Введение к работе
Актуальность темы. Задача оптимального управления электродвигателями не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения энергосбережения весьма актуальна в настоящее время, поскольку электродвигатели - основные потребители электроэнергии. Большинство развитых стран широко внедряют высокотехнологичную электротехническую продукцию, которая не только решает вопросы снижения энергопотребления, но и позволяет создавать электротехнические комплексы с низким уровнем потерь и целым рядом новых качеств. Достижения в области силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники способствовали созданию перспективных электроприводов нового поколения на базе вентильных электродвигателей, интерес к которым активно проявляется в промышленно развитых странах мира. Общая теория вентильного привода к настоящему времени характеризуется достаточной полнотой, однако разработка математических моделей этих объектов, ориентированных для расчета режимов и процессов электротехнических комплексов и систем с данными приводами, остается весьма актуальной задачей.
Развитие средств вычислительной техники позволило использовать более сложные и точные модели элементов электротехнических систем (ЭТС) по сравнению с ранее применяемыми моделями и перейти к непосредственному моделированию режимов и переходных процессов сложных ЭТС при ограниченной степени эквивалентирования. Исследования переходных процессов и режимов ЭТС непосредственным образом связаны с задачами обеспечения работы крупных промышленных предприятий при возмущениях в системах их электроснабжения, в частности, с одной из важнейших задач - обеспечением устойчивости ЭТС.
В составе электродвигательной нагрузки ЭТС предприятий нефтегазового комплекса вентильные электродвигатели с роторами на постоянных магнитах находят все более широкое применение в приводах установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), установок электровинтовых насосов (УЭВН), нефтеперекачивающих насосов магистральных нефтепроводов, аппаратах воздушного охлаждения (АВО) газа, газовых центрифугах и пр.
Вышесказанное говорит о необходимости разработки достаточно простых, но адекватных моделей вентильного электропривода с целью их включения в алгоритмы расчета режимов и процессов промышленных ЭТС.
Начало исследований и разработок в области вентильного электропривода относится к 30-м годам XX в. и связано в нашей стране с именами Д.А. Завалишина, О.Г. Вегнера, Б.Н. Тихменева, М.И. Губанова, Е.Л. Эттингера и др., а за рубежом с именами И. Александерсона, С. Виллиса, Е. Керна и др. С середины 60-х годов прошлого века большой вклад в области вентильного электропривода с транзисторными коммутаторами был внесен отечественными (И.А. Вевюрко, А.А. Дубенский, Н.И. Лебедев, В.К. Лозенко, И.Е. Овчинников и др.) и зарубежными (Н. Брейлсфорд, В. Хайсерман - США, К. Матасаро - Япония, X. Моцала, Б. Цаубитцер - ФРГ и др.) учеными и инженерами. А.А. Афанасьевым, Н.Г. Гориным, В.Г. Ивановым, О.А. Коссовым, В.А. Кучумовым, В.В. Цокановым и другими специалистами были выполнены исследования по проблемам коммутации инверторов, влияния реакции якоря двигателя на его рабочие статические и динамические характеристики, решен ряд других задач. Реализация интегральных микросхем и элементов силовой электроники позволили получить не просто электродвигатель в общепринятом смысле этого слова, а практически полностью
укомплектованный электропривод. Важнейшие результаты в этом направлении получены в работах А.К. Аракеляна, А.А. Афанасьева, В.А. Балагурова, А.Я. Бернштейна, А.А. Булгакова, A.M. Вейнгера, И.А. Глебова, А.Е. Загорского, Л.Я. Зиннера, И.П. Копылова, В.А. Кучумова, Н.И. Лебедева, В.К. Лозенко, В.М. Лупкина, Ш.И. Лутидзе, И.Е. Овчинникова, А.И. Скороспешкина, Б.Н. Тихменева, В.Л. Фрумина, Ю.Г. Шакаряна, И.И. Эпштейна и др.
В настоящее время теория вентильных электрических машин находится в стадии интенсивного развития благодаря мощным техническим и алгоритмическим средствам расчета сложных электрических цепей этого типа. Разработан ряд специализированных программных продуктов, различающихся как степенью полноты используемых математических моделей электрических машин, так и алгоритмами расчета собственно электрического состояния ЭТС. Существенный вклад в развитие данного направления составили труды кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.
Целью работы является интеграция вентильного привода в единую схему расчета переходных режимов и процессов в сложных электротехнических системах нефтегазовой промышленности.
Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи:
-
Провести анализ современного состояния вентильного электропривода и обосновать выбор вентильного электропривода с ротором на постоянных магнитах в качестве объекта исследования.
-
Провести анализ электромеханических свойств вентильного электропривода и установить возможность построения наиболее простой модели вентильного электропривода.
-
Разработать модель вентильного электропривода с возможностью ее интеграции в схемы и алгоритмы расчета режимов и процессов промышленных ЭТС.
-
Разработать алгоритм расчета электромеханических переходных процессов в вентильном электроприводе, входящем в состав ЭТС.
-
Выполнить численное моделирование электромеханических переходных процессов в вентильном электроприводе, входящем в состав ЭТС.
-
Провести анализ соответствия результатов моделирования электромеханических переходных процессов в вентильном электроприводе и физического протекания рассматриваемых переходных режимов.
-
Провести анализ возможности применения вентильного электропривода в установках с резкопеременной нагрузкой.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются вентильные электроприводы средней и большой мощности с возбуждением от постоянных магнитов в составе промышленных ЭТС непрерывных производств нефтегазовой отрасли. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, расчета режимов систем электроснабжения, элементы теории устойчивости ЭТС, теории электрических машин и электропривода, математическое и компьютерное моделирование электроприводов и ЭТС.
Научная новизна результатов исследований: 1. Разработанная модель вентильного электропривода с постоянными магнитами
расширяет область исследования электромеханических переходных режимов и
процессов ЭТС предприятий.
-
Представление вентильного электропривода его эквивалентным кажущимся сопротивлением обеспечивает возможность интеграции данной модели в существующие алгоритмы расчета режимов и процессов промышленных ЭТС и позволяет моделировать электромеханические переходные процессы в вентильных электроприводах и ЭТС, содержащих в своем составе данные приводы.
-
Математическое описание представленной модели и разработанный алгоритм расчета электромеханических переходных процессов в вентильном электроприводе предусматривают полное информационное обеспечение расчетов на основе данных, приводимых в каталогах вентильных электроприводов.
-
Показано, что высокие энергетические показатели вентильного электропривода и меньшая зависимость их от нагрузки позволяют повысить цикловые показатели энергоэффективности штанговой скважинной насосной установки (ШСНУ) при применении данного электропривода в составе установки взамен асинхронных электроприводов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование необходимости учета вентильного электропривода в электродвигательной нагрузке ЭТС предприятий нефтедобычи при решении задач расчета режимов и процессов ЭТС.
-
Электромеханическая модель вентильного электропривода с ротором на основе высококоэрцитивных постоянных магнитов.
-
Алгоритм расчета электромеханических переходных процессов с применением предлагаемой модели вентильного электропривода.
-
Обоснование перспективности применения вентильного электропривода в ШСНУ в целях повышения энергетической эффективности установки.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются применением апробированных методов и средств исследования переходных режимов промышленных ЭТС, методов математического и компьютерного моделирования ЭТС, теории электрических цепей, электрических машин и электропривода, корректностью выбора и применения математического аппарата, а также полнотой информационного обеспечения математического моделирования и подтверждаются результатами численных экспериментов и их соответствием физическим процессам, описанным в теории вентильного электропривода в рассматриваемых переходных режимах.
Практическое значение работы заключается в расширении существующего класса электромеханических моделей элементов промышленных ЭТС моделью вентильного привода, интегрируемой в известные алгоритмы расчета режимов и процессов ЭТС, что позволяет рассчитывать и анализировать электромеханические переходные режимы ЭТС объектов нефтедобычи, включающих в свой состав данный привод; разработке алгоритма расчета электромеханических переходных процессов в вентильном приводе, учитывающего независимый характер ЭДС, наводимой полем постоянных магнитов индуктора; оценке возможности повышения цикловых энергетических показателей ШСНУ при применении вентильного привода в составе установки. Модель и алгоритмы доведены до программной реализации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы нефтегазового комплекса России - 2010», Всероссийской
научной конференции «Актуальные проблемы нефтегазового комплекса России -2012», на научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (2009-2012 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, в том числе, четыре в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 146 печатных страниц. Работа включает 48 рисунков, 1 таблицу и библиографию из 82 наименований.
