Цилиндрические линейные асинхронные двигатели для привода погружных плунжерных насосов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Соколов, Виталий Вадимович

• Соколов, Виталий Вадимович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколов, Виталий Вадимович

ВВЕДЕНИЕ.

• 1. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЛИНЕЙНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

• ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЛАД.

2.1. Методики электромагнитного расчета ЦЛАД.

2.1.1. Электромагнитный расчет ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников.

2.1.2. Электромагнитный расчет ЦЛАД методом конечных элементов.

Ф 2.2. Методика расчета циклограмм работы ЦЛАД.

2.3. Методика расчета теплового состояния ЦЛАД.

3. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ИСПОЛНЕНИЙ ЦЛАД ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ НАСОСОВ.

3.1. ЦЛАД с внутренним расположением вторичного элемента.

3.2. Обращенный ЦЛАД с подвижным индуктором.

3.3. Обращенный ЦЛАД с неподвижным индуктором.

• 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИ

СТИК ЦЛАД.

4.1.Оценка возможностей улучшения характеристик ЦЛАД с мас-^ сивным вторичным элементом при низкочастотном питании.

4.2. Анализ влияния величины открытия паза индуктора на показатели ЦЛАД.

4.3. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели ЦЛАД с внутренним расположением вторичного элемента.

4.4. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели обращенного ЦЛАД с подвижным индуктором.

4.5. Исследование влияния толщины слоев комбинированного ВЭ на показатели обращенного ЦЛАД с неподвижным индуктором.

4.6. Исследование энергетических показателей ЦЛАД при работе в возвратно-поступательном режиме.

5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ЦЛАД ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ.

5.1. Анализ и сравнение технико-экономических показателей ЦЛАД.

5.2. Сравнение теплового состояния ЦЛАД.

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. ц

6.1 .Экспериментальные исследования ЦЛАД. НО

6.2.Создание стенда для испытания линейного электропривода на основе ЦЛАД.

6.3.Разработка опытно-промышленного образца ЦЛАД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ПЕРЕЧЕНЬ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цилиндрические линейные асинхронные двигатели для привода погружных плунжерных насосов»

Цилиндрические линейные асинхронные двигатели (ЦЛАД), называемые иногда коаксиальными, могут составлять основу электроприводов возвратно-поступательного движения, как альтернативы приводам с механическими преобразователями вида движения (типа винт-гайка или шестерня-рейка), а также пневматическим и, в ряде случаев, гидравлическим приводам. По сравнению с указанными типами приводов линейные электроприводы с непосредственной передачей электромагнитного усилия подвижному элементу обладают лучшими регулировочными свойствами, повышенной надежностью, требуют меньших эксплуатационных затрат. Как следует из литературных источников [1,3,4,18], ЦЛАД находят применение при создании электроприводов целого ряда производственных механизмов: коммутационной аппаратуры (например, разъединителей в системах электроснабжения метрополитенов); толкателей или сбрасывателей, используемых в поточных линиях; плунжерных или поршневых насосов, компрессоров; раздвижных дверей и оконных фрамуг цехов или теплиц; различных манипуляторов; шиберов и заслонок; метательных устройств; механизмов ударного действия (отбойные молотки, пробойники) и т. п. Указанные возможности линейных электроприводов поддерживают устойчивый интерес к их разработке и исследованию. В большинстве случаев ЦЛАД работают в кратковременных режимах работы. Такие двигатели можно рассматривать не как преобразователи энергии, а как преобразователи силы. При этом такой показатель качества, как коэффициент полезного действия отходит на второй план. В то же время в циклических электроприводах (приводы насосов, компрессоров, манипуляторов, отбойных молотков и т.п.) двигатели работают в повторно-кратковременных и продолжительных режимах. В этих случаях задача повышения технико-экономических показателей линейного электропривода на основе ЦЛАД становится актуальной.

В частности, одним из востребованных применений ЦЛАД является использование их в насосных агрегатах для подъема нефти из скважин. В настоящее время для этих целей используются преимущественно два способа механизированной добычи нефти:

1. Подъем с помощью установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).

2. Подъем с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).

Погружные электроцентробежные насосы с приводом от высокоскоростных погружных асинхронных или вентильных двигателей используются для добычи нефти из скважин с высоким дебитом (25 м /сут и выше). Однако количество скважин с высоким избыточным давлением с каждым годом становится все меньше. Активная эксплуатация высокодебитных скважин приводит к постепенному уменьшению их дебита. При этом производительность насоса становится избыточной, что приводит к падению уровня пластовой жидкости в скважине и аварийным ситуациям (сухой ход насоса). При л падении дебита ниже 25 м /сут вместо погружных электроцентробежных насосов устанавливают штанговые глубинные насосы с приводом от станков-качалок, которые на сегодняшний день получили основное распространение. Постоянно растущее количество скважин с малым и средним дебитом еще больше увеличивает их долю в общем фонде оборудования для добычи нефти.

Установка штангового глубинного насоса состоит из наземного балан-сирного станка-качалки и погружного плунжерного насоса. Связь качалки с плунжером осуществляется штангой, длина которой 1500—2000 м. Для придания штангам возможно большей жесткости их изготавливают из специальных сталей. Установки ШГН и станки-качалки получили широкое распространение благодаря простоте обслуживания. Однако добыча таким способом имеет очевидные недостатки:

• Износ насосно - компрессорных труб и штанг, обусловленный трением их поверхностей.

• Частые обрывы штанг и малый межремонтный ресурс (300-350 суток).

• Низкие регулировочные свойства штанговых насосных агрегатов и связанная с этим необходимость использования нескольких типоразмеров станков - качалок, а также трудности, возникающие при изменении дебита скважин.

• Большие габариты и масса станков - качалок и штанг, затрудняющие их транспортировку и монтаж.

Указанные недостатки обуславливают поиск технических решений по созданию бесштанговых глубинно - насосных установок. Одним из таких решений является применение глубинных насосов плунжерного типа с приводом на основе линейных асинхронных двигателей. В этом случае исключаются штанги и качалки, предельно упрощается механическая часть. Подачу питания к таким двигателям на глубину 1,5—2,0 км можно осуществить кабелем, подобно тому, как это выполнено в электробурах и центробежных погружных насосах.

В 70-80-х годах прошлого века на волне общего всплеска интереса к линейным двигателям в Советском Союзе проводились исследования и разработки бесштанговых глубинно-насосных установок на основе цилиндрических ЛАД. Основные разработки велись в институте ПермНИПИнефть (г. Пермь) [8-13, 31-32, 40-41, 49-54], Особом конструкторском бюро линейных электродвигателей (г. Киев) [4,7], институте электродинамики АН УССР (г. Киев) [14, 33,43,55] и СКВ магнитной гидродинамики (г. Рига) [34-35]. Несмотря на большое количество технических решений в этой области практического применения эти установки не получили. Основной причиной этого были низкие удельные и энергетические показатели цилиндрических ЛАД, причина которых заключалась в невозможности обеспечения скорости бегущего поля 2-3 м/с при питании от промышленной частоты 50 Гц. Эти двигатели имели синхронную скорость бегущего поля 6-8 м/с и при работе на скорости движения 1-2 м/с имели повышенное скольжение s=0.7-0.9, что сопровождалось высоким уровнем потерь и низким КПД. Для уменьшения скорости бегущего поля до 2-3 м/с при питании от частоты 50 Гц необходимо уменьшать толщину зубцов и катушек до 3-5 мм, что является неприемлемым из соображений технологичности и надежности конструкции. В связи с этими недостатками исследования в этом направлении были свернуты.

Тема о возможности улучшения показателей цилиндрических ЛАД для привода глубинных насосов при питании от источника пониженной частоты была затронута в публикациях тех лет [1,4], но исследований в этом направлении не проводились. Массовое распространение частотно-регулируемого электропривода в настоящее время и тенденции непрерывного снижения стоимости и массо-габаритных показателей современной полупроводниковой техники делает актуальными исследования в области улучшения показателей низкоскоростных ЦЛАД. Улучшение энергетических и удельных показателей ЦЛАД за счет снижения скорости бегущего поля при питании от преобразователя частоты позволяет снова вернуться к проблеме создания бесштанговых глубинно-насосных установок и, возможно, обеспечить их практическое внедрение. Особенную актуальность этой теме придает тот факт, что в настоящее время в России более 50% фонда скважин заброшено из-за уменьшения дебита. Установка станков-качалок в скважинах с производительностью менее 10 м3/сут оказывается экономически невыгодной из-за высоких эксплуатационных затрат. С каждым годом количество таких скважин только растет, а альтернативы установкам ШГН до сих пор не создано. Проблема эксплуатации малодебитных скважин сегодня является одной из самых насущных в нефтяной отрасли.

Особенности электромагнитных и тепловых процессов в рассматриваемых двигателях связаны, прежде всего, с ограничением наружного диаметра ЦЛАД, определяемого размерами обсадных труб, и специфическими условиями охлаждения активных частей машины. Востребованность цилиндрических ЛАД потребовала разработки новых конструкций двигателей и развития теории ЦЛАД на основе современных возможностей компьютерного моделирования.

Целью диссертационной работы является повышение удельных показателей и энергетических характеристик цилиндрических линейных асинхронных двигателей, разработка ЦЛАД с улучшенными характеристиками для привода погружных плунжерных насосов.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Математическое моделирование ЦЛАД с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур (Е-Н-четырехполюсников) и метода конечных элементов в двухмерной постановке задачи (с учетом осевой симметрии).

2. Исследование возможностей улучшения характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты.

3. Исследование влияния ограниченной толщины вторичного элемента и толщины высокопроводящего медного покрытия на показатели ЦЛАД.

4. Разработка и сравнение конструкций ЦЛАД для привода погружных плунжерных насосов.

5. Математическое моделирование тепловых процессов ЦЛАД с использованием метода конечных элементов.

6. Создание методики расчета циклограмм и результирующих показателей ЦЛАД, работающего в составе погружной установки с плунжерным насосом.

7. Экспериментальное исследование цилиндрических ЛАД.

Методы исследования. Решение поставленных в работе расчетнотеоретических задач проведено с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур и метода конечных элементов, основанных на теории электромагнитного и теплового полей. Оценка интегральных показателей проведена с использованием встроенных возможностей пакетов расчета методом конечных элементов FEMM 3.4.2 и Elcut 4.2 Т. В методике расчета циклограмм используются дифференцильные уравнения механического движения, оперирующие со статическими механическими характеристиками двигателя и нагрузочными характеристиками приводимого в движение объекта. В методике теплового расчета используются методы определения квазистационарного теплового состояния с использованием приведенных усредненных объемных потерь. Реализация разработанных методик осуществлена в математической среде Mathcad 11 Enterprise Edition. Достоверность математических моделей и результатов расчета подтверждается сопоставлением расчетов по разным методикам и расчетных результатов с экспериментальными данными опытного ЦЛАД.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложены новые конструкции ЦЛАД, выявлены особенности электромагнитных процессов в них;

• разработаны математические модели и методики расчета ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников и методом конечных элементов с учетом особенностей новых конструкции и нелинейности магнитных характеристик материалов;

• предложен подход к исследованию характеристик ЦЛАД на основе последовательного решения электромагнитных, тепловых задач и расчета циклограмм работы двигателя в составе насосного агрегата;

• выполнено сопоставление характеристик рассмотренных конструкций ЦЛАД, показаны преимущества обращенных вариантов.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

• выполнена оценка характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты, показан уровень частоты, рациональный для погружных ЦЛАД. В частности, показано, что уменьшение частоты скольжения менее 45 Гц не целесообразно из-за увеличения глубины проникновения поля и ухудшения характеристик ЦЛАД в случае использования ограниченной толщины ВЭ;

• выполнен анализ характеристик и сравнение показателей различных конструкций ЦЛАД. Для привода погружных плунжерных насосов рекомендована обращенная конструкция ЦЛАД с подвижным индуктором, обладающая наилучшими показателями среди других вариантов;

• реализована программа расчета необращенной и обращенной конструкций ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников с возможностью учета реальной толщины слоев ВЭ и насыщения стального слоя;

• созданы сеточные модели более 50 вариантов ЦЛАД для расчета методом конечных элементов в пакете FEMM 3.4.2, которые могут использоваться в проектной практике;

• создана методика расчета циклограмм и показателей привода погружных насосных агрегатов с ЦЛАД в целом.

Реализация работы. Результаты НИР переданы для использования в разработках ООО НПФ «Битек». Программы расчета ЦЛАД используются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» Уральского государственного технического университета - У ПИ.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на:

• НПК «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2002, 2004);

• 7-й НПК «Энергосберегающие техника и технологии» (Екатеринбург, 2004);

• IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, 2004);

• Всероссийском электротехническом конгрессе (Москва, 2005);

• отчетных конференциях молодых ученых УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003-2005).

1. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЛИНЕЙНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПРИВОДА ПОГРУЖНЫХ ПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основу линейных электроприводов погружных плунжерных насосов составляют цилиндрические линейные асинхронные двигатели (ЦЛАД), основными достоинствами которых являются: отсутствие лобовых частей и потерь в них, отсутствие поперечного краевого эффекта, геометрическая и электромагнитная симметрия. Поэтому представляют интерес технические решения по разработке подобных ЦЛАД, используемых для других целей (приводы разъединителей, толкателей и.т.п) [2-7,15-16,38-39,44-48]. Кроме того, при системном решении вопроса создания глубинно-насосных агрегатов с ЦЛАД помимо конструкций насосов и двигателей следует рассматривать технические решения по управлению и защите электроприводов.

В [4] рассматривается наиболее простой вариант конструктивного исполнения системы ЦЛАД - плунжерный насос. Плунжерный насос в сочетании с линейным асинхронным двигателем (рис. 1.1,а) представляет собой плунжер 6, который связан тягой 5 с подвижной частью 4 линейного двигателя. Последняя, взаимодействуя с индуктором 3 с обмотками 2, присоединенными кабелем 1 к источнику питания, создает силу, поднимающую или опускающую плунжер. При движении вверх плунжера, расположенного внутри цилиндра 9, нефть всасывается через клапан 7.

При подходе плунжера к верхнему положению, изменяется чередование фаз, и подвижная часть линейного двигателя вместе с плунжером опускается вниз. При этом нефть, находящаяся внутри цилиндра 9, через клапан 8 проходит во внутреннюю полость плунжера. При дальнейшем изменении чередования фаз подвижная часть перемещается попеременно вверх и вниз и при каждом такте поднимает вверх порцию нефти. Из верхней части трубы нефть поступает в накопительный бак для дальнейшей транспортировки. Далее цикл повторяется, и при каждом такте наверх поднимается порция нефти.

Аналогичное решение, предложенное институтом ПермНИПИнефть и описанное в [8-10], показано на рис. 1.1,6.

Для увеличения производительности насосных установок на основе ЦЛАД разработаны агрегаты двойного действия [10-11, 31]. Например, на рис. 1.1,в показан глубинно-насосный агрегат двойного действия [10-11]. Насос располагается в нижней части агрегата. В качестве рабочих полостей насоса использована как бесштоковая область, так и штоковая. При этом в поршне размещен один нагнетательный клапан, последовательно работающий на обе полости.

Главной конструктивной особенностью скважинных насосных установок является ограниченный диаметр скважины и обсадной трубы, не превышающий 130 мм. Для обеспечения требуемой для поднятия жидкости мощности общая длина установки, включающая в себя насос и погружной двигатель, может достигать 12 метров. Длина погружного двигателя может превышать его внешний диаметр в 50 раз и более. Для вращающихся асинхронных двигателей эта особенность определяет сложности с укладкой обмотки в пазы такого двигателя. В ЦЛАД обмотка выполняется из обычных кольцевых катушек, а ограниченность диаметра двигателя приводит к трудностям в изготовлении магнитопровода индуктора, который должен иметь направление шихтовки параллельное оси двигателя.

Ранее предлагавшиеся решения были основаны на применении в насосных агрегатах ЦЛАД традиционной необращенной конструкции, в которых вторичный элемент расположен внутри индуктора. Такая конструкция в условиях ограниченного внешнего диаметра двигателя определяет малый диаметр вторичного элемента и, соответственно, малую площадь активной поверхности двигателя. Вследствие этого такие двигатели имеют невысокие удельные показатели (механическая мощность и тяговое усилие на единицу длины). К этому добавляются проблемы изготовления магнитопровода индуктора и сборки всей конструкции такого двигателя. а 6 в

Рис. 1.1. Варианты исполнения погружных насосных установок с ЦЛАД 1 ----:

Рис. 1.2. Схемы конструктивного исполнения ЦЛАД: а - традиционный, б - обращенный

В условиях ограниченного внешнего диаметра корпуса погружного ЦЛАД существенное увеличение удельных показателей может быть достигнуто применением «обращенной» схемы «индуктор - вторичный элемент» (рис. 1.2,6), при которой вторичная часть охватывает индуктор. При этом возможно увеличение объема электромагнитного ядра двигателя при том же диаметре корпуса, благодаря чему достигается значительное увеличение удельных показателей по сравнению с необращенной конструкцией при равных значениях токовой нагрузки индуктора.

Трудности, связанные с изготовлением магнитопровода вторичного элемента ЦЛАД из листовой электротехнической стали с учетом указанных соотношений диаметральных размеров и длины, делают предпочтительным использование массивного стального магнитопровода, на который наносится высокопроводящее (медное) покрытие. В этом случае появляется возможность использовать в качестве магнитопровода стальной корпус ЦЛАД.

При этом обеспечивается наибольшая площадь активной поверхности ЦЛАД. Кроме этого, потери, выделяющиеся во вторичном элементе, поступают непосредственно в охлаждающую среду. Так как работа в циклическом режиме характеризуется наличием участков разгона с повышенными скольжениями и потерями во вторичном элементе, эта особенность также играет положительную роль. Исследование литературных источников показывает, что обращенные конструкции ЛАД изучены значительно меньше, чем необращенные. Поэтому исследование подобных конструкций с целью улучшения показателей ЦЛАД, в частности для привода погружных плунжерных насосов, представляется актуальным.

Одним из главных препятствий на пути распространения цилиндрических линейных двигателей является проблема обеспечения приемлемых показателей при питании от стандартной промышленной частоты 50 Гц. Для применения ЦЛАД в качестве привода плунжерного насоса, максимальная скорость движения плунжера должна составлять 1-2 м/с. Синхронная скорость линейного двигателя зависит от частоты сети и от величины полюсного деления, которое в свою очередь зависит от ширины зубцового деления и числа пазов на полюс и фазу:

Гс=2./Гг, где т = 3-q-t2. (1.1)

Как показывает практика, при изготовлении ЛАД с шириной зубцового деления меньше 10-15 мм возрастает сложность изготовления и падает надежность. При изготовлении индуктора с числом пазов на полюс и фазу q=2 и выше синхронная скорость ЦЛАД на частоте 50 Гц будет составлять 6-9 м/с. Учитывая, что из-за ограниченной длины хода максимальная скорость подвижной части не должна превышать 2 м/с, такой двигатель будет работать с высокими значениями скольжения, а, следовательно, с низким КПД и в тяжелом тепловом режиме. Для обеспечения работы при скольжениях s<0.3 необходимо выполнять ЦЛАД с полюсным делением т<30 мм. Уменьшение полюсного деления кроме технологических проблем ведет к ухудшению показателей двигателя из-за роста намагничивающего тока. Для обеспечения приемлемых показателей таких ЦЛАД воздушный зазор должен составлять 0.1-0.2 мм [1]. При увеличении зазора до технологически приемлемых значений 0.4-0.6 мм рост намагничивающего тока приводит к значительному снижению усилия и технико-экономических показателей ЦЛАД.

Основным способом, позволяющим улучшить характеристики ЦЛАД, является его питание от регулируемого преобразователя частоты. При этом линейный двигатель можно спроектировать на наиболее выгодную для установившегося движения частоту. Кроме этого, изменяя частоту по требуемому закону, при каждом пуске двигателя можно значительно уменьшить потери энергии на переходные процессы, а при торможении возможно использование рекуперативного метода торможения, улучшающего общие энергетические характеристики привода. В 70-80-е годы применение регулируемого преобразователя частоты для управления погружными установками с линейными электродвигателями сдерживалось недостаточным уровнем развития силовой электроники. В настоящее время массовое распространение полупроводниковой техники позволяет реализовать эту возможность.

При разработке новых вариантов погружных установок с приводом от линейного двигателя реализация совмещенных конструкций насоса и двигателя, предлагавшихся в 70-х годах и показанных на рис. 1.1 трудновыполнима. Новые установки должны иметь раздельное выполнение ЛАД и плунжерного насоса. При расположении плунжерного насоса над линейным двигателем во время работы обеспечивается поступление пластовой жидкости в насос через кольцевой канал между ЛАД и обсадной трубой, благодаря чему осуществляется принудительное охлаждение ЛАД. Установка такого плунжерного насоса с приводом от линейного двигателя практически идентична установке электроцентробежных насосов с приводом от погружных асинхронных электродвигателей. Схема такой установки приведена на рис. 1.3. В состав установки входят: 1- цилиндрический линейный двигатель, 2 - гидрозащита, 3 ~ плунжерный насос, 4-обсадная труба, 5 - насосно-компрессорная труба, 6 - кабельная линия, 7 - оборудование устья скважины, 8 - выносной пункт подключения кабеля, 9 - комплектное трансформаторное устройство, 10 - станция управления двигателем.

Подведя итог, можно сказать, что разработка погружных плунжерных насосов с линейным электроприводом остается актуальной задачей, для решения которой необходимо разрабатывать новые конструкции двигателей и исследовать возможности повышения их показателей за счет рационального выбора частоты питания, геометрических размеров электромагнитного ядра и вариантов охлаждения двигателя. Решение этих задач особенно применительно к новым конструкциям требует создания математических моделей и методик расчета двигателей.

При разработке математических моделей ЦЛАД автор опирался как на ранее разработанные подходы [1, 23, 25], так и на возможности современных пакетов прикладных программ.

Рис. 1.3. Схема погружной установки с ЦЛАД

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Соколов, Виталий Вадимович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании обзора литературы и патентных источников, учитывая имеющийся опыт использования цилиндрических линейных двигателей для привода глубинных плунжерных насосов, показана актуальность научно-исследовательских работ, направленных на совершенствование конструкций и оптимизацию характеристик ЦЛАД.

2. Показано, что использование для питания ЦЛАД преобразователя частоты, а также разработка новых конструкций позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели ЦЛАД и обеспечить их успешное промышленное внедрение.

3. Разработаны методики электромагнитного расчета ЦЛАД методом Е-Н-четырехполюсников и методом конечных элементов с учетом нелинейности магнитных характеристик материалов и особенностей новых конструкций ЦЛАД, прежде всего, ограниченной толщины массивного ВЭ.

4. Создана методика расчета циклограмм работы и энергетических показателей ЦЛАД, а также теплового состояния двигателя при работе в возвратно-поступательном режиме.

5. Выполнены систематические исследования влияния на характеристики ЦЛАД с массивным ВЭ частоты скольжения, величины полюсного деления, зазора, токовой нагрузки, ограниченной толщины ВЭ и толщины высокопроводящего покрытия. Показано влияние ограниченной толщины ВЭ и высокопроводящего покрытия на показатели ЦЛАД. Установлено, что работа рассматриваемых погружных ЦЛАД с ограниченной толщиной ВЭ на частоте скольжения менее 4-5 Гц нецелесообразна. Оптимальный диапазон полюсных делений в данном случае лежит в диапазоне 90-110 мм.

6. Разработаны новые обращенные конструкции ЦЛАД, позволяющие значительно повысить удельные показатели в условиях ограниченного внешнего диаметра. Проведено сравнение технико-экономических показателей и тепловых режимов новых конструкций с традиционными необращенными конструкциями ЦЛАД. Благодаря использованию новых конструкций ЦЛАД и пониженной частоты питания удается достичь усилия в рабочей точке механической характеристики 0,7-1 кН на 1 м длины индуктора для ЦЛАД с внешним диаметром 117 мм. Новые технические решения предполагается патентовать, материалы находятся на рассмотрении в Роспатенте.

7. Расчеты циклограмм работы ЦЛАД для привода глубинных насосов показали, что из-за нестационарного режима работы результирующий КПД ЦЛАД падает в 1.5 раза и более по сравнению с КПД в установившемся режиме и составляет 0.3-0.33. Достигнутый уровень соответствует средним показателям штанговых глубинных насосных установок.

8. Экспериментальные исследования лабораторного ЦЛАД показали, что предложенные методы расчета обеспечивают приемлемую для инженерной практики точность и подтверждают правильность теоретических предпосылок. Достоверность методик также подтверждается сравнением результатов расчетов различными методами.

9. Разработанные методики, результаты исследований и рекомендации переданы в ООО НПФ «Битек» и использованы при разработке опытно-промышленного образца погружного ЦЛАД. Методики и программы расчета ЦЛАД применяются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» Уральского государственного технического университета - УПИ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Виталий Вадимович, 2006 год

1. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-256с.

2. Айзеннггейн Б.М. Линейные электродвигатели. Обзорная информация.-М.: ВИНИТИ, 1975, т.1. -112 с.

3. Соколов М.М., Сорокин Л.К. Электропривод с линейными двигателями. .-М.:Энергия, 1974.-136с.

4. Ижеля Г.И., Ребров С.А., Шаповаленко А.Г. Линейные асинхронные двигатели.-Киев:Техника, 1975.-135 с.

5. Веселовский О.Н., Годкин М.Н. Индукционные электродвигатели с разомкнутым магнитопроводом. Обзорная информация.-М.: Информ-электро, 1974.-48с.

6. Вольдек А.И. Индукционные МГД-машины с жидкометаллическим рабочим телом.-Л.: Энергия, 1970.-272 с.

7. Ижеля Г.И., Шевченко В.И. Создание линейных электродвигателей: перспективы внедрения и их экономическая эффективность // Электропривод с линейными электродвигателями: Труды Всесоюзной научной конференции.- Киев: 1976, т.1, с. 13-20.

8. Локпшн Л.И., Семенов В.В. Глубинный плунжерный насос с цилиндрическим индукционным двигателем// Электропривод с линейными электродвигателями: Труды всесоюзной научной конференци.-Киев:1976, т.2,с.39-43.

9. Линейные электродвигатели погружного исполнения для привода глубинных плунжерных насосов/ Л.И.Локшин, В.В. Семенов, А.Н. Сюр, Г.А. Чазов// Тезисы докладов Уральской конференции по магнитной гидродинамике.-Пермь, 1974, с.51-52.

10. Линейные погружные электронасосы/ Л.И.Локшин, В.В. Семенов и др.// Тезисы докладов Уральской конференции по магнитной гидродинамике.-Пермь, 1974, с.52-53.

11. П.Семенов В.В. Линейный асинхронный двигатель плунжерного насоса со вторичным элементом, совмещающем функции рабочего тела и управления// Автореферат диссертации.к.т.н.,-Свердловск, 1982,-18 с.

12. Семенов В.В. Основные тенденции в построении систем управления линейным двигателем привода глубинных насосов// Сборник научных трудов УПИ,-Свердловск, 1977, с.47-53.

13. Локшин Л.И., Сюр А.Н., Чазов Г.А. К вопросу создания бесштангового насоса с линейным электроприводом// Машины и нефтяное оборудова-ние.-М.:1979, №12, с.37-39.

14. М.Оснач A.M. Система управления погружным линейным электродвигателем насосной установки для добычи нефти // Электромеханическое преобразование энергии: Сб. научных трудов.-Киев, 1986, с.136-139.

15. Тийсмус Х.А., Лаугис Ю.Я., Тээметс Р.А. Опыт разработки, изготовления и применения линейных асинхронных двигателей// Труды ТЛИ, Таллин, 1986, №627, с. 15-25.

16. Исследование параметров и характеристик ЛАД с цилиндрической внешней вторичной частью/ J.Nazarko, M.Tall // Pr. nauk. Inst. ukl. electromaszyn Polutechniki Warszawskie.-1981, 33 ,c. 7-26 (пол.), РЖ ЭМ, 1983, №1И218.

17. Локшин Л.И., Вершинин В.А. О методе теплового расчета линейных асинхронных двигателей погружного типа // Сборник научных трудов УПИ,-Свердловск, 1977, с.42-47.

18. Сапсалев А.В. Циклический безредукторный электропривод // Электротехника, 2000, №11, с.29-34.

19. Могильников B.C., Олейников А.М., Стрельников А.Н. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором и их применение.-М.: Энергоатом-издат, 1983.-120с.

20. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В.А. Тепловые гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах.-М: Высш. Шк., 1989.-239с.

21. Мамедшахов М.Э. Специальные электромеханические преобразователи энергии в народном хозяйстве. —Ташкент: Фан, 1985.-120с.

22. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-367с.

23. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических ма-шин.-Новосибирск: ЮКЭА, 2002.- 464с.

24. Бессонов J1.A. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник. 10 изд., стереотипное.-М.:Гардарики, 2003.-317с.

25. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения: Учебное пособие/Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак. 2-е издание, перераб. и дополн. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. -431 с.

26. Цилиндрические линейные электродвигатели с улучшенными характеристиками / А.Ю. Коняев, С. В. Соболев, В.А. Горяинов, В.В. Соколов // Материалы Всероссийского электротехнического конгресса. — М., 2005, с.143-144.

27. Способы улучшения показателей цилиндрических линейных асинхронных двигателей / В.А. Горяинов, А.Ю. Коняев, В.В. Соколов // Энергетика региона. 2006, №1-2, с.51-53.

28. Пути совершенствования цилиндрических линейных асинхронных двигателей / В.А. Горяинов, А.Ю. Коняев, С.В. Соболев, В.В. Соколов // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник.-Уфа: УГАТУ, 2005, с.88-93.

29. А.С. СССР №491793. Глубинный поршневой бесштанговый насос двойного действия / В.В.Семенов, Л.И. Локшин, Г.А.Чазов; ПермьНИ-ПИнефть,Заявл. 30.12.70 №1601978. Опубл.-10.02.76. МПК F04B47/00.

30. А.С. СССР №538153. Бесштанговый насосный агрегат / Е.М. Гнеев, Г.Г. Смердов, Л.И. Локшин и др.; ПермьНИПИнефть. Заявл. 02.07.73 №1941873. Опубл. 25.01.77. МПК F04B47/00.

31. А.С. СССР№1183710 Скважинная насосная установка / А.К. Шидлов-ский, Л.Г. Безусый, А.П. Островский и др.; Институт электродинамики АН УССР, Укр. НИПИ нефтяной промышленности. Заявл. 20.03.81 №3263115/25-06. Опубл. БИ, 1985,37. МПК F04B47/06.

32. А.С. СССР№909291. Электромагнитный скважинный насос / А.А. По-зняк, А.Э. Тинте, В.М. Фолифоров и др.;СКБ МГД Ин-та физики АН Латв. ССР. Заявл. 02.04.80 №2902528/25-06. Опубл. в БИ. 1983, №8. МПК F04B 43/04, F04B 17/04.

33. А.С. СССР№909290. Электромагнитный скважинный насос / А.А. По-зняк, А.Э. Тинте, В.М. Фолифоров и др.;СКБ МГД Ин-та физики АН Латв. ССР. Заявл. 02.04.80 №2902527/25-06. Опубл. в БИ. 1983, №8. МПК F04B 43/04, F04B 17/04.

34. Патент США №4548552. Глубиннонасосная установка. Dual valve well pump installation / D.R. Holm. Заявл. 17.02.84 №581500. Опубл. 22.10.85. MTIKF04B 17/04. (НКИ 417/417).

35. Патент США №4687054. Линейный электродвигатель для скважинного насоса. Linear electric motor for downhole use / G.W. Russel, L.B. Underwood. Заявл. 21.03.85 №714564. 18.08.87. МПК E21B 43/00. F04B 17/04. (НКИ 166/664).

36. А.С. ЧССР№183118. Линейный асинхронный двигатель. Linearni induk-cni motor / Ianeva P. Заявл. 06.06.75 №PV 3970-75. Опубл. 15.05.80. МПК H02K41/02.

37. Патент CPP №70617. Цилиндрический линейный двигатель с низкочастотным питанием. Motor electric linear cilindic, de joasa freventa / V.Fireteanu, C.Bala, D.Stanciu. Заявл. 6.10.75. №83532. Опубл. 30.06.80. МПК H02K41/04.

38. A.C. CCCP№652659. Магнитопровод индуктора линейного цилиндрического двигателя / В.В. Филатов, А.Н. Сюр, Г.Г. Смердов; ПермьНИ-ПИнефть. Заявл. 4.04.77. №2468736. Опубл. 18.03.79. МПК Н02К41/04. БИ№10.

39. А.С. СССР№792509. Индуктор линейного цилиндрического двигателя / В.В. Филатов, А.Н. Сюр, Л.И. Локшин; ПермьНИПИнефть. Заявл. 12.10.77. №2536355. Опубл. 30Л2.80. МПК Н02К41/02.

40. А.С. СССР№693515. Цилиндрический линейный асинхронный двигатель / Л.К. Сорокин. Заявл. 6.04.78. №2600999. Опубл. 28.10.79. МПК Н02К41/02.

41. А.С. СССР№1166232. Линейный многофазный двигатель / Л.Г. Безусый; ин-т электродинамики АН УССР. Заявл. 05.06.78. №2626115/2407. Опубл. БИ, 1985, №25. МПК Н02К2/04.

42. А.С. СССР№892595. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / В.С.Попков, Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко и др. ОКБ линейных электродвигателей. Заявл. 04.04.80. №2905167. Опубл. БИ 1981, №47. МПК Н02К41/025.

43. А.С. СССР№1094115. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко; ОКБ линейных электродвигателей. Заявл. 11.02.83., №3551289/24-07. Опубл. БИ 1984, №19. МПК Н02К41/025.

44. A.C. СССР№1098087. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко; ОКБ линейных электродвигателей. 3аявл.24.03.83., №3566723/24-07. Опубл. БИ 1984, №22. МПК Н02К41/025.

45. А.С. СССР№1494161. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Д.И. Мазур, М.А. Луцив, В.Г. Гуральник и др.; ОКБ линейных электродвигателей. Заявл. 13.07.87. №4281377/24-07. Опубл. в БИ 1989, №26. МПК Н02К4/025.

46. А.С. СССР№1603495. Индуктор линейного цилиндрического электродвигателя / Н.В. Богаченко, В.И. Григоренко; ОКБ линейных электродвигателей. Заявл.04.05.88., №4419595/24-07. Опубл. БИ 1990, №40.

47. А.С. СССР№524286. Линейный асинхронный двигатель / В.В. Семенов, А.А. Костюк, В.А. Севастьянов; ПермьНИПИнефть.-Опубл. в БИ, 1976, №29, МПК Н02К41/04.

48. А.С. СССР№741384. Линейный асинхронный двигатель / В.В. Семенов, М.Г. Резин; ПермьНИПИнефть. Заявл. 23.12.77, №2560961/24-07. Опубл. в БИ, 1980, №22. МПК Н02К41/04.

49. А.С. СССР№597051. Электропривод / В.В. Семенов, Л.И.Локшин, и др. ПермьНИПИнефть.- Заявл. 29.05.75 № 2138293/24-07. Опубл. в БИ, 1978, №9. МПК Н02К41/04.

50. А.С. СССР№771842. Устройство для управления погружным линейным электродвигателем возвратно-поступательного движения /В.В. Семенов; ПермьНИПИнефть. Заявл. 31.10.78. №2679944/24-07. Опубл. в БИ, 1980, №38 МПК Н02Р7/62, Н02К41/04.

51. А.С. СССР№756078. Электроприводной бесштанговый насосный агрегат/ Г.Г. Смердов, А.Н. Сюр, А.Н. Кривоносов, В.В. Филатов; ПермьНИПИнефть. Заявл. 28.06.78, №2641455. Опубл. в БИ ,1980, №30. МПК F04B47/06.

52. А.С. СССР№9821139.Устройство для защиты погружного электродвигателя от анормальных режимов / Г.В. Конынин, А.Н. Сюр, Л.И. Лок-шин и др.; ПермНИПИнефть.Заявл. 04.05.81, №3281537. Опубл. в БИ, 1982, №46.

53. Скважинный насос. Pumping apparatus for installation in wells/ A.D. Webb; The British Petroleum Co. Заявл 08.12.82, №8234958(Вбр). Опубл. 27.07.83. МПК F04B17/00.

54. Davis M.V. Concetric linear induction motor/ Патент США, №3602745. Заявл. 27.03.70. Опубл. 31.08.71. МПК Н02К41/02.

55. Perfectionements aux dispositifs electriqnes d'entrainement rectiligne/ Франц. патент №2082150, Заявл. 05.03.70, Опубл. 10.12.71. МПК Н02КЗЗ/00.129