 с.

29. В. А. Балагуров, Ф. Ф. Галтеев, Л. А. Ларионов. Электрические машины с постоянными магнитами / Ред. Ф. М. Юферов. М. - Л. : Изд-во «Энергия», 1964. - 480 с. : ил.

30. Ледовский А. H. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. -М. : Энергоатомиздат, 1985. 168 с. : ил.

31. Безредукторный автоматизированный электропривод с вентильными двигателями. М. : Изд-во МЭИ, 1991. - 240 с. : ил.

32. Основы автоматизированного электропривода. : Учеб. пособие для вузов / М. Г. Чиликин, M. М. Соколов, В. М. Терехов, А. В. Шинянский М. : «Энергия», 1974. - 568 с. : ил.

33. Системы автоматизированного управления электроприводами : Учеб. пособие / Г. И. Гульков, Ю. Н. Петренко, Е. П. Раткевич, О. Л. Симоненкова; Под общ. ред. Ю. Н. Петренко. Мн. : Новое знание, 2004. - 384с. : ил.

34. Санталов А. М., Иванов А. А. и др. Погружной электропривод с одно-проводной линией питания : Материалы XII всероссийской технологической конференции «Производство и эксплуатация установок электроцентробежных насосов». Алметьевск, 1997г.

35. Lawrenson P. J., Stephenson J. M. et al. Variable-speed Switched Reluctance Motors // IEE Proc., vol. 127, Pt. В N4, June 1980. P. 253 265 p.

36. Electronic Control of Switched Reluctance Machines / Edited by T. J. E. Miller. Newnes, 2001, 272 p.,

37. Кононенко E. В. Синхронные реактивные машины / E. В. Кононенко. M. : Энергия, 1970 . - 208 с.

38. Вентильно-индукторный электропривод. Доклады научно-практического семинара. М. : Издательство МЭИ, 2006. - 112 с.

39. В. А. Балагуров, Ф. Ф. Галтеев Электрические генераторы с постоянными магнитами / Ред. Н. 3. Мастяев. М. : Энергоатомиздат, 1988. - 280 с. : ил.

40. Балагуров В. А. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами / В. А. Балагуров, В. М. Гридин, В. К. Лозенко. М. : Энергия, 1975 . - 128 с.

41. А. с. 797006 СССР, МКИ3 Н 02 К 21/14. Индуктор электрической машины Текст. / В. В. Хрущев, В. П. Ерунов (СССР) ; Оренбургский политехнический институт. № 3809175/24-07 ; заявл. 17.10.84 ; опубл. 23.08.86, Бюл. №31.-2 с. : ил.

42. А. с. 543100 СССР, МКИ3 Н 02 К 21/00. Ротор магнитоэлектрической машины Текст. / Ф. Г. Тимершин, В. А. Зарипов, И. И. Рахматуллин (СССР) ;

43. Уфимский ордена Ленина авиационный институт им. Серго Орджоникидзе. -№ 3885110/24-07 ; заявл. 17.04.85 ; опубл. 23.10.86, Бюл. № 39. -2с.: ил.

44. А. с. 904129 СССР, МКИ3 Н 02 К 21/14. Ротор электрической машины Текст. / А. И. Лоскутников (СССР) № 2888392/24-07 ; заявл. 29.02.80 ; опубл. 07.02.82, Бюл. № 5. - 4 с. : ил.

45. Pat. US 6,909,216 В2. Motor generator / Naoyuki Kadoya, Sakai (JP); Ya-suhiro Kondo, Hirakata (JP); Satoahi Tamaki (JP) № 10/487,943 ; May 26, 2003 ; Dec. 4, 2003, W003/100949. - 31 p. : fig.

46. Стадник И. П., Гриднев А. И., Клевец Н. И., Келин Н. А., Горская Л. К. Синтез и оптимизация сборных роторов из высококоэрцитивных постоянных магнитов и систем для их намагничивания // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1987. № 6. С. 121-128

47. Нестерин В. А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. -М. : Энергоатомиздат, 1986. 88 с. : ил.

48. Орлов И. Н., Маслов С. И. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств : Учеб. пособие для вузов. М. : Энергоатомиздат, 1989. - 296 с. : ил.

49. Расчет электрических цепей и электромагнитных полей на ЭВМ / М. Г. Алевсандрова, А. Н. Белянин, В. Брюкнер и др. : Под ред. JI. В. Данилова, Е. С. Филиппова. М.: Радио и связь, 1983. - 344 с. : ил.

50. Чуа JI. О., Пен-Мин Лиин Машинный анализ электронных схем : Алгоритмы и вычислительные методы. Пер. с англ. М. : Энергия, 1980. - 640 с. : ил.

51. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. Учебник для вузов по специальности «Электромеханика». 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Высш. шк., 1994. -318с. : ил.

52. Сипайлов Г. А. Математическое моделирование электрических машин (АВМ) : Учебное пособие для вузов по специальности "Электрические машины" / Г. А. Сипайлов, А. В. Лоос. М. : Высш. школа, 1980. - 176 с.

53. Численные методы анализа электрических машин / Ред. Я. Б. Даниле-вич. Л. : Наука : Ленинградское отделение, 1988. - 224 с. : ил.

54. Сильвестер П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков : пер. с англ. / П. Сильвестер, Р. Феррари. -М. : Мир, 1986. 229 с.

55. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. -М. : Мир, 1986. 318 с. : ил.

56. Плахтына Е. Г. Математическое моделирование электромашинно-вентильных систем. Львов : Вища шк. / Изд-во при Львов, ун-те, 1986. - 164с. : ил.

57. Фильц Р. В. Математические основы теории электромеханических преобразователей. Киев : Наукова думка, 1979.

58. Чабан В. И. Методы анализа электромеханических систем. — Львов : Вища шк. / Изд-во при Львов, ун-те, 1985.

59. Самарский А. А. Численные методы математической физики / А. А. Самарский, А. В. Гулин. М. : Научный мир, 2000. - 316 с.

60. Амосов А. А., Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров : Учеб. пособие. — М. : Высш. школа, 1994. 544 с. : ил.

61. Татур Т. А. Основы теории цепей (справочное пособие) : Учеб. пособие. М. : Высш. школа, 1980. - 271 с. : ил.

62. Robert Pohl «Theory of pulsating-field machines», Electrical Engineering Department, Bimingham University, 1945, 37 p.

63. Иванов-Смоленский А. В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах : Учеб. пособие для вузов по спец. «Электромеханика». -М. : Высш. школа, 1989. 312 с. : ил.

64. А. В. Иванов-Смоленский, Ю. В. Абрамкин, А. И. Власов и др. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрическихмашинах / Ред. А. В. Иванов-Смоленский. М. : Атомэнергоиздат, 1986. - 216 с. : ил.,

65. Pohl R. Theory of the pulsating field machines. Journ. IEE., vol 93, part 2, 1946, N31.

66. Хейгеман JI., Янг Д. Прикладные итерационные методы : Пер. с англ. -М. : Мир, 1986.-448 с.

67. Окунеева Н. А., Русаков А. М., Соломин А. Н., Шатова И. В. Математическая модель электромагнитных процессов в вентильном двигателе // «Вестник МЭИ», 2007. №3

68. Коричнев Л. П., Чистякова В. И. Фортран : Учеб. пособие для сред, спец. учеб. заведений и инж.-техн. работников. М. : Высш. школа, 1989. — 160 с. : ил. - (Алгоритмические языки в техникуме)

69. Гольдберг О. Д. Испытание электрических машин. Учеб для вузов. -2-е изд., испр. М. : Высш. школа, 2000. - 255 с. : ил.

70. ELCUT. Руководство пользователя. ПК ТОР. С-Пб., 1989-2005, http: //elcut.ru

71. Нестационарные тепловые расчеты в электрических машинах. Беспалов В. Я., Дунайкина Е. А., Мощинский Ю. А./Под ред. Б. К. Клокова. М.: МЭИ, 1987. -72 с.

72. Нагрев и охлаждение электрооборудования летательных аппаратов. Н. 3. Мастяев, И. Н. Орлов.- М.: Моск.энерг.ин-т, 1995.

73. Борисенко А. И. и др. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М., «Энергия», 1974.- 560 с.

74. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

75. Счастливый Г. Г. и др. Погружные асинхронные электродвигатели/ Г.Г.Счастливый, В.Г. Семак, Г.М. Федоренко. М.: Энергоатомиздат, 1983.168 с.

76. Переходные процессы с электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования : Учеб. пособие для вузов / О. Д. Гольдберг, О. Б. Буль,

77. И. С. Свириденко, С. П. Хелемская ; Под ред. Гольдберга О. Д. М. : Высш. школа, 2001. - 512 с. : ил.

78. Арнольд Р. Р. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами. М. : Энергия, 1969. - 184 с. : ил.

79. Проектирование электрических машин : Учеб. пособие для вузов / И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др. ; Под ред. И. П. Копылова. М. : Энергия, 1980. - 196 с. : ил.

80. Захаренко А. Б. Проектирование погружного электродвигателя с сосредоточенной обмоткой статора // «Электротехника», 2005. № 1.