Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ПРОЦЕССЫ В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ СИММЕТРИЧНОМ И НЕСИММЕТРИЧНОМ РАССМОТРЕНИИ 14
1.1. Особенности процессов в системах СПЧ-АД и оценка технико-экономической эффективности этих систем применительно к установкам ЭЦН. Выбор оптимальных частот для АД применительно к ПЭД 14
1.2. Современное состояние вопросов исследования систем СПЧ-АД 26
1.3. Возможности разработки рациональных методов исследования процессов в системе СПЧ-АД и автоматизированного проектирования СПЧ с АИН с учетом особенностей, выявленных в 1,1/ 33
1.4. Цель работы и задачи исследования 38
Выводы по I главе 39
ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПИТАНИЯ СИММЕТРИЧНЫХ И НЕСИММЕТРИЧНЫХ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 41
2.1. Пути усовершенствования силовой части СПЧ, его СУ и СЗ с учетом предъявленных требований 41
2.2. Алгоритмы моделирования рациональных схем СПЧ с АИН для питания АД 70
2.3. Алгоритмы декомпозиции графовых моделей СПЧ 81
2.4. Анализ электромагнитных процессов в СПЧ при наличии двигательной нагрузки 88
Выводы по III главе 105
ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИММЕТРИЧНЫХ
И НЕСИММЕТРИЧНЫХ АД ПРИ ПИТАНИИ ОТ СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ 107
3.1. Исследование переходных процессов при частотном пуске симметричного АД повышенной частоты (на примере ПЭД), питаемого от СПЧ 108
3.2. Разработка и исследование метода пуска двигателя погружного центробежного электронасоса повышенной скорости вращения от СПЧ 116
3.3. Исследование переходных процессов в несимметричных АД (на примере однофазного конденсаторного двигателя), питаемых от СПЧ с различными формами выходного
напряжения
Выводы по III главе 138
ГЛАВА ІV. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ
СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 140
4.1. Разработка математической модели системы СПЧ-ПЭД для расчета установившихся режимов 140
4.2. Применение направленных графов для описания и исследования процессов в системе СПЧ-АД(ПЭД) 150
4.3. Исследование установившихся процессов в несимметричных АД (на примере ОКД), питаемых от СПЧ с различными формами выходного напряжения 162
Выводы по ІV главе 170
ГЛАВА V. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 171
5.1. Практическая реализация полученных результатов и рекомендации к проектированию
5.2. Технико-экономическая эффективность применения токов повышенной частоты в установках ПЭД ЭЦН при питании от СПЧ с АЙН 175
Выводы по V главе 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 185
ПРИЛОЖЕНИЯ 188
ЛИТЕРАТУРА 207
- Особенности процессов в системах СПЧ-АД и оценка технико-экономической эффективности этих систем применительно к установкам ЭЦН. Выбор оптимальных частот для АД применительно к ПЭД
- Пути усовершенствования силовой части СПЧ, его СУ и СЗ с учетом предъявленных требований
- Исследование переходных процессов при частотном пуске симметричного АД повышенной частоты (на примере ПЭД), питаемого от СПЧ
- Разработка математической модели системы СПЧ-ПЭД для расчета установившихся режимов
- Технико-экономическая эффективность применения токов повышенной частоты в установках ПЭД ЭЦН при питании от СПЧ с АЙН
Особенности процессов в системах СПЧ-АД и оценка технико-экономической эффективности этих систем применительно к установкам ЭЦН. Выбор оптимальных частот для АД применительно к ПЭД
В связи с возрастанием мощностей асинхронных двигателей (АД) и интенсификацией их использования соответственно! возросли требования к точности анализа сложных процессов в них, а также назрела необходимость в разработке и усовершенствовании методов их расчёта. В особенности это касается двигателей специального назначения, питающихся от автономных источников, применяемых в приводах различных установок. Одним из перспективных приводов указанного типа является привод установок электроцентробежных насосов (ЭЦН) повышенной и регулируемой скорости вращения для повышения производительности добычи нефти при эксплуатации нефтяных скважин, где в качестве источника питания целесообразно применять статические преобразователи частоты (СПЧ) с автономными инверторами напряжения (АИН).
Характерной особенностью переходных электромагнитных процессов в АД является их малая продолжительность, исчисляемая обычно сотыми долями секунды. В то же время продолжительность всего динамического режима (пуск, реверс) нормального АД измеряется десятыми долями секунды и даже секундами. Поэтому часто принимается, что переходный электромагнитный процесс происходит при какой-то постоянной частоте вращения, т.е. предполагается, что за время протекания электромагнитных процессов частота вращения двигателя не успеет измениться. Однако указанное допущение нельзя принимать в случае, когда продолжительность электромагнитных процессов будет соизмерима с продолжительностью динамического процесса электропривода, что имеет место в системе СПЧ-АД применительно к погружным электродвигателям (ПЭД) установок ЭЦН.
Все большая насыщенность систем СПЧ-АД электронной и микроэлектронной аппаратурой ставит сложные проблемы: повышение качества электрической энергии, обеспечение надёжного функционирования системы, повышение собственной надёжности и резкого уменьшения объема и массы устройств преобразования электрической энергии. Не умаляя важности собственно процесса формирования динамических характеристик и отмечая необходимость поиска решения этой задачи, следует указать, что дальнейшее совершенствование СПЧ требует разработки комплексного решения проблем миниатюризации и формирования заданных динамических свойств, что в свою очередь требует значительных затрат сил, средств и времени. Поэтому все более остро стоит вопрос об автоматизации процесса проектирования СПЧ. Для широкого применения ЭВМ при проектировании СПЧ необходимо как можно полнее формализовать все этапы проектирования.
Пути усовершенствования силовой части СПЧ, его СУ и СЗ с учетом предъявленных требований
Недостатки элементной базы и различных схемных решений при разработке отдельных узлов СПЧ и АИН, и особенно в СУ, обычно приводят к нежелательным явлениям: коротким замыканиям, срывам инвертирования, снижению надежности и долговечности, а также ухудшению помехоустойчивости преобразовательной системы. Особенную важность преобретают эти вопросы при проектировании сложных управляемых электроприводов, каким является и рассматриваемая в данной работе система СПЧ (АИН) - ПЭД установок ЭЦН повышенной скорости вращения. В связи с этим нами предлагается ряд усовершенствований в силовых схемах СПЧ с решением проблем повышения качества энергии на их выходе, улучшения технико-экономических показателей и характеристик; ряд схем отдельных ответственных узлов СУ и СЗ с применением в них оптоэлектронных приборов.
Анализ существующих силовых схем АИН показал, что наиболее перспективными схемами АИН для применения в СПЧ, питающих симметричные и несимметричные АД погружных ЭЦН являются схемы со вспомогательно-импульсной коммутацией.
В этих схемах, в отличие от других, прекращение подачи отпирающих импульсов не приводит к аварийному режиму, так как вспомогательная коммутирующая цепь способна запереть последний проводящий тиристор. АИН со вспомогательно-импульсной коммутацией могут надежно работать в широком диапазоне изменения чатоты и нагрузки.
Следует отметить, что количество тиристоров в указанных схемах АЙН получается несколько большим. Несмотря на это они имеют ряд преимуществ, к числу которых можно отнести:
1. Наиболее полное разделение процессов между коммутирующей цепью и нагрузкой, что обеспечивает устойчивую коммутацию тока в наиболее широком диапазоне изменения частоты, питающего напряжения, величины нагрузки и ее коэффицинта мощности.
2. Минимальная установленная мощность коммутирующего оборудования (конденсаторов и дросселей).
3. Более жесткая внешняя характеристика, обеспечивающая независимость выходного напряжения от величины нагрузки в широком диапазоне частот.
4. Возможность использования в системе широтно-импульсных методов регулирования напряжения на основной и несущей частотах.
5. Простота реализации закона переключения тиристоров инвертора, при котором угол открытия силовых вентилей немного меньше 180 эл,, что обеспечивает неизменность гармонических составляющих выходного напряжения на всех частотах.
6. Возможность установки дополнительных источников напряжения в цепи перезаряда, которые позволяют сохранить коммутирующую способность конденсаторов в процессе регулирования питающего напряжения.
class3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИММЕТРИЧНЫХ
И НЕСИММЕТРИЧНЫХ АД ПРИ ПИТАНИИ ОТ СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ class3
Исследование переходных процессов при частотном пуске симметричного АД повышенной частоты (на примере ПЭД), питаемого от СПЧ
Отличительной особенностью электроприводов погружных центробежных электронасосов является то, что они обладают сравнительно небольшим маховым моментом, который обуславливается малым диаметром ротора погружного двигателя (до 61 мм) и его рабочего механизма - погружного центробежного насоса. Такие установки являются малоинерционными и при этом постоянные времени механических процессов, происходящих при пусковых режимах в системе СПЧ--ПЭД, становятся соизмеримыми с постоянными времени электромагнитных процессов. Следовательно, исследование пусковых режимов электродвигателей погружных центробежных электронасосов необходимо вести с учетом взаимовлияния электромагнитных и механических процессов, возникающих в рассматриваемой системе.
При питании ПЭД током повышенной частоты от СПЧ важное значение имеет плавный пуск двигателя, обеспечивающий ограничение величины пускового тока. Снижение тока при пуске асинхронного электропривода способствует применению ПЧ меньшей мощности, а также повышению экономичности и надежности режима работы системы СПЧ-ПЭД.
Следует отметить, что исследованию частотного пуска асинхронного электропривода посвящены многочисленные работы советских и зарубежных авторов [її, 15, 123, 135, 140, Ш, 165, I66J.
Однако, в них недостаточно рассмотрены вопросы взаимовлияния электромагнитных и механических переходных процессов,
С целью исследования влияния электромагнитных явлений на механический переходный процесс при частотном пуске ПЭД повышенной частоты, вначале определим закон изменения частоты, обеспечивающий постоянство пускового тока, на основе решения только механического переходного процесса (.62J.
class4 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ
СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ class4
Разработка математической модели системы СПЧ-ПЭД для расчета установившихся режимов
Разработанные за последнее время методы расчета установившихся процессов в АД, питаемых от СПЧ без ШЙМ, основаны на представлении фазного напряжения АД в виде ступенчатой кривой определенной формы, которую в аналитическом виде можно представить бесконечным рядом единичных функций. Отход от методов, основанных на гармоническом анализе напряжения на выходе СПЧ, объясняется их громоздкостью, а расчет лишь по первой гармонической составляющей дает существенную погрешность [43, 78]. При работе ПЭД, обладающего достаточными индуктивностями, форма фазного напряжения зависит от параметров ПЭД и режима его работы, так как под действием индуктируемых в фазах двигателя э.д.с. могут открыться обратные диоды, шунтирующие вентили АИН. Не учитывать эту особенность можно лишь при анализе работы ПЭД от СПЧ с углом открытия вентилей 010= 180 эл. и при других углах в режиме с малыми токами.
На рис. 4.1 представлены идеальная и экспериментальная кривые фазного напряжения ПЭД, питаемого от СПЧ с промежуточным звеном постоянного тока и (0 = 120 эл.
Предлагаемый метод не требует предварительного задания кривой напряжения и может быть применен для ПЭД, питаемых от СПЧ с углом открытия вентилей АИН 2 «У/ 3 &0 $ ЗГ .
Технико-экономическая эффективность применения токов повышенной частоты в установках ПЭД ЭЦН при питании от СПЧ с АЙН
Согласно методике оценки технико-экономической эффективности установок ЭЦН повышенной и регулируемой скорости вращения (ПРСВ), разработанной в I.I, вначале были определены расчетные затраты на установки с номинальной скоростью вращения и питающихся от СПЧ. Расчеты производились для установки с насосом ЭЦНИ-5--40-950 при номинальной скорости вращения (около 2850 об/мин при напоре Н = 800 м и подаче Q =40 м /сутки) с количеством ступеней рабочих колец, равным 196 и при повышении скорости вращения в два раза с увеличением производительности насоса до 80 м /сутки при развиваемом напоре 400 м. Мощность ПЭД составляла около. 9 квт. Затраты на технический уход и обслуживание определялись по нормам от соответствующих капитальных вложений для всех элементов установки. Расчеты приведены при стоимости I квт. ч электроэнергии, равной I коп. Рассчитанные затраты за срок службы 25 лет представлены в табл. 5.1. Согласно этой таблице, казалось бы, можно сделать вывод о наибольшей экономичности варианта установки с номинальной скоростью вращения, так как расчетные затраты здесь минимальны - 9412 руб. Неэкономичность установки с СПЧ объясняется в данном случае тем, что увеличиваются капитальные затраты (уменьшение стоимости погружного агрегата не полностью компенсирует дополнительные капитальные затраты в СПЧ) и возрастает стоимость потерь электроэнергии (за счет СПЧ).
