Погружные насосные агрегаты на основе асинхронного двигателя для газодобычи

В данной работе были использованы данные собственных исследований(статические показатели электродвигателя) для разработки имитационной модели погружного насоса на асинхронном электродвигатели интеллектуальной скважины и определения мощности потерь в электродвигателе при различных способах его питания.Произведено исследование режимов работы электродвигателя в составе привода (с учетом фильтра, трансформатора и кабеля) и оценено влияние элементов привода на режимы работы электродвигателя.Результаты исследования показали, что такие элементы, как дроссель фильтра, трансформатор и силовой кабель не оказывают заметного влияния на установившийся режим работы электродвигателя и его нагрев.

Реферат………………………………………………………………………………………… 7
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………… 11
1 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЧРП .. 19
1.1 Основные принципы построения ЧРП ……………………………………… 19
1.3 Организация защиты в ПЧ ……………………………………………………….. 21
1.4 Сравнительный анализ ПЧ . ……………………………………………………… 24
2 ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ . ………………………………………………………….. 28
2.1 Нагрев электродвигателя привода ……………………………………………. 28
2.2 Влияние ЧРП на потери в асинхронном электродвигателе ………… 30
Выводы …………………………………………………………………………………………. 31
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ……………………….. 32
ПРИВОДА ПОГРУЖНОГО НАСОСА …………………………………………… 32
3.1 Обзор математических моделей ……………………………………………….. 32
асинхронного электродвигателя …………………………………………………….. 32
3.2 ВЫБОР СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЭД90-117М…………………………… 36
3.3 Аналитический расчет параметров схемы замещения
электродвигателя ЭД90 117М………………………………………………………… 38
4 РАЗРАБОТКА MATLAB МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ЭД90 117М ……………………………………………………………………………………. 45
4.1 Описание Matlab модели электродвигателя ЭД90 117М ……………. 45
4.2 Проверка Matlab модели электродвигателя ЭД90 117М ……………. 48
5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА .. 52
5.1 Схема замещения трансформатора …………………………………………… 52
5.2 ПОТЕРИ В ТРАНСФОРМАТОРЕ ……………………………………………. 55
5.2.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТЕРЬ ……………………………….. 55
5.2.2 ПОТЕРИ В ОБМОТКЕ ОТ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ …………………… 57
5.3 Расчет параметров схемы замещения ……………………………………….. 57
трансформатора …………………………………………………………………………….. 57
6 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ СИЛОВОГО КАБЕЛЯ ………… 61
7 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ НА
РАБОТУ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИВОДА ……………………………….. 66
7.1 Исследование модели электродвигателя ЭД90 117М при питании
от различных источников …………………………………………………………………………. 66
7.1.1 питание гармоническим напряжением ………………………………….. 66
7.1.2 Питание электродвигателя прямоугольными …………………………. 68
разнополярными импульсами ………………………………………………………… 68
7.1.3 Питание электродвигателя от ЧРП с ШИМ ……………………………. 69
7.1.4 Режим постоянства крутящего момента на валу …………………….. 70
7.2 Оценка влияния на режим работы ……………………………………………. 73
электродвигателя различных способов питания …………………………….. 73
7.3 Питание прямоугольными импульсами ……………………………………. 77
7.4 Питание от генератора ШИМ …………………………………………………… 80
7.5 Режим постоянства крутящего момента на валу ……………………….. 82
8 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ……………………………………………………………… 86
8.1 Планирование работ и их временных оценок ……………………………. 86
8.2 Расчет сметы затрат на исследование ……………………………………….. 89
8.3 Расчёт материальных затрат …………………………………………………….. 90
8.4 Расчёт затрат амортизации ……………………………………………………….. 90
8.5 Расчёт затрат на заработную плату …………………………………………… 91
8.6 Затраты на социальные отчисления ………………………………………….. 92
8.7 Накладные расходы …………………………………………………………………. 92
8.8 Определение общего бюджета затрат на научно-
исследовательскую работу ……………………………………………………………………….. 93
8.9 Смета необходимых материальных ресурсов, потребляемых при
выполнении научного исследования …………………………………………………………. 94
9 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ………………………………………. 95

Введение ……………………………………………………………………………………. 95
9.1 Вредные производственные факторы ……………………………………….. 95
9.2 Микроклимат …………………………………………………………………………. 100
9.3 Электромагнитное излучения …………………………………………………. 101
9.4Опасные факторы ……………………………………………………………………. 103
9.5 Поражение электрическим током …………………………………………… 103
9.6 Пожароопасность …………………………………………………………………… 104
9.7 Правила поведения персонала при эвакуации в случае ЧС ……… 105
9.9 Выводы по главе ……………………………………………………………………. 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………… 107
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………….. 111
Приложение А …………………………………………………………………………….. 117

Выполнены библиографические исследования по вопросу «Частотно ре-
гулируемые приводы с асинхронными электродвигателями переменного тока и
их использование с погружными насосами». Сравнительный анализ характери-
стик приводов позволяет сделать заключение о соответствие характеристик ча-
стотно регулируемого привода С300 современному уровню требований к харак-
теристикам ЧРП и требованиям для привода погружного насоса.
Выполнен анализ современного подхода к оценке потерь электродвига-
теля переменного тока, зависимости потерь от особенностей питания асинхрон-
ного электродвигателя, а также связи потерь с нагревом электродвигателя.
Установлено, что для косвенной оценки степени нагрева электродвигателя
можно использовать полную мощность потерь в электродвигателе.
Разработана схема замещения асинхронного электродвигателя привода
погружного насоса, учитывающая потери статора и ротора электродвигателя.
Определены параметры схемы замещения с использованием справочных дан-
ных для двигателей – аналогов и путём расчёта через технические характери-
стики моделируемого двигателя. Исследование схемы замещения дали расхож-
дение между расчётными значениями и техническими характеристиками элек-
тродвигателя менее 5%. Таким образом, схема замещения с достаточной точно-
стью учитывает характеристики электродвигателя.
Определены схемы замещения для дросселя фильтра привода, повыша-
ющего трансформатора и соединительного кабеля. С использованием аналогов
и расчётным путём определены параметры для этих схем замещения.
Разработаны Matlab модели для асинхронного электродвигателя, позво-
ляющие выполнять моделирование режима работы электродвигателя и опреде-
лять мощность потерь в электродвигателе при различных способах его питания.
Исследован вопрос измерения параметров режима работы электродви-
гателя на Matlab модели. Определены необходимые схемы измерения и их на
стройки.
Исследованы режимы работы асинхронного электродвигателя при пита-
нии гармоническим напряжением при различных частотах питания. Результаты
этих исследований приняты за базу для оценки влияния отдельных элементов
привода на работу электродвигателя.
Исследовано влияние на режимы работы электродвигателя ЧРП с вы-
ходным напряжением, отличающимся по форме от гармонического сигнала.
Моделирование выхода ЧРП производилось по гармоническому составу выход-
ного сигнала и по физическому способу формирования ШИМ сигнала.
Разработана Matlab модель привода асинхронного электродвигателя по-
гружного насоса, учитывающая фильтр на выходе ЧРП, повышающий транс-
форматор и силовой кабель.
Произведено исследование режимов работы электродвигателя в со ставе
привода и оценено влияние элементов привода на режимы работы электродви-
гателя. Выполнена оценка формы и величина питающих напряжений в различ-
ных точках электрических цепей привода.
Основные выводы:
Результаты, полученные при исследовании моделей, хорошо совпадают
с известными техническими характеристиками электродвигателя, что позволяет
считать разработанные модели адекватными.
Режимы работы электродвигателя при переходе от питания от сети к пи-
танию от ЧРП с ШИМ изменяются незначительно (в пределах 5 %). Практиче-
ски остается постоянной мощность потерь в электродвигателе, что говорит о
сохранении температурного режима работы электродвигателя. Следовательно,
включение в состав привода ЧРП не является причиной перегрева приводного
двигателя. Эти результаты сохраняются в диапазоне изменения рабочей часто-
ты от 25 до 200 Гц.
Установившийся режим работы электродвигателя в составе привода (с
учетом фильтра, трансформатора и кабеля) соответствует установившемуся ре
жиму работы двигателя при непосредственном питании от сети. Наибольшие
отличия не превышают 5%.
Следовательно, такие элементы, как дроссель фильтра, трансформатор и
силовой кабель не оказывают заметного влияния на установившийся режим ра
боты электродвигателя и его нагрев.
При включении и выключении привода, а также при изменении выход-
ного напряжения источника питания (ЧРП) в схеме привода наблюдаются вы-
раженные переходные процессы. Форма напряжений носит сложный характер.
Наблюдаются импульсные выбросы напряжения, более чем в 2 раза, превосхо-
дящие номинальные значения. Длительность переходных процессов существен
но зависит от параметров повышающего трансформатора и может достигать не-
скольких минут.
Во время переходных процессов параметры режима работы двигателя
могут более, чем в два раза, превышать параметры установившегося режима.
При исследовании наблюдалось более чем двукратное повышение мощности
потерь электродвигателя. При частой смене режима работы электродвигателя
это может привести к его перегреву.
Дроссель фильтра практического влияния на форму напряжения, прило-
женного к двигателю, не оказывает. Однако, при индуктивности дросселя 0,1
мГн (штатная индуктивность дросселя) он эффективно подавляет короткие об
ратные импульсы напряжения, поступающие на выход ЧРП вследствие волно-
вых и переходных процессов в силовом кабеле. Эффективность дросселя по-
вышается при уменьшении выходного сопротивления ЧРП.
В целом можно признать принятую схему привода погружного насоса
удовлетворительной (с точки зрения режимов работы электродвигателя и по-
терь в нем). В целях улучшения переходных процессов и уменьшения пиковых
значений параметров режима можно рекомендовать перенос повышающего
трансформатора на вход ЧРП и использование высоковольтного ЧРП с непо-
средственным подключением к нему электродвигателя.