Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса 11
1.1. Классификация агрегатов нефтегазового комплекса на основе анализа кинематических схем 11
1.2. Общее состояние теории и тенденции развития электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса 15
1.2.1. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод 16
1.2.2. Асинхронный электропривод с устройствами плавного пуска 19
1.3. Электропривод буровых установок 27
1.4. Электропривод скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти 34
1.5. Электропривод механизмов центробежного типа 40
1.6. Постановка задач исследования 41
2. Математические модели элементов механической части электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса .47
2.1. Математическая модель кривошипно-коромыслового механизма станка-качалки 47
2.2. Математическая модель распределенной колонны штанг и бурильных или насосно-компрессорных труб (НКТ) 56
2.2.1. Общие подходы к моделированию колонны штанг или труб 56
2.2.2. Расчетная схема и математическая модель колонны штанг 57
2.2.3. Расчетная схема и математическая модель колонны НКТ 63
2.2.4. Об определении некоторых параметров модели 63
2.3. Математическая модель плунжерного насоса 74
2.4. Математическая модель клиноременной передачи с редуктором 82
2.5. Математическая модель системы «барабан-канат» 88
2.5.1. Учет смещения каната вдоль оси барабана 88
2.5.2. Учет изменения радиуса навивки при переходе каната на следующий слой 90
2.5.3. Учет изменения момента инерции барабана 90
2.6. Математическая модель талевой системы 93
2.7. Математическая модель системы с упругими валами при наличии дисбаланса 99
2.8. Выводы 105
3. Разработка математической модели и исследование режимов работы электропривода ШГНУ 106
3.1. Математическая модель электропривода системы «тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» (ТИН-АД). 106
3.2. Математическая модель электропривода ШГНУ на основе системы ТПН-АД 113
3.3. Компенсация уравновешивающего момента двигателя в электроприводе ШГНУ на основе системы ПЧ-АД 125
3.4. Разработка электропривода системы ТПН-АД с бездатчиковым измерителем скорости 129
3.5. Выводы 138
4. Исследование и оптимизация энергетических показателей электроприводов ШГНУ 140
4.1. Потери энергии и выбор мощности двигателя в системе ТПН-АД 140
4.2. Анализ и оптимизация потерь энергии в электроприводе ШГНУ 142
4.3. Анализ и оптимизация энергопотребления в электроприводах ШГНУ 153
4.4. Разработка способов уравновешивания станков-качалок 159
4.5. Выводы 162
5. Разработка структуры и анализ работы системы автоматического управления ШГНУ 164
5.1. Постановка задачи автоматического управления ШГНУ 164
5.2. Анализ статических усилий в подвеске устьевого штока 167
5.3. Методы оценки динамического уровня жидкости в скважине 172
5.3.1. Измеритель динамического уровня жидкости периодического действия 173
5.3.2. Измеритель динамического уровня жидкости непрерывного действия 176
5.4. Структура системы автоматического управления ШГНУ 180
5.4.1. Общая структурная схема автоматизированной станции управления ШГНУ 180
5.4.2. Структура системы автоматического регулирования динамического уровня 182
5.4.3. Структура системы автоматического регулирования степени незаполнения насоса .185
5.5. Математическая модель системы автоматического регулирования динамического уровня 189
5.6. Исследование процесса регулирования динамического уровня жидкости в скважине 193
5.7. Выводы 199
6. Разработка алгоритмов и методов автоматической диагностики ШГНУ 201
6.1. Задачи диагностики ШГНУ 201
6.2. Алгоритмы блокировок и защит электропривода ШГНУ 202
6.3. Алгоритмы обнаружения типовых неисправностей ШГНУ 206
6.4. Алгоритм измерения степени незаполнения насоса 209
6.5. Система диагностики ШГНУ на основе нейронной сети 211
, 6.5.1. Постановка задачи 211
6.5.2. Цифровое представление динамограмм 213
6.5.3. Синтез нейронной сети 215
6.5.4. Тестирование нейронной сети 219
6.5.5. Техническая реализация системы диагностики на основе нейронной сети 222
6.6. Выводы 224
7. Опытные испытания систем автоматического управления ШГНУ 225
7.1. Задачи и методы испытаний 225
7.2. Исследование динамических характеристик скважин и ШГНУ 226
7.2.1. Диаграммы восстановления уровня и откачки жидкости
в скважине 226
7.2.2. Регулировочные характеристики скважин и ШГНУ 227
7.2.3. Семейство динамограми 230
7.3. Испытания разработанных измерителей динамического уровня 232
7.3.1. Характеристики измерителей по "статическим" и "средним" усилиям 233
7.3.2. Характеристики измерителей по "верхним" и "верхним-нижним" усилиям , 236
7.4. Испытания системы регулирования динамического уровня 240
7.5. Выводы 240
8. Разработка рациональных структур электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса на основе систем ТПН-АД 242
8.1. Классификация систем управления объектно - ориентированными
асинхронными тиристорными электроприводами 242
8.2. Объектно - ориентированный контроллер технологического
электропривода системы ТПН-АД , 248
8.2.1. Структура объектно-ориентированного контроллера 249
8.2.2, Структура программного обеспечения 251
8.3. Электропривод штанговых глубинно-насосных установок 257
8.4. Электропривод поршневых насосов высокого давления 264
8.5. Электропривод механизмов центробежного типа 266
8.5.1. Электропривод аппаратов воздушного охлаждения газа 266
8.5.2. Электропривод механизмов с дисбалансом на упругом валу 270
8.6. Выводы 273
9. Разработка программного обеспечения для исследования, расчета и проектирования электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса 275
9.1. Программное обеспечение микропроцессорной системы управления * ШГНУ 275
9.2. Разработка приложений для объектного программирования задач электропривода в среде Delphi 281
9.3. Программный моделирующий комплекс «ЭллАДа» - «Электропривод на базе Асинхронного Двигателя» 293
9.4. Программный моделирующий комплекс «ЭСКАДа» - «Электропривод Станка-Качалки с Асинхронным Двигателем» 296
9.5. Программный моделирующий комплекс «ЭльБА» - «Электропривод Бурового Агрегата» 298
9.6. Выводы 304
Заключение 305
Литература
- Классификация агрегатов нефтегазового комплекса на основе анализа кинематических схем
- Математическая модель кривошипно-коромыслового механизма станка-качалки
- Математическая модель электропривода системы «тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» (ТИН-АД).
- Потери энергии и выбор мощности двигателя в системе ТПН-АД
Введение к работе
Среди основных агрегатов, применяемых в нефтегазовом комплексе, значительное место занимают насосные агрегаты поршневого или плунжерного типа, турбоагрегаты центробежного типа и буровые установки (БУ). К агрегатам первого типа относятся штанговые глубинно-насосные установки (ШГНУ), буровые насосы (БН), насосы пластового давления, ко вторым -установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) и аппараты воздушного охлаждения газа (АВО). Буровые установки содержат в своем составе, кроме буровых насосов, спускоподъемный аппарат (СПА) и механизм вращения колонны бурильных труб (в последних моделях БУ, так называемый, верхний привод). Анализ публикаций по проблеме автоматизированного электропривода агрегатов нефтегазового комплекса и оценка технического уровня электроприводов указанного отраслевого назначения показывает, что до настоящего времени перечисленные выше агрегаты в большинстве случаев оснащаются нерегулируемым электроприводом, выполненным на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, что существенно ограничивает возможности оптимизации технологического процесса и энергопотребления. Электропривод буровых установок много двигательный и в настоящее время выполняется регулируемым на основе электродвигателей постоянного тока. Безусловно, данное решение позволяет удовлетворить самые сложные требования по реализации разнообразных технологических режимов работы буровой установки, однако в значительной степени усложняет эксплуатацию агрегата из-за наличия в системе привода коллекторной машины с присущими ей недостатками.
Анализ режимов работы указанных выше агрегатов позволяет сделать ряд общих выводов относительно условий формирования нагрузок электроприводов и требований к регулированию производительности. Изменение условий проходки скважины при бурении, дебита скважины при добыче нефти, температуры газа при его подготовке к транспортировке приводят к необходимости регулирования производительности агрегатов с целью обеспечения, соответственно, эффективной проходки скважины; поддержания оптимального значения динамического уровня жидкости в скважине или температуры газа в магистрали на заданном значении. Характерно, что УЭЦН и АВО, по условиям нагрузки относятся к группе турбомеханизмов, требования по регулированию производительности которых перекрываются сравнительно небольшим (от 1,5 до 2 : 1) диапазоном регулирования скорости приводного двигателя. Электроприводы ШГНУ и буровых насосов работают при циклически изменяющейся нагрузке и требуют значительно большего диапазона регулирования скорости, который может быть ограничен значением 10 : 1. Отметим также, что все перечисленные механизмы являются нереверсивными, однако в каждом из них могут возникнуть условия реализации тормозного режима двигателя - противовключения или рекуперативного торможения. Действительно, в ШГНУ, независимо от качества балансировки, на каждом цикле присутствует участок, где момент нагрузки принимает движущий характер. В АБО, в зависимости от состояния заслонок и воздушной среды, возможно вращение крыльчатки вентилятора отключенного агрегата навстречу рабочему направлению вращения. То же самое, очевидно, возможно и в УЭЦН. В буровом насосе тормозной режим электропривода может быть полезен для эффективного управления подачей или при экстренной остановке агрегата. Указанные обстоятельства существенно повышают требования к выбору структуры регулируемого электропривода, особенно в случае возникновения режима рекуперативного торможения.
Другой характерной особенностью указанных агрегатов является довольно сложный характер динамических процессов и связанных с ними явлений в системе электропривода, которыми сопровождается их работа. В первую очередь, здесь следует выделить упругие колебания в механической части, обусловленные конструктивными свойствами этих агрегатов и особенностями технологического процесса. Так, на работу СПА существенное влияние оказывают волновые процессы, возникающие в распределенной массе колонны бурильных труб. Тоже самое можно сказать и об особенностях работы верхнего привода. Периодическое перекладывание нагрузки в ШГНУ со штанг на насосно-компрессорную трубу (НКТ) и обратно вызывает упругие колебания в подвеске штока, существенно влияющие на характер момента двигателя и его величину. При работе УЭЦН могут иметь место три вида колебаний его подвески: продольные, крутильные и поперечные, которые в большей или меньшей степени связаны и взаимообусловлены. Крутильные колебания непосредственно связаны с изменением вращающего момента или момента сопротивления, осевые - с изменением разницы давлений на выходе и входе насоса. Возникновение поперечных колебаний обусловлено, главным образом, наличием дисбаланса, всегда имеющегося в механизме. При оценке прочности и надежности конструкции подвески УЭЦН необходимо учитывать все три вида колебаний (поперечные, осевые, крутильные), а при анализе динамических процессов в двигателе и насосе может быть достаточным исследование поперечных колебаний вала насоса и ротора двигателя относительно, соответственно, корпуса насоса и статора двигателя и определение их критических частот. Для АВО также характерно обусловленное наличием дисбаланса в механической части явление вибраций, в частности, фундамента, на котором устанавливается агрегат. Во всех случаях эти колебания поглощают значительную часть мощности двигателя, имеют тенденцию к нарастанию по мере износа оборудования и опасны возможностью его разрушения, а потому требуют специального учета и контроля. С другой стороны, эффективное регулирование производительности указанных агрегатов может быть обеспечено только при максимальном учете их динамических свойств, которые требуют соответствующего изучения.
В связи с перечисленным целью настоящей диссертационной работы является разработка научных основ анализа и синтеза систем автоматизированного электропривода для ряда агрегатов нефтегазовой отрасли, обеспечивающих создание высокоэффективных автоматизированных электротехнических комплексов отраслевого назначения. Одной из главных при этом поставлена задача разработки математических моделей электроприводов основных агрегатов нефтегазового комплекса, позволяющих вести полноценный анализ их свойств и выполнять синтез алгоритмов управления, обеспечивающих эффективную работу агрегата.
Учитывая актуальность для нефтегазовой отрасли Российской Федерации задачи повышения эффективности нефтедобычи и принимая во внимание, что более половины фонда скважин на территории России оборудованы скважинными штанговыми насосными установками, в разделе разработки систем управления в работе основное внимание уделено электроприводу штанговых глубинно-насосных установок.
Наряду с этим приводятся рациональные структуры электроприводов механизмов поршневого и центробежного типа. Показано, что основные требования, предъявляемые к этим приводам, могут быть удовлетворены системами ТПН-АД, в разработке которых у автора имеется многолетний опыт.
Основные положения работы подтверждены экспериментальными результатами, полученными при испытаниях опытных образцов систем управления электроприводами ряда агрегатов нефтегазового комплекса.
В период с 1993 г. по 2003 г. на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» под руководством автора по договорам с ОАО «УралНИТИ» выполнен комплекс НИР по проблеме автоматизированного электропривода станков-качалок нефтедобывающих скважин, а по договору с ОАО «Уралмаш» выполнена разработка математической модели привода агрегатов буровой установки, результаты которых нашли отражение в работе.
В совокупности результаты работы представляют собой решение крупной научной проблемы, связанной с разработкой методов анализа и синтеза систем автоматизированного электропривода для ряда агрегатов нефтегазовой отрасли, что имеет важное хозяйственное значение.
Классификация агрегатов нефтегазового комплекса на основе анализа кинематических схем
Требования к электроприводам и особенности их работы определяются не только технологическими режимами приводимого в работу агрегата, но и в значительной степени зависят от кинематической схемы машинного агрегата, определяющей, наряду с технологическими силами и перемещаемыми массами, законы формирования момента сопротивления и момента инерции на валу приводного двигателя. Поэтому, среди классификационных признаков, при рассмотрении агрегатов нефтегазового комплекса с позиций теории электропривода, целесообразно выделить в качестве основного признака тип кинематической схемы электропривода агрегата и условия нагружения рабочего органа. Включив в основную группу рассматриваемых агрегатов буровые установки (БУ), штанговые глубинно-насосные установки (ШГНУ), установки с погружными электрическими центробежными насосами (УЭЦН), поршневые и центробежные насосы для перекачки жидкости и газов, и в, частности, аппараты воздушного охлаждения газа (АВО), придем к характеристикам структуры и состава звеньев кинематических схем этих агрегатов, приведенным в табл. 1. Из анализа данных табл. 1, составленной на основе сведений из [4, 15, 59, 133, 144, 158 и др.], следует, что в рассматриваемой группе агрегатов существует ряд звеньев и характерных признаков структуры, объединяющих их между собой. Среди них выделим редуктор с клиноременной передачей, кривошипно-шатунный или кривошипно-балансирный механизм, распределённую по длине колонну труб (штанг) или элементов самого агрегата, поршневой цилиндр с клапанным механизмом. При этом заметим, что все агрегаты представляют собой многомассовые системы, причем агрегаты центробежного типа имеют еще и дисбаланс, что дополнительно усложняет динамику этих механизмов.Характер технологических сил, определяющих нагрузки на двигатель, весьма разнообразный и может изменяться даже у одного агрегата на разных этапах технологического процесса. Последнее замечание в первую очередь относится к спуско-подъемному аппарату (СПА) буровой установки. Действительно, лебедка СПА бурового станка при выполнении спуско-подъемных операций работает в повторно-кратковременном режиме с нагрузкой, достаточно точно определяемой весом колонны бурильных труб. Но этот же механизм в режиме бурения работает с нагрузкой, определяемой силами взаимодействия инструмента с породой, зависящими от многих факторов и изменяющимися случайным образом. В аналогичных условиях, то есть, с нагрузкой, изменяющейся случайным образом, работает верхний привод буровой установки, а также и буровой насос. Более определенными в этом сравнении являются условия нагружения скважинных насосных агрегатов типа ШГНУ, и турбоагрегатов, типа УЭЦН, АБО и пр. Однако, для первых характерно периодическое изменение нагрузки, существенно усложняющее динамические процессы в агрегате, а для последних - наличие дисбаланса в механической части, вызывающего изгибные колебания валов или вибрации фундаментов, снижающих надежность или даже делающих эксплуатацию агрегата невозможной.
Выявленная общность в характеристиках рассматриваемых агрегатов позволяет подойти к анализу работы их электроприводов с единых позиций, а именно, представить, прежде всего, математические модели типовых механических звеньев, пригодных для исследования совместно с математическими моделями тех или иных систем электропривода. Причем в основу разработки моделей необходимо положить объектно-ориентированный подход, основанный на структурном анализе кинематических схем. Это позволит в дальнейшем достаточно свободно манипулировать моделями объектов, создавая комплексные модели электрифицированных машинных агрегатов.
Разумеется, в классической механике задачи анализа и синтеза как кинематики, так и динамики перечисленных выше механизмов (например, кривошипно-шатунного и пр.) давно и успешно решены [6, 159],
Математическая модель кривошипно-коромыслового механизма станка-качалки
Настоящая глава посвящена разработке и анализу математических моделей механической части системы ШГНУ - "клиноременная передача с редуктором - кривошипно-коромысловый механизм станка-качалки — глубинный штанговый насос", как самостоятельного объекта исследования. Причем глубинный штанговый насос представляет собой динамическую систему, состоящую из штока, движущегося в НКТ, насоса с плунжером и клапанным механизмом, закрепленным на нижнем конце НКТ, а также столба жидкости, находящегося над плунжером и под плунжером. Отметим, что существенное значение в формировании усилий на штоке в этой системе имеют вес самого штока и столба жидкости над плунжером; упругости штока, колоны НКТ и жидкости; а также сухое трение как в верхней, так и в нижней части штока. Исходя из конструктивных особенностей для анализа принципиальных условий формирования усилий на штоке (динамограмм) указанную систему следует представлять в виде объекта с пространственно распределенными параметрами с переменной нагрузкой и жесткостью, определяемой состоянием клапанной группы.
Модель электропривода и полная модель всего комплекса обсуждается в главе 3.
Станок-качалка в рассматриваемой системе является передаточным устройством, осуществляющим преобразование вращательного движения вала двигателя в возвратно-поступательное движение штока с соответствующим преобразованием внешних сил и моментов инерции движущихся масс. Выделив кривошипно-коромысловый механизм- станка-качалки как структурное звено системы, и принимая конструкцию его абсолютно жесткой, поставим задачу нахождения момента сопротивления Мкр и момента инерции JKp на валу кривошипа в зависимости от углового положения вала кривошипа окр, усилия в канатной подвеске штанг Fmm и массы штанг т шт, присоединенных к головке балансира. В общем случае моменты и силы для жесткой системы приводятся к любому из валов на основании известного из механики выражения [6] для приведенного момента сопротивления Мс: Mc=Z,Mciui+JZP,Fcfj (2-1) ; = / j = J J J где q и p число внешних моментов Mci и сил Fcj, приложенных к системе; щ - передаточная функция для г-того звена по отношению к валу приведения; Pj - радиус приведения у -того звена к валу приведения. Моменты инерции приводим также на основании известного из механики общего выражения для приведенного момента инерции JL\ i-n 7 j-k 7 Л = 2 JMJ + S и pi , (2.2) /=; j=i J J где n и к — число масс установки, совершающих соответственно вращательное и поступательное движение; Ji - собственный момент инерции /-того звена; Mj - массау-того звена. В случае приведения к валу кривошипа передаточные функции и радиусы приведения для отдельных звеньев кривошипно-коромыслового механизма находятся по следующим выражениям: иі = (Лі/(йкр; (2.3) где (Икр- угловая скорость вращения вала кривошипа; «j- угловая скорость вращения кгого звена; Vj - линейная скорость движения центра масс /-того звена.
Учитывая, что для рассматриваемого механизма радиусы приведения и передаточные функции для отдельных звеньев будут изменяться в зависимости от углового положения кривошипа, дифференциальное уравнение движения вала кривошипа на основе записи его в обобщенных координатах (уравнения Лагранжа), будет иметь следующий вид: MKp-Mc(9Kp) = Jz( pKp)- + , (2.4) dt 2 d pKp где Мкр - момент, приложенный к кривошипу со стороны редуктора; М(Ф /Л JzCty/cp) и dJz(q Kp)/dtyKp функционально зависящие от угла поворота кривошипа фкр приведенный момент сопротивления, момент инерции и производная момента инерции механизма по углу поворота кривошипа.
Таким образом, из последнего выражения следует, что для определения закона изменения скорости кривошипа при известном Мкр необходимо, прежде всего, определить законы изменения щ(($кр) и pj(q Kp), а через них, на основании (2.1) и (2.2), - найти Мс( )ь Jz( pKp) и и (ркр)Щкр.
Текущее значение углового положения кривошипа ф связано, в свою очередь, с угловой скоростью кривошипа очевидным дифференциальным уравнением: » 0Кр= аГ , (2.5) которое должно решаться совместно с (2.4).
Вычислительный алгоритм приведения нагрузки и масс к валу кривошипа строится следующим образом. Вначале, полагая, как было сказано, конструкцию абсолютно жесткой, определим координаты концов звеньев механизма в функции углового положения кривошипа. Исходные данные для геометрического расчета вместе с кинематической схемой двуплечего механизма, который представляет собой разновидность шарнирного четырехзвенника, приведены на рис. 2.1.
Математическая модель электропривода системы «тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» (ТИН-АД).
Реализация приведенных в гл. 1 требований к автоматическому регулированию производительности ШГНУ в общем случае может быть осуществлена различными системами электроприводов, основными критериями при выборе которых, в отсутствии повышенных требований к быстродействию и точности регулирования, являются простота, надежность и приемлемая стоимость. Учитывая, что число штанговых глубинных насосных установок, находящихся в эксплуатации, весьма значительно, в первую очередь актуальна задача модернизации действующего парка оборудования. При этом необходимо иметь ввиду, что все ШГНУ оснащаются преимущественно нерегулируемым электроприводом, выполненным на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Отсюда следует, что выбор системы привода реально ограничен только двумя возможными типами, а именно, частотно-регулируемым асинхронным электроприводом (система ПЧ-АД), или электроприводом, выполненным на базе устройств плавного пуска с тиристорным преобразователем напряжения (система ТПН-АД). В первом случае обеспечивается непрерывное регулирование производительности установки путем изменения числа качаний за счет электрического регулирования скорости двигателя в системе ПЧ-АД. Во втором случае возможности системы ТПН-АД позволяют наиболее рациональным образом организовать периодический режим работы установки, при использовании которого регулирование средней производительности агрегата может осуществляться за счет автоматического изменения соотношения времени работы и паузы в пределах заданного цикла, выбираемого с учетом особенностей техпроцесса из диапазона 10...30 минут. Очевидно, система ТПН-АД по показателям простоты конструкции и обслуживания, надежности и стоимости предпочтительнее систем ПЧ-АД, поэтому, не исключая возможности использования в приводах ШГНУ последних, выберем для дальнейшего рассмотрения, как наиболее рациональную, систему ТПН-АД. Надо отметить, что применительно к российским условиям эксплуатации и обслуживания целесообразность использования в приводах ШГНУ систем ТПН-АД подтверждается и достаточно большим разнообразием производимых отечественными предприятиями станций управления станками-качалками, выполненных на основе этих систем [93, 95,100].
Электроприводы, выполненные по системе ТПН-АД, имеют два основных исполнения: замкнутые (с обратной связью по скорости) и разомкнутые (без обратной связи по скорости). В связи с этим важной задачей при выборе структуры указанного электропривода является оценка возможностей его применения в бездатчиковом варианте, в частности, без датчика скорости, установка которого на агрегате создает серьезные технические проблемы и снижает надежность работы системы в целом. С целью анализа пуско-тормозных свойств электропривода без датчика скорости и оценки возможностей реализации принципов управления, основанных на организации периодического режима работы ШГНУ, в том числе с чередующимися остановками в позициях верхней и нижней мертвых точек, необходимо исследование пуско-тормозных процессов в различных структурах электропривода. Кроме того, для оценки теплового состояния двигателя в предлагаемых режимах работы необходимо также проведение специального исследования зависимости потерь в двигателе от параметров механизма и типа реализуемых циклограмм. Перечисленные задачи приводят к необходимости разработки математической модели электропривода, выполненного по системе ТПН-АД, и создания соответствующей программы расчета процессов в электроприводе.
В основу математической модели электропривода положена известная система дифференциальных уравнений асинхронного двигателя в переменных «ток статора (/,) - потокосцепление ротора ( У7,.)», записанная в относительных единицах в неподвижной трехфазной системе координат при общепринятых допущениях [139]:
В (ЗЛ) rs rri х„ х„ хт - электрические параметры (активные и реактивные сопротивления) статорных и роторных цепей двигателя; VN, lNy fN -номинальные фазные напряжение, ток и частота двигателя; р - число пар полюсов двигателя. Электрические параметры в уравнении (ЗЛ) связаны с параметрами Т-образной схемы замещения асинхронной машины: rh r2, Xj, х2, хо- следующими соотношениями: rs=ri\ rr = r2\ хт= хо\ xs= Х]+ хо; xr=x2 + XQ.
Поясним, что выбор приведенной системы уравнений обусловлен стремлением максимально упростить расчетные выражения при разработке модели ТПН, для функционирования которой требуются мгновенные значения фазных токов и напряжений. Результатом решения (3.1) являются фазные токи и момент двигателя - М при заданном напряжении питания и известной скорости ю (в дальнейшем для наглядности в ряде случаев Мд и сод).
Потери энергии и выбор мощности двигателя в системе ТПН-АД
Одной из главных задач при разработке и проектировании электропривода любого из механизмов является выбор номинальной мощности двигателя, обеспечивающей его нормальное тепловое состояние. Суть проверки двигателя по нагрузке в целом сводится к тому, чтобы оценить его тепловое состояние, которое он будет иметь при работе в составе машинного агрегата, и сделать выводы относительно возможностей двигателя в преодолении перегрузки, возникающей, как правило, в динамических режимах.
Основной метод проверки двигателя по нагреву - метод средних потерь мощности в двигателе, вызывающих его нагрев. По этому методу сравниваются средние потери в двигателе АРср за цикл работы привода с допустимыми для выбранного двигателя потерями АРд0К. Нагрев двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, будет определяться потерями энергии в машине на участках разгона, торможения и установившейся скорости. Условием нормальной работы двигателя является следующее соотношение: Д А ол. (4.1)
Если это условие удовлетворяется, то двигатель работает без перегрева и, значит, он может использоваться в данном приводе. При невыполнении указанного условия необходимо применять двигатель большей мощности. Проверка по перегрузке проводится на основании сравнения пускового и критического (максимально-допустимого) момента двигателя с максимальным моментом нагрузки. Очевидно, момент нагрузки во всех случаях должен быть меньше максимально-допустимого момента двигателя.
Основную долю потерь мощности в двигателе в системе ТПН-АД составляют электрические потери в статорных и роторных цепях [16], поэтому допустимые потери мощности определим следующим образом:
АРШ =Є;(Д/ + ДРгЛГ), (4.2) где APsN = 3I2sNrs - номинальные потери в статоре; APrN - Mfj(u0SN - номинальные потери в роторе;
EN — - приведенное значение номинальной є N продолжи тельности включения (ПВ) двигателя; IN,MN,SN - номинальные значения тока, момента и скольжения двигателя; соо — синхронная скорость двигателя; Ро - коэффициент ухудшения теплоотдачи неподвижного двигателя.
Определив переменные состояния двигателя из решения системы уравнений электропривода машинного агрегата, описываемого уравнениями связи типа (3.9), далее находим мгновенные значения потерь мощности в статоре APS и роторе АР,, соответствующие текущему моменту времени: =j i + U+ i); (4.3) Рг=уМ2гл+і2гс+і2гс) где 4 у ir - фазные токи статора и ротора.
Суммарная энергия потерь, выделяющихся в двигателе за цикл работы привода, определится по общему выражению: АИ = }(ДР1+ДРГ Й, (4.4) тогда средние потери в двигателе за цикл работы привода будут равны: А =- -- (4.5) ч
Для привода ШГНУ возможно два режима работы - продолжительный и периодический, при которых время цикла Тч в общем случае определяется по разному. В непрерывном режиме двигатель работает без остановок длительное время и под временем цикла следует понимать время одного полного оборота кривошипа. В периодическом режиме цикл работы может изменяться в широком диапазоне от нескольких минут до нескольких часов, но, как правило, по условиям регулирования средней производительности выбирается не менее 10 минут. Таким образом, с учетом реальных параметров цикла и допущений метода средних потерь проверку двигателя ШГНУ по нагреву во всех случаях следует проводить как для непрерывного режима работы привода, то есть, на интервале времени одного оборота кривошипа или двойного хода штока. 4,2. Анализ и оптимизация потерь энергии в электроприводе ШГНУ
На основе представленной в гл. 2 и 3 и реализованной в программе «ЭСКАДа» [79] модели электропривода ШГНУ, проведено исследование зависимости средних потерь в двигателе АРср от параметров кинематики механизма с целью установления основных закономерностей. В частности, для двигателя 4А200Ь6УЗ (см. Приложение 1) выявлено, что средние потери определяются условиями балансировки механизма и имеют экстремальный характер в зависимости от радиуса противовеса г} с явно выраженным минимумом (см. рис.4 Л), что, очевидно, может быть использовано для оптимизации настройки механизма при его наладке и контроле состояния балансировки в процессе работы.
