Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ условий работы магнитоэлектрического генератора телеметрической системы с беспроводным электромагнитным каналом передачи данных 13
1.1 Классификация забойных телеметрических систем, применяемых при проводке горизонтальных и наклонно-направленных скважин .13
1.2 Системы питания забойной телеметрической аппаратуры .20
1.3 Требования, предъявляемые к первичному источнику питания телеметрической системы .23
1.4 Первичный источник питания телеметрической системы на основе синхронного генератора с высококоэрцитивными постоянными магнитами .27
1.5 Существующие конструкции магнитоэлектрических генераторов, применяемых в телеметрических системах 31
1.6 Сравнительный анализ конструктивного исполнения статора скважинного генератора .39
1.6.1 Беспазовая конструкция статора скважинного генератора 40
1.6.2 Пазовая конструкция статора скважинного генератора .41
1.7 Постановка задачи .42
ГЛАВА 2 Разработка математической модели синхронного генератора с высококоэрцитивными постоянными магнитами для питания забойной телеметрической системы 43
2.1 Аналитические методы расчёта магнитных полей магнитоэлектрических машин с беспазовым статором .43
2.2 Численные методы расчёта магнитных полей магнитоэлектрических машин с беспазовым статором с применением электронной вычислительной машины (ЭВМ) 47
2.2.1 Программные продукты для расчёта электромагнитных полей на основе метода конечных элементов .50
2.3 Математическое моделирование скважинного генератора. Общие условия 52
2.4 Моделирование скважинного генератора с числом полюсов ротора 2р=2 .56
2.5 Анализ конструкции скважинного генератора с числом полюсов ротора 2р=2 и уменьшенным радиальным размером магнитопровода статора .61
2.5.1 Учёт лобовых соединений статорной обмотки в наведении напряжения модернизированной конструкции скважинного генератора с числом полюсов ротора 2р=2 65
2.6 Моделирование скважинного генератора с числом полюсов ротора 2р=4 .68
2.7 Сравнительный анализ результатов моделирования .73
ГЛАВА 3 Исследование режимов работы синхронного генератора на нагрузку в телеметрической системе .75
3.1 Система телеизмерений с электромагнитным каналом связи .75
3.2 Моделирование телеметрической системы при совместной работе её электромеханической и силовой частей 79
3.3 Комплексный анализ связанной модели «синхронный генератор– преобразователь – нагрузка». Общие условия .82
3.4 Математическая модель скважинного генератора в программной среде Maxwell 2D. Исследование свойств скважинного генератора с использованием математической модели 83
3.4.1 Внешняя характеристика скважинного генератора 85
3.4.2 Формирование сигнала, передаваемого скважинным прибором комплекту наземной аппаратуры 87
3.4.3 Исследование переходных процессов в скважинном генераторе при работе на блок фильтров, автономный инвертор напряжения и нагрузку .90
3.4.4 Исследование переходных процессов в блоке фильтров скважинного прибора. Мероприятия по повышению надежности работы скважинного прибора телеметрической системы 97
3.4.5 Анализ и исследование выходного сигнала скважинного прибора 102
3.5 Выводы .106
4 Экспериментальные исследования скважинного генератора 108
4.1 Описание опытных образцов скважинных генераторов 108
4.2 Испытательная станция для стендовых испытаний скважинных генераторов 110
4.3 Цель и программа испытаний скважинных генераторов .113
4.4 Анализ полученных результатов испытаний 120
4.5 Модель скважинного генератора с пазовой конструкцией статора .121
Заключение 126
Список сокращений и условных обозначений 129
Библиографический список использованной литературы.. 130
- Требования, предъявляемые к первичному источнику питания телеметрической системы
- Численные методы расчёта магнитных полей магнитоэлектрических машин с беспазовым статором с применением электронной вычислительной машины (ЭВМ)
- Моделирование телеметрической системы при совместной работе её электромеханической и силовой частей
- Анализ полученных результатов испытаний
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность освоения новых нефтегазовых месторождений в значительной мере зависит от совершенства техники и технологии бурения скважин с большими отклонениями стволов от вертикали и с горизонтальными участками сравнительно большой протяженности. Бурение таких скважин осуществляется, как правило, с применением телеметрических систем контроля забойных параметров непосредственно в процессе бурения, разработанных рядом ведущих отечественных и западных компаний (НПП "ВНИИГИС", НПП «Самарские горизонты», Schlumberger, Sperry-Sun, Baker Hughes и другие) и имеющих уже общепринятую аббревиатуру (MWD – Measurement While Drilling–«Измерение в процессе бурения» и LWD–Logging While Drilling–«Каротаж в процессе бурения»).
Применение забойных телеметрических систем (ЗТС) позволяет увеличить коэффициент извлечения нефти (КИН) и добиться снижения затрат на строительство и эксплуатацию скважин — основополагающих характеристик качества разработки месторождения.
Одним из способов передачи данных телесистемой на земную поверхность является беспроводной способ, работающий по электромагнитному каналу связи. Для трансляции данных по электромагнитному каналу связи в состав забойной телесистемы включают диэлектрический разделитель и источник электрической энергии. Диэлектрический разделитель необходим для создания диполя. Изолированный отрезок диполя может достигать размеров порядка 20 м. Передача данных осуществляется путём подключения к диполю источника переменного напряжения с частотой 5-10 Гц.
Известно, что в качестве первичного источника электрической энергии забойных телеметрических систем применяют синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. В частности, трехфазный синхронный генератор с ротором на постоянных высококоэрцитивных магнитах и беспазовым статором, работающий на нагрузку через мостовой выпрямитель и преобразователь частоты.
Нагрузка скважинного генератора (СГ) носит нестационарный характер, особенно при формировании выходного тока после выпрямителя с помощью автономного инвертора напряжения (АИН). Работа генератора на такую нагрузку сопровождается сложными переходными процессами, приводящими к перегрузке генератора и изменению формы его выходного тока и напряжения.
Также переходные процессы могут вызвать размагничивание постоянного магнита скважинного генератора. Исследование этих процессов в генераторе, а также их влияния на работу элементов телеметрической системы является актуальной задачей. Следует отметить, что отказы скважинного генератора как источника питания телеметрической системы приводят к останову технологического процесса, что связано с большими экономическими потерями.
В развитие теории проектирования и эксплуатации бесконтактных электрических машин (БЭМ) большой вклад внесли отечественные и зарубежные учёные: А.И. Бертинов, В.А. Балагуров, В.В. Апсит, Т.Г. Сорокер, Д.А. Завалишин, Л.М. Паластин, А.А. Дубенский, Н.Я. Альпер, В.И. Радин,
Д.А. Бут, А.Н. Ледовский и др. Большую роль в создании и широком внедрении высокоэффективных БЭМ сыграли работы коллективов под руководством А.Ф. Федосеева, А.Г. Иосифьяна, И.А. Глебова, Н.Н. Шереметьевского, Б.Н. Калугина.
Однако сложность схемы питания скважинной аппаратуры ЗТС с электромагнитным каналом передачи данных и факты её отказов требуют проведения комплексных исследований.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование магнитоэлектрического генератора, применяемого в качестве первичного источника питания скважинной аппаратуры забойной телеметрической системы и разработка схемотехнических, конструкторских и технологических решений, позволяющих повысить качество работы генератора.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
-
Проанализировать условия работы забойной телеметрической системы и разработать требования к первичному источнику питания.
-
Исследовать магнитное состояние элементов скважинного генератора для статического режима.
-
Разработать математическую модель магнитоэлектрического скважинного генератора для исследования работы при совместном включении скважинного генератора, мостового выпрямителя, блока фильтра и автономного инвертора напряжения в динамических режимах.
-
Модернизировать конструкцию магнитоэлектрического скважинного генератора с целью снижения внешних габаритных размеров (радиальный размер).
-
Разработать физические модели модернизированных конструкций скважинного генератора и провести их сравнительные испытания.
Методы исследования. Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях.
В проведенных исследованиях использованы следующие программные продукты: Mathcad 14, Elcut 5.1, ANSYS: Maxwell 2D и Simplorer. Комплексная математическая модель получена с помощью приложений Maxwell 2D и Simplorer. Данная модель объединяет в себе расчеты полевой и цепной задач и представляет имитационную математическую модель скважинной аппаратуры телеметрической системы.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Создана комплексная математическая модель скважинного генератора, учитывающая совместную работу трехфазного мостового выпрямителя, блока фильтров, автономного инвертора напряжения и нагрузку в динамическом режиме работы. Полученная модель отличается от известных ранее вариантов подробным рассмотрением совместного влияния компонентов телеметрической системы на работу магнитоэлектрического генератора, а также реализацией связанного расчета скважинного генератора с компонентами телеметрической системы и использованием разных программных сред.
-
Разработана математическая модель скважинного генератора в статическом режиме, позволяющая исследовать магнитное состояние всех элементов генератора при различных значениях нагрузки на выходе.
-
На основе комплексного математического моделирования системы «синхронный генератор – преобразователь – нагрузка» определены величины возникающих перенапряжений и влияние модуляционных процессов на выходные данные скважинного генератора.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
-
Комплексная математическая модель может быть использована для исследования вновь разрабатываемых систем с магнитоэлектрическими синхронными генераторами (МЭСГ), работающими на полупроводниковые преобразовательные устройства.
-
Разработаны рекомендации по расчётам размеров конструктивных элементов МЭСГ, обеспечивающие лучшее использование магнитной системы и необходимые выходные показатели генератора в условиях ограничения по габаритным размерам.
-
Проведена оптимизация размеров активной части магнитоэлектрического генератора на основе математической модели магнитного состояния СГ и разработана методика расчета генератора при ограниченных внешних габаритах.
-
Определены рекомендуемые соотношения частоты напряжения скважинного генератора и основной (выходной) частоты автономного инвертора напряжения для улучшения работы блоков скважинной аппаратуры.
-
Созданы макетные образцы скважинных генераторов и проведены экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность разработанных рекомендаций и результатов проектирования.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту
-
Комплексная математическая модель скважинного генератора, включающая все компоненты телеметрической системы.
-
Математическая модель скважинного генератора, позволяющая получить распределение и значение индукции магнитного поля в поперечном сечении СГ, а также математическая модель скважинного генератора модернизированной конструкции с разной длиной активной части ротора
-
Результаты анализа магнитного состояния конструкций скважинного генератора с числом полюсов ротора 2р=4 и разными способами намагничивания постоянных магнитов.
-
Экспериментальные исследования для оценки адекватности математических моделей.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы используются при проектировании и изготовлении скважинных генераторов в филиале ООО «Технологическая Компания Шлюмберже» г. Томск. Разработанные в диссертационной работе математические модели и рекомендации по проектированию магнитоэлектрических генераторов используются в учебном процессе Национального исследовательского Томс ко го политехнического университета
при подготовке бакалавров по направлению 140400 «Электромеханика» и магистров по направлению 140400 «Технология проектирования и производства электромеханических преобразователей энергии» по дисциплинам: «Учебно-исследовательская работа студентов», «Электромеханические элементы автоматики», а также в выпускных квалификационных работах студентов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях.
1. XVI Международная научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томс к ,
2010 г.).
Международная научно-практическая конференция студентов, молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томс к ,
2. XVII
аспирантов и
2011 г.).
3. V Юбилейная международная научно-техническая конференция
«Электромеханические преобразователи энергии» (г. Том ск, 2011 г.).
Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 5 печатных работ, 2 из них – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Для одной из предложенных конструкций скважинного генератора получен патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 30 иллюстраций, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 95 наименований и 8 приложений.
Требования, предъявляемые к первичному источнику питания телеметрической системы
Требования, которые предъявляются к первичному источнику питания ЗТС, складываются из целого списка критериев, предъявляемых к конструкции скважины, к скважинной аппаратуре и к типу месторождения.
При конструировании забойных систем разработчик, как правило, сталкивается со следующими проблемами [9]:
- обеспечение универсальности компоновки, выбор типа канала связи, последовательность размещения измерительных преобразовательных блоков с целью максимального приближения точки записи к забою, беспрепятственному прохождению ЗТС по стволу, особенно в скважинах, пробуренных с малым (до 15 м) радиусом кривизны;
- выбор максимально возможной степени защиты всех узлов системы от воздействия ударов и вибраций;
- выбор технических решений по обеспечению гибкости конструкции и её оптимальной длины;
- применение конструктивных материалов и технологий, повышающих способность противостоять абразивному и кавитационному воздействию потока промывочной жидкости.
Первый список требований, с которыми сталкиваются нефтяная и проектная компании при разработке нового забоя - это требования к пространственному положению ствола скважины. Существующие инструкции по бурению наклонно направленных скважин регламентирует нормы допустимых отклонений забоев скважин от проектных. Данные нормы представлены в таблице
Как видно из таблицы 1.2 допустимое отклонение забоя скважины в первую очередь зависит от расстояния между скважинами s, которое определяется заданной сеткой разработки месторождения. Например, при глубинах скважин 2000-2500 м типичной является сетка с минимальным расстоянием между скважинами 600 м. При этом в соответствии с данными табл. 1.2 радиус круга допуска составляет 72 м. Однако в настоящее время существует тенденция сгущения сетки скважин [6]. Данный факт, несомненно, усложняет процесс разработки оборудования и расширяет список требований к разработчику.
Другая группа требований связана с профилем ствола скважины. Проектирование наклонно направленной скважины начинается с выбора конфигурации профиля. В общем случае профиль скважины может содержать следующие участки: вертикальный, участок набора зенитного угла, прямолинейный участок, где зенитный угол стабилизирован, участок уменьшения зенитного угла. Так, в инструкции по бурению наклонных скважин с кустовых площадок на нефтяных месторождениях Западной Сибири задается максимальная величина интенсивности искривления ствола наклонной скважины в интервале работы погружных центробежных насосов, равная 3 на 100 м длины ствола, а в остальных интервалах допускает интенсивность искривления до 10 на 50 м, но не более 230 на 10 м [6]. Следующий класс требований, это требования к конструкции скважины. Так конструкция горизонтальной скважины в части надежности, технологичности и безопасности должна обеспечивать [16]:
- максимальное использование пластовой энергии продуктивных горизонтов в процессе эксплуатации за счет выбора оптимального диаметра эксплуатационной колонны и возможности достижения проектного уровня гидродинамической связи продуктивных отложений со стволом скважины;
- применение эффективного оборудования, оптимальных способов и режимов эксплуатации, поддержания пластового давления, теплового воздействия и других методов повышения нефтеотдачи пластов;
- условия безопасного ведения работ без аварий и осложнений на всех этапах строительства и эксплуатации скважины;
- получение необходимой горно-геологической информации по вскрываемому разрезу;
- условия охраны недр и окружающей среды, в первую очередь благодаря прочности и долговечности крепи скважины, герметичности обсадных колонн и кольцевых пространств, а также изоляции флюидосодержащих горизонтов друг от друга, от проницаемых пород и дневной поверхности;
- максимальную унификацию по типоразмерам обсадных труб и ствола скважины.
Анализируя изложенный список можно сформулировать основные требования, предъявляемые к скважинному генератору, как к первичному источнику питания ЗТС:
- температура эксплуатации СГ может достигать величину 120С;
- большой диапазон расходов БР и его вязкостных характеристик, при которых выходные данные генератора должны мало изменяться;
- высокие абсолютные значения давления объемного (всестороннего) сжатия в условиях глубокого погружения в вышеупомянутую среду при значительных, до 10 % от абсолютных значений, колебаниях (пульсациях) давления;
- жесткое ограничение по габаритам (по диаметру и по длине) при обеспечении необходимой мощности электропитания, связанное с унификацией ЗТС с наружным диаметром корпусных деталей от 240 до 89 мм;
- использование переменного гармонического напряжения, вырабатываемого генератором, для модуляции полезного сигнала электромагнитного канала связи;
- невозможность оперативного устранения неисправностей и/или корректировки условий эксплуатации (и т.д. и т.п., и пр.), так как конструкция используется на значительных глубинах, а процесс ее извлечения для освидетельствования, ремонта и/или замены весьма трудоемок и дорог.
Для выполнения данных требований в качестве скважинных генераторов необходимо применять высокоэффективные бесконтактные электрические машины. Отсутствие щеточного контакта позволит сделать конструкцию СГ более простой и надежной, а также увеличить межсервисный интервал работы. Для обеспечения бесперебойной работы ЗТС в моменты времени, когда буровая установка обеспечивает недостаточное давление бурового раствора или остановлена, питание скважинной аппаратуры следует осуществлять от аккумуляторной батареи (АКБ). Так как продолжительность работы ЗТС в таком режиме незначительная, то в качестве АКБ можно использовать никель металлгидридные аккумуляторы (NiMH) с низким саморазрядом.
На основании выше сказанного, можно сделать вывод, что объединенный комплект из скважинного генератора и аккумуляторных батарей следует рассматривать как оптимальный источник питания, поскольку в этом случае суммируются их положительные свойства: высокая удельная мощность одного и независимость от свойств БР другого [4, 17].
Численные методы расчёта магнитных полей магнитоэлектрических машин с беспазовым статором с применением электронной вычислительной машины (ЭВМ)
Недостатком математических моделей, построенных на основе электрических цепей (см. раздел 2.1), является необходимость иметь известными параметры схем замещения, которые определяются либо в процессе эксперимента, либо путём дополнительных расчётов, либо приближённо на основании практического опыта. Другим недостатком этих моделей является невозможность нахождения в процессе моделирования дифференциальных параметров, таких как магнитная индукция в элементах магнитопровода ЭМ, плотности распределения электромагнитных потерь, определяющих нагрев отдельных частей машины и т.д. При моделировании в данном случае используются и рассчитываются интегральные величины: магнитные потоки, токи, ЭДС, мощности и т.п. Более совершенными являются современные методы математического моделирования, основанные на решении уравнений электромагнитного поля ЭМ. При таком подходе область существования этих полей рассматривается как сплошная среда, обладающая определёнными магнитными и электрическими свойствами. Если в каждой точке исследуемой области задано значение физической величины, то говорят, что задано поле этой физической величины. Следовательно, исследование магнитных и электрических полей связано с определением значений этих величин в каждой точке исследуемой области [37, 38].
Существует множество подходов к расчету электрических машин. Одним из них является расчет тем или иным способом частичных полей или полной картины магнитного поля с учетом нелинейности магнитопровода.
Стоит отметить, что расчёт магнитного поля электрической машины до сих пор остается узловой проблемой, позволяющей в дальнейшем определять необходимые параметры или характеристики разрабатываемого устройства.
Среди численных методов расчёта наиболее распространенными следует признать метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ) [37].
Метод конечных разностей использует замену дифференциальных уравнений конечно-разностными уравнениями. Основной недостаток этого метода – сложность точного описания границ и оптимального наложения на область расчёта конечно-разностной сетки.
Лишь за последние время удалось значительно ускорить процесс сходимости МКР благодаря применению различных ускоряющих процедур, тем не менее для решения задач поля в магнитоэлектрических машинах со свойственной им сложной поперечной геометрией активной части предпочтительным является МКЭ [35].
Метод конечных элементов впервые был применен в инженерных приложениях в начале 50-х гг. Были предприняты попытки применить матричные методы для дискретных структур к непрерывным структурам путем разбиения их на конечное число элементов. В 1956 г. Группа Тёрнера из BoeingAircraftCo. описала процедуру такого типа, включающую некоторые характерные черты метода конечных элементов.
Последовавшее затем быстрое развитие этого подхода охватило широкий класс задач в строительной механики и механике твердого тела. Распространение метода конечных элементов на другие задачи было предпринято в начале 60-х гг. на основе вариационного подхода. Дополнительно к вариационному методу конечных элементов, который можно назвать классическим, начали использовать другие методы конечных элементов. Наиболее известные из них – метод Галёркина, который является частным случаем взвешенного метода невязок, метод наименьших квадратов, процедура, называемая прямым методом, и метод глобального баланса, или метод Одена [39, 40, 41].
Применительно к задачам электромеханики МКЭ позволяет рассчитывать электрические, магнитные и температурные поля.
Расчёт магнитного поля в магнитоэлектрической машине численными методами позволяет детально проанализировать его распределение в отдельных элементах магнитной цепи. Сложная геометрия, большие размеры воздушного зазора в беспазовых конструкциях и наличие сред с разными магнитными проницаемостями требуют большого количества узлов при использовании МКЭ. Количество узлов, на которое разбивается область поля ЭМ, может достигать нескольких десятков тысяч. Система уравнений такого порядка может быть решена только с помощью совершенных вычислительных программ и с использованием быстродействующей вычислительной техники [32].
В последнее время в литературе стал встречаться новый подход в численном моделировании – методом конечных суперэлементов (МКСЭ). Данный метод основан на методе конечных элементов. В соответствии с этим методом расчетная область разбивается на ряд подобластей – суперэлементов (СЭ) таким образом, чтобы решение задачи на первом этапе методом МКЭ было целиком сосредоточено внутри СЭ, а на их границах решение являлось бы гладкой функцией. Каждый суперэлемент оснащается системой базисных функций, которые являются решениями рассматриваемого уравнения в СЭ, с некоторыми граничными условиями. Использование сетки суперэлементов и базисных функций, позволяющих учитывать особенности решения поставленной задачи в СЭ, дает возможность находить точное решение при существенной экономии вычислительных ресурсов и времени подготовки конечно-элементной модели (КЭМ) без ущерба для точности расчета [42].
Однако МКСЭ не имеет еще широкого распространения на сегодняшний день, а также поддержки среди известных программных продуктов, в отличие от МКЭ.
На основании сравнительного анализа, численных методов расчёта магнитных полей магнитоэлектрических машин для решения задач по моделированию магнитного состояния скважинного генератора применён метод конечных элементов. Данный метод является достаточно изученным и имеет все необходимые возможности для выполнения планируемых разработок.Также стоит отметить, что МКЭ нашёл широкое распространение среди программных продуктов для ЭВМ.
Моделирование телеметрической системы при совместной работе её электромеханической и силовой частей
Учитывая сложность системы, количество изменяющихся внешних и внутренних параметров, исследование только скважинного генератора и его электромагнитных процессов во времени методом конечных элементов является недостаточным. Для подробного исследования работы аппаратуры скважинного прибора, необходимо проведение всесторонних исследований системы: трехфазный магнитоэлектрический скважинный генератор с ротором на постоянных высококоэрцитивных магнитах и беспазовым статором, работающий на нагрузку через мостовой выпрямитель и сглаживающий фильтр. Где сигнал с фильтра поступает на автономный инвертор напряжения, который отвечает за его конечное формирование. Схема, рассматриваемой модели в программной среде представлена на рисунке 3.2.
Полученные результаты моделирования позволят получить необходимые рекомендации по подбору электронных компонентов для телеметрической системы, а также рабочие соотношения для скважинного генератора.
Ранее системы моделирования не позволяли или резко ограничивали возможность работы со связанными моделями. Для разрешения этой проблемы сравнительно недавно был создан диалект языка многоаспектного моделирования объектов различной физической природы (VHDL – VHDL-AMS). Первоначально используемый для моделирования цифровых систем, язык VHDL после введения возможности описания непрерывных процессов стал пригоден также для моделирования аналоговых систем разной физической природы [59].
Данный диалект языка реализован в современном программном комплексе электромагнитного и схемного моделирования от компании ANSOFT с пакетами конечно-элементного анализа от корпорации ANSYS, Inc. [60, 61].
Для выполнения комплексных исследований работы скважинного прибора телеметрической системы задействованы следующие приложения пакета ANSOFT: Maxwell 2D и Simplorer.
В приложении Maxwell 2D выполнено моделирование электромагнитного поля скважинного генератора. Модель рассматривалась в двухмерном пространстве с учетом ранее принятых допущений (см. моделирование генератора в программном комплексе ELCUT). Модель приложения Maxwell динамически связана с приложением Simplorer для создания потока данных системного уровня, основанных на электромагнитных процессах.
ANSYS Simplorer – это программное обеспечение для моделирования электромеханических систем, в которых требуется проведение междисциплинарных расчетов. С помощью приложения Simplorer были созданы и объединены в единую схему блоки СП, посредством которых происходит выпрямление, фильтрация, формирование выходного сигнала.
Стоит отметить, что создание конечного образа комплексной модели происходит в приложении Simplorer. Однако процесс моделирования связан потоком данных системного уровня со всеми задействованными приложениями и учитывает совместную работу этих приложений.
В результате, используя взаимодействие двух приложений, разработана комплексная модель скважинного прибора телеметрической системы. Для создания использованы приложения Maxwell 2D и Simplorer. Версии программных продуктов на момент создания модели являются последними и имеют функции совместимости для выполнения комплексных расчетов.
В качестве исходной модели для комплексного анализа выступила модель скважинного генератора с уменьшенным внешним диаметром магнитопровода статора, к которой подсоединены модели блоков скважинного прибора. В качестве прототипов моделей блоков скважинного прибора используются блоки серийной телеметрической системы.
Расчёт связанной модели «синхронный генератор - преобразователь -нагрузка» позволяет получить следующие данные:
- распределение магнитного поля и значение магнитной энергии в требуемом сечении скважинного генератора;
- величину индуцируемой ЭДС и напряжения в каждой фазе обмотки статора;
- параметры обмотки статора;
- состояния и характеристики электронных блоков (выпрямления, фильтрации, формирования сигнала) рассматриваемой системы;
- показания виртуальных приборов.
Стоит отметить, что возможности используемых программных приложений позволяют организовать разные режимы работы системы, необходимые для сравнительного анализа и формирования конечного решения модели. Также программная среда ANSYS может обеспечить различные комбинации представления результатов моделирования, что удобно при оформлении отчетов моделирования [62, 63].
Общими условиями для моделирования и анализа связанного расчёта выступили:
- равный интервал времени расчёта во всех используемых приложениях;
- равный шаг интегрирования во всех используемых приложениях; - строгое соблюдение полярности соединений блоков из разных приложений.
Условия моделирования, регламентирующие выбор свойств материалов для скважинного генератора, обозначение источников поля, а также граничных условий полностью соответствую списку, представленному в разделе 2.3.
Анализ полученных результатов испытаний
Для удобства описания результатов испытаний введем сокращённые названия опытных образцов скважинных генераторов:
1) Г5 - макет серийного скважинного генератора;
2) Макет 140 мм - макет скважинного генератора с длиной активной части ротора LР = 140 мм и внешним диаметром статора Dc = 46 мм;
3) Макет 180 мм - макет скважинного генератора с длиной активной части ротора LР = 180 мм и внешним диаметром статора Dc = 46 мм;
1. Проведённые экспериментальные исследования макетов скважинных генераторов подтвердили результаты математического моделирования (см. таблицы 4.1 - 4.3 и Приложения 5, 6).
2. Мощность выходного сигнала силового модуля при испытании всех трёх макетов изменялась в одинаковом диапазоне: 22-52 Вт в зависимости от подключенного номинала нагрузки.
3. В диапазоне частоты вращения, при котором проводились испытания макетов п = 2000 -г- 3600 об/мин величина выходной мощности СГ соответствовала требуемым значениям. Важно отметить следующее, что запуск (включение) скважинной аппаратуры (в режиме испытаний - симулятора) выполняется при минимальной амплитуде выпрямленного напряжения иВЫПР=16В. Отключение скважинной аппаратуры происходит при величине
напряжения равной 8 В. В данной ситуации макет 140 мм при частоте вращения ротора п = 2000 об/мин может осуществлять питание системы, однако не сможет запустить систему. В связи с этим при применении макета 140 мм в качестве источника питания скважинной аппаратуры появляются ограничения на рабочий диапазон RPM.
4. Средние значения увеличения минимальной амплитуды выпрямленного напряжения макета 180 мм относительно макета 140 мм для частоты вращения ротора п = 2000об/мин составило 4,83 В, для п = 3000 об/мин - 7,7 В, и и = 3600 об/мин - 8,4 В. Применение в качестве скважинного генератора макета 180 мм гарантирует включение и работу скважинной аппаратуры, рассматриваемой телеметрической системы, при любом значении частоты вращения из требуемого диапазона (n = 2000-г-3600 об/мин).
5. Внешние характеристики макета 140 мм и макета 180 мм располагаются параллельно и имеют одинаковую жесткость (рисунок 4.5).
Для моделирования пазовой конструкции статора в качестве прототипа выбран серийный скважинный генератор с внешним диаметром статора Dc=46мм. Основой модели с пазовым исполнением стала конструкция
Конструкция магнитопровода статора пазового исполнения серийного скважинного генератора, в которой немагнитные перегородки гильзы были заменены на элементы пазов из электротехнической стали. Магнитопровод статора рассматриваемой конструкции имеет следующий вид (рисунок 4.7).
На основании анализа предварительных расчётов выбор формы паза был остановлен на конфигурации, представленной на рисунке 4.8. При анализе результатов моделирования магнитного состояния генератора, зубцы статора которого имели классическую форму, было выявлено существенное превышение значений индукции в коронках зубцах (Я=4 Тл). Полученные значения индукции приведут к локальным насыщениям участков магнитопровода статора, в результате чего магнитная проводимость в этих зонах будет иметь низкие значения.
Моделирование магнитного состояния конструкции статора с пазами прямоугольной формы также выявил превышения значения магнитной индукции в элементах магнитопровода статора. Распределение магнитного поля модели представлено на рисунке 4.8.
Величина индукции в магнитопроводе статора рассматриваемой конструкции превышает границу допустимого значения для электротехнических сталей марок 2212, 2214, 2312. Полученное из модели значение максимальной индукции составляет 2,9 Тл (см. рис. 4.8). Это говорит о необходимости перераспределения соотношений внутренних размеров генератора. Например, за счёт увеличения сечения ярма магнитопровода. Данное решение позволит достичь требуемых значений индукции во всей области поперечного сечения генератора. Однако полученные соотношения площади активного железа и площади паза приведут к уменьшению полезного сечения паза. Что потребует снижения количества витков фазной обмотки. Стоит отметить, что дополнительное значение полезной площади паза потребует пазовая изоляция, роль которой в беспазовой конструкции статора выполняла немагнитная гильза.
