Вентильные электродвигатели: принцип работы. Электродвигатель вентильный своими руками. Погружной вентильный двигатель


Диссертация на тему «Исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных погружных вентильных электродвигателей для нефтедобывающих насосов» автореферат по специальности ВАК 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Нефтедобывающая отрасль играет важную роль в экономике России. По объемам добычи нефти Российская Федерация занимает лидирующее место в мире. По данным Мирового энергетического агентства (International Energy Agency), в ближайшие десятилетия - до 2030 ^потребление нефти возрастет до 7,1 млрд. т, при этом её роль в мировом балансе останется определяющей. В структуре себестоимости нефтедобычи вследствие ухудшения структуры запасов нефти и роста доли механизированной добычи происходит устойчивый рост затрат на электроэнергию [15]. Доля трудно извлекаемых запасов нефти (низко проницаемые пласты, остаточные запасы, глубокозалегающие горизонты и т.п.) в настоящее время составляет не менее 65%[66]. Кроме того, крупнейшие месторождения, открытые в 60-70-х годах XX века, значительно истощены, и добыча их при существующих технологиях требует значительных энергетических затрат. Так, в настоящее время на стоимость электроэнергии приходится 30-35% себестоимости добычи нефти [14].

Мероприятия по усовершенствованию электротехнических комплексов нефтедобычи ведутся постоянно по всем направлениям, формирующим себестоимость, и, в первую очередь, в направлениях снижения энергозатрат и повышения ресурса средств механизированной добычи нефти. Большое значение уделяется также оптимизации функциональных характеристик и режимов работы, обеспечивающих повышение добывных возможностей скважины.

Одним из основных средств механизированной добычи нефти являются установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). В РФ более 45 % всех нефтяных скважин оснащены УЭЦН. Ими обеспечивается основной объем добычи нефти (по разным данным не менее 75 %) [15, 17, 53, 56, 66]. В Западной Сибири с использованием УЭЦН добывается до 90 % нефти. Количество скважин, оборудованных УЭЦН, превышает 20 тысяч штук.

Тенденция возрастающего использования УЭЦН, по всей видимости, сохранится.

Для реализации экономичных способов изменения отбора все шире используются установки с регулируемой частотой вращения. Высокая эффективность применения такого электропривода для оптимизации режимов работы различных технологических систем подтверждена многолетним мировым опытом [4, 5, 13, 33, 36]. Важный вклад в теорию и практику регулируемого электропривода внесли: А.Я. Бернштейн, Н.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, М.П. Костенко, Г.Б. Онищенко, A.C. Сандлер, P.C. Сарбатов и другие.

Регулируемые электроприводы для установок электроцентробежных и винтовых насосов строятся либо по схеме преобразователь частоты (ПЧ) -асинхронный двигатель (АД), либо по схеме вентильного электродвигателя, когда частота и фаза выходного напряжения ПЧ жестко связаны с положением ротора электромеханического преобразователя, выполняемого, как правило, по типу синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов. В состав электропривода установок электроцентробежных и винтовых насосов входят также кабель и повышающий трансформатор. Вентильный электропривод по своим энергетическим характеристикам превосходит асинхронные приводы, как регулируемые, так и нерегулируемые, решает многие технологические и ресурсные задачи при эксплуатации установок. В области частот вращения от 1500 до 4000 об/мин погружные вентильные электродвигатели (ПВЭД) имеют повышенный на 6-М0% КПД по сравнению с приводом на основе асинхронных двигателей (АД) с регулированием от ПЧ. При одном и том же напряжении питания потребляемый ими ток примерно на 20% меньше, что позволяет снизить потери в кабеле и увеличить его ресурс. За счет низкого перегрева обеспечивается также увеличение ресурса ПВЭД, снижается интенсивность коррозии, появляется возможность работы с пизкооборотными насосами и нестабильными потоками [8,9, 34, 50].

Важным обстоятельством, влияющим на выбор нефтяными компаниями типа погружного электродвигателя (ПЭД), являются существующие тарифы на электроэнергию и имеющаяся разница в цене на асинхронные и вентильные двигатели в комплекте со станцией управления. Быстрый рост тарифов на электроэнергию в 2008 г. совпал с быстрым падением цен на нефть. Это обстоятельство заставило все без исключения нефтяные компании акцентировать усилия на задаче энергосбережения и способствовало значительному увеличению спроса на ПВЭД. По результатам эксплуатации компании получили подтверждение снижения энергопотребления установок с ПВЭД на 5 -г 30% [7, 28, 46, 55, 69].

В настоящее время в компании ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» внедрение ПВЭД является одним из основных инструментов программы энергоэффективной эксплуатации оборудования. Например, в ТПП «Покачевнефтегаз» число действующих на месторождениях компании установок с ПВЭД только за 2011 год увеличилось с 398 до 623 штук при действующем фонде У ЭЦП - 1960 единиц. На месторождениях компании за счет замены асинхронных ПЭД на вентильные энергопотребление УЭЦН снижено в среднем на 20% [55].

В нефтяной компании ОАО «ТНК-ВР» дополнительно к замерам энергопотребления на 603 скважинах Самотлорского месторождения провели расчеты, которые показали, что при существовавших в 2011 г. тарифах на энергию и при существовавшей разнице в цене для получения принятого в ОАО «ТНК-ВР» индекса доходности (Р1) более 1,5 необходимо снижение потребляемой активной мощности не менее чем на 17% [69]. В этом случае проекты снижения энергопотребления даже методом массовой замены погружных асинхронных электродвигателей на вентильные не будут уступать другим мероприятиям по энергосбережению.

Учитывая, что тарифы па электроэнергию постоянно растут в среднем на 10-г12% в год, также растет доля трудно извлекаемых запасов нефти, привлекательность эксплуатации установок с вентильными электроприводами будет увеличиваться.

История создания ПВЭД для установок нефтедобывающих насосов в России насчитывает более 15 лет. Общее число, поступивших в эксплуатацию ПВЭД (по данным, опубликованным в печати на начало 2012 года), уже приблизилось к 5000 шт. и постоянно растет [8, 35, 52, 55]. Установки с ПВЭД производства ООО «РИТЭК-ИТЦ» успешно эксплуатировались в 1617 скважинах (по состоянию на 31.12.2011 г.). Производственной компанией «Борец» изготовлено порядка 2000 таких изделий. ЗАО «Новомет-Пермь» поставлено заказчикам около 1000 штук ПВЭД. Электродвигатели выпускаются с частотами вращения от 100 до 6000 об/мин, с мощностью в одной секции от 6 до 400 кВт с диаметром корпуса (далее габаритах) 81, 92, 103, 117, 130 мм. Им нет альтернативы как в области частот вращения от 100 до 1500 об/мин, так и частот вращения выше 4000 об/мин, а также в приводе установок 3-го и меньших габаритов (минимальный внутренний диаметр скважины для 2А габарита равен 88 мм, для 3 габарита - 100 мм) для всех частот вращения.

За последние годы основными изготовителями ОАО «AJ1HAC», ПК «Борец», ЗАО «Новомет-Пермь», ООО «РИТЭК-ИТЦ» проделана большая работа по повышению качества как традиционных электропогружных установок с АД, так и сравнительно новых - с ПВЭД. Важный вклад в разработку и внедрение ПВЭД внесли многие отечественные исследователи: Гинзбург М.Я., Павленко В.И., Сагаловский В.И., Сагаловский A.B., Русаков A.M., Санталов A.M. и другие.

Несмотря на значительное число публикаций по теме ПВЭД серийные двигатели нуждаются в дальнейшем техническом совершенствовании, которое позволило бы обеспечить рост эффективности их использования в нефтяной отрасли за счет повышения энергетических характеристик приводов, расширения функциональных возможностей и увеличения ресурса. Потенциал повышения технико-экономических показателей электроприводов с ПВЭД в настоящее время не исчерпан.

Таким образом, с учетом возрастающих требований к повышению эффективности добычи нефти сегодня имеются все необходимые предпосылки для технического совершенствования используемых серийных ПВЭД. Следовательно, необходимы и актуальны работы по исследованию возможностей технического их совершенствования.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование возможностей и разработка средств совершенствования серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов за счет улучшения их технико-экономических показателей и, в том числе, повышения их энергоэффективности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ конструкций серийных ПВЭД для нефтедобывающих насосов, выявлены доступные для доработки значимые параметры и характеристики ПВЭД, влияющие на энергоэффективность и на другие технико-экономические показатели. В частности, выявлено влияние технологических допусков элементов конструкции на силы магнитного притяжения, а также влияние расположения и количества технологических пазов в расточке статора на реактивный момент.

2. Разработан новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Апхуя, снижающий на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета без потери точности. На его основе разработана и апробирована компьютерная имитационная модель (КИМ) для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.

3. На основе проведенных па КИМ исследований, расчетов, а также экспериментов разработаны новые конструкции узлов серийных ПВЭД, улучшающие их характеристики и потребительские свойства.

4. Ыа основании экспериментальных и теоретических исследований характеристик вентильных электроприводов погружных насосов при различных режимах питания даны рекомендации по выбору энергоэффективных режимов.

Объект исследования

Объектом исследования в работе являются электроприводы центробежных и винтовых нефтедобывающих насосов с серийными погружными маслонаполненными вентильными электродвигателями.

Электропривод установок нефтедобывающих насосов состоит из наземной и погружной частей. В состав наземной части входит повышающий трансформатор с первичным напряжением 0,38 кВ и напряжением ступеней регулирования до 5,5 кВт, станция управления, состоящая из преобразователя частоты (ПЧ), фильтра (в случае с ШИМ) и ряда вспомогательных систем. Станция управления подключается к промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Погружная часть электропривода состоит из ПВЭД и кабельной линии.

Методы исследования

Поставленные задачи решались автором, как в теоретических работах, так и экспериментально: на стендах с сертифицированным оборудованием, а также в промысловых условиях. В работе использованы методы теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории электрических машин и электропривода, принципы системного анализа. Для обработки полученных результатов применены программа Ма^гСАЭ, специализированные программы. Исследования электромагнитных и тепловых процессов в ПВЭД проводились в программной среде Атух с помощью специально разработанных КИМ, основанных на методе конечных элементов.

Достоверность полученных результатов

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены:

- Согласованием полученных результатов исследования с соответствующими известными положениями из теории электрических машин, теории электрических цепей и электропривода. Моделированием в современных программных продуктах, доказательством адекватности моделей по выполняемым функциям, а также их апробацией на уровне публикаций.

- Детальной экспериментальной проверкой всех конструктивных решений, выводов, рекомендаций (с использованием сертифицированного оборудования и приборов ведущих мировых производителей).

Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые:

1. Предложен новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе Л/г^ без интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить на порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета. На его основе разработана и апробирована КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя.

2. На основе исследований ПВЭД с помощью КИМ:

- получена количественная оценка влияния технологических зазоров на силы одностороннего магнитного притяжения пакетов ротора в ПВЭД, на ее основе усовершенствована и запатентована конструкция ротора, обеспечивающая снижение усилия на 1 метр активной длины в 3-К3,5 раза и виброскорости в 2-г2,5 раза на резонансных частотах вращения;

- выявлено и оценено влияние расположения и количества технологических пазов в расточке статора на технико-экономические показатели ПВЭД, предложена схема расположения технологических пазов, обеспечивающая уменьшение реактивного момента в 3-г5 раз и улучшение пусковых свойств ПВЭД.

3. На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана и апробирована инженерная методика настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающая минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН - скважина».

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработанная КИМ для исследования и проектирования ПВЭД позволяет с учетом конструктивных особенностей и алгоритмов управления с малыми затратами времени (на порядок ниже, по сравнению с классической методикой), с требуемой точностью в соответствии с потребностями серийного производства рассчитывать выходные показатели и характеристики при параметрическом моделировании, решать задачи по уточнению данных с целью получения требуемых характеристик.

2. Усовершенствованная и запатентованная конструкция ротора со специальными кольцами, меняющими радиальный размер при воздействии осевой нагрузки, позволяет при сохранении технологичности сборки, за счет существенного снижения уровня вибрации расширить рабочий диапазон частот вращения ПВЭД с 3000 до 6000 об/мин и за счет этого сократить габариты установки.

3. Полученные в результате исследований рекомендации по конфигурации листа статора и параметрам обмотки позволяют улучшить эксплуатационные характеристики серийных двигателей, в том числе, повысить надежность запуска и ресурс за счет уменьшения в 3-1-5 раз реактивного момента, увеличить КПД ПВЭД па 1+1,2%.

4. Составленные по результатам экспериментальных исследований рекомендации по выбору напряжения питания ПВЭД позволяют повысить энергоэффективность УЭЦН: увеличить КПД вентильных двигателей на

2-г2,5%, повысить КПД повышающего трансформатора на величину до 0,5%, снизить потребляемый ток (до 6%) и потери в питающем кабеле (до 12%).

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы на следующих предприятиях.

1. ОП «ОКБ БН» ЗАО «Новомет-Пермь» при разработке погружных вентильных электродвигателей типа ПВЭДН в габаритах 81, 117, 130 мм.

2. ЗАО «АВАНТО» при проведении работ по разработке вентильных электроприводов различного назначения, в том числе и погружных.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», а так же на следующих конференциях:

- четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 28-29 февраля 2008 г.;

- пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 26-27 февраля 2009 г.;

- шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), февраль 2010 г.;

- семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 24-25 февраля 2011 г.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Новый подход к моделированию электромагнитных полей электрических машин в программе АпБуя без интерполяции данных между сетками, позволивший без потери точности снизить па порядок, по сравнению с классической методикой, время расчета, а также: а) разработанная на его основе КИМ для исследования и проектирования ПВЭД с подпрограммами для автоматического построения моделей при параметрическом анализе по заданию пользователя; б) результаты проверки адекватности разработанной модели.

2. Результаты исследований ПВЭД на КИМ и рекомендации по совершенствованию его узлов и деталей, представленные в виде конструктивных решений, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики серийных электродвигателей.

3. Результаты экспериментальной оценки зависимости КПД погружных вентильных электроприводов от параметров напряжения на выходе ПЧ и рекомендации по выбору энергоэффективного режима, представленные в виде методики настройки величины напряжения питания ПВЭД, обеспечивающей минимальное значение потребляемого тока для текущего состояния системы «УЭЦН - скважина».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хоцянов И. Д. Оптимизированный по времени расчет электромагнитных и тепловых полей электромеханических устройств с постоянными магнитами в программе Ansys II «Вестник МЭИ», 2012. № 4. - С. 36-42.

2. Хоцянов И.Д., Санталов A.M., Кирюхин В.П., Хоцянова О.Н. Вентильные электроприводы для центробежных насосов // «Вестник МЭИ», 2007. №3.- С. 21-26.

3. Хоцянов И., Санталов А., Перельман О., Рабинович А., Пошвин Е., Кошелев С. Погружные вентильные двигатели. История, конструктивные особенности, возможности // «Нефтегазовая вертикаль», 2011, № 12-е. 58-65.

4. Хоцянов И.Д., Санталов A.M., Стенин С.Л., Хоцянова О.Н. Погружные вентильные электроприводы // Электротехнические комплексы автономных объектов: Сборник научных трудов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008.

С.34-37.

5. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Расчет тепловых и электромагнитных полей электромеханических устройств в версии Academic Teaching Ansys для ВУЗОВ.// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т.2. - С. 91-93.

6. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Моделирование погружных вентильных электродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Т.2. - С. 89-91.

7. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Разработка методики расчета погружных асинхронных электродвигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Четырнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т.2. - С. 74-75.

8. Хоцянов И.Д., Хоцянова О.Н. Особенности макетирования погружных электродвигателей. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.докл.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т.2. - С. 81-82.

9. Пат. 2 380 810 Российская Федерация: МПК Н02К 5/12, Н02К 5/132, Н02К 5/24. Погружной электродвигатель / Хоцянов И.Д., Пошвин Е.В, Санталов A.M., Хоцянова О.П.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Новомет-Пермь» - № 2008149649/09 , заявл. 16.12.08; опубл. 27.01.10, Бюл. № 3.

10. Полезная модель к пат. 115 131 Российская Федерация: МПК Н02К 29/00, МПК Н02К 21/12. Вентильный электродвигатель / Горбунов Д.В., Кошелев С.Н., Хоцянов И.Д. и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Новомет-Пермь» - № 2011138767/07, заявл. 21.09.2011; опубл. 20.04.12, Бюл. № И.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования. Ее содержание изложено на 172 страницах машинописного текста, включая 84 рисунка, 24 таблицы и 2 приложения.

www.dissercat.com

Р.С. Камалетдинов Применение приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей. - Бурение и Нефть

 

Применение приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей.

 

Р.С. Камалетдинов.

 

Успехи в совершенствовании конструкции и технологии производства установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) не снимают задачу улучшения их функциональных, ресурсных и энергетических характеристик.

Основные направления модернизации отечественных и зарубежных установок погружных электронасосов базируются на:

замене применяемых материалов на новые, характеристики которых более соответствуют условиям их работы;

конструктивных доработках отдельных узлов УЭЦН, среди которых следует выделить изменение конфигурации ступеней насосов с целью расширения их рабочей зоны напорно-расходной характеристики и повышения КПД.

Модернизация обеспечила существенный рост надежности выпускаемых УЭЦН. Однако добиться повышения КПД погружных электродвигателей за счет новых конструктивных решений и замены материалов пока не удалось. За последние 15 — 20 лет этот показатель практически не повышался, и сегодня он находится в интервале 82 — 85% (2-полюсные ПЭД для УЭЦН) и 70 — 78% (4-полюсные ПЭД для УЭВН). Таким образом, во всех серийно выпускаемых погружных асинхронных электродвигателях от 15 до 30% электрической мощности выделяется в виде тепла. При определенных режимах работы УЭЦН перегрев электродвигателей приводит к существенному снижению ресурса установки в целом.

Задача снижения перегрева двигателя сводится к проблеме повышения его КПД. В то же время КПД определяет уровень энергопотребления при эксплуатации УЭЦН, составляющего значительную часть расходов на извлечение нефти на поверхность.

Таким образом, создание погружного электродвигателя с высоким значением КПД обеспечивает не только существенное снижение энергопотребления при добыче нефти, но и повышение ресурса УЭЦН.

Возможности дальнейшего повышения параметров энергетической эффективности погружных асинхронных двигателей практически исчерпаны, поэтому около десяти лет назад по техническому заданию ОАО «ЛУКОЙЛ» были начаты работы по созданию приводов погружных центробежных насосов на основе вентильных электродвигателей с постоянными магнитами в роторе. Помимо улучшения, по сравнению с ПЭД, энергетических характеристик возможность регулирования частоты вращения вентильных электродвигателей существенно повышает технологические возможности при эксплуатации УЭЦН.

Вентильные электродвигатели типа ВД конструкции ООО «РИТЭК-ИТЦ» имеют принципиальное отличие от вентильных электродвигателей других разработчиков, которое определяется выбранным диапазоном частоты вращения: диапазон регулирования частоты вращения двигателей ВД — до 3600 об/мин.

Возможность регулирования частоты вращения, которая имеется у вентильных электродвигателей ВД, используется, в основном, для компенсации неточностей подбора оборудования, а также для оптимизации работы системы «насос — пласт» в случае изменений параметров пласта.

Можно также в определенных пределах по частоте вращения и времени работы УЭЦН увеличить частоту вращения для обеспечения требуемой подачи и напора при износе насоса. Оптимальным является диапазон регулирования частоты вращения 2500 — 3600 об/мин, который принят для УЭЦН с приводом на основе ВД.

Обоснованность такого подхода подтверждает диапазон регулирования частот — до 70 Гц, принятый в частотных преобразователях станций управления для УЭЦН с ПЭД.

Однако вентильные двигатели типа ВД обладают совокупностью характеристик, которые обеспечивают их существенные преимущества перед асинхронным приводом ЭЦН, имеющим возможность регулирования частоты вращения при работе с преобразователем частоты (табл.).

Снижение энергопотребления при замене в УЭЦН ПЭД на ВД обеспечивается за счет:

• более высоких значений КПД двигателей ВД. С учетом КПД станции управления вентильным электродвигателем КПДсу = 0,96 и КПДвд = 0,915 (в долях ед.) общее КПД вентильного привода КПДо = 0,96 х 0,915 = 0,88, то есть на 4% выше КПД асинхронного ПЭД.

• более низких значениях рабочего тока. Например, снижение потерь мощности в кабеле при номинальных значениях тока, приведенных в табл., составляет 35%;

• возможности регулирования частоты вращения. Так, при частоте вращения насоса 2800 об/мин потребляемая насосом мощность на 11% меньше, чем при номинальной частоте вращения 2910 об/мин.

Первые УЭЦН с вентильными приводами в ОАО «ЛУКОЙЛ» были запущены в эксплуатацию в начале 2002 г. По состоянию на ноябрь 2006 г. такими установками оборудовано 430 скважин.

Возможность регулирования частоты вращения вентильного привода реализована в 87% скважин, эксплуатируемых УЭЦН с КП ЭЦН ВД. (рис.), при этом 76% — ЭЦН с ВД работают при частотах вращения ниже номинальных значений, а 11% — с частотами вращения выше номинальных значений.

Работа УЭЦН с вентильными приводами с частотой вращения ниже номинального значения позволяет:

• компенсировать погрешность подбора насоса и снижения продуктивности скважины;

• отказаться от подъема установки для замены насоса на меньший типоразмер;

• работать при стабильном динамическом уровне и исключить его снижение до уровня, ниже минимально допустимого;

• отбирать продукцию из скважин с малыми притоками, которые с использованием серийного оборудования могут эксплуатироваться только в периодическом режиме.

Работа УЭЦН с частотой вращения выше номинального значения позволяет:

• увеличить отбор продукции из скважины без подъема установки;

• увеличить подачу насоса при его износе, приводящем к снижению производительности.

В последние годы фонд скважин, оборудованных винтовыми насосами, имеет тенденцию к увеличению. Выпускаемые отечественные винтовые насосы рассчитаны на частоту вращения 1380 об/мин. Общеизвестно, что винтовые насосы с поверхностным приводом, имеющие высокие наработки, работают в диапазоне частот вращения от 70 до 500 об/мин. Погружных асинхронных электродвигателей на такую частоту вращения нет. Попытки использовать в составе УЭВН понижающий редуктор пока положительных результатов не дали.

ООО «РИТЭК-ИТЦ» на базе вентильных электродвигателей ВД был разработан ряд низкооборотных высокомоментных вентильных электродвигателей с регулируемым диапазоном частоты вращения 250 — 1500 об/мин. В настоящее время действующий фонд скважин, эксплуатируемый УЭВН с низкооборотными вентильными электродвигателями, составляет более 80 единиц.

Так как отечественные низкооборотные винтовые насосы для УЭВН серийно не выпускаются, то установки укомплектованы в основном серийными насосами с подачей от 25 до 63 м3/сут., которые при рабочей частоте вращения в диапазоне 300 — 700 об/мин. обеспечивают требуемую подачу и напор. Незначительное снижение КПД насосов ЭВН при уменьшении частоты вращения компенсируется более высоким КПД ВВД по сравнению с 4-полюсным ПЭД. За счет снижения частоты вращения наработки на отказ установок увеличились в 2 — 10 раз. Внедрение низкооборотных УЭВН позволило не только поднять наработку на отказ установок, но и ввести в эксплуатацию ряд скважин из бездействующего фонда.

Несмотря на достигнутый рост наработки на отказ УЭВН с российскими ЭВН и вентильными приводами, их наработки ниже средних значений наработок на отказ импортных винтовых насосов с поверхностным приводом. Причина — недостаточный уровень качества эластомеров, применяемых в российских винтовых насосах.

Созданное ООО «РИТЭК-ИТЦ» с фирмой NETZSCH (Германия) совместное предприятие «РН-КНО» поставляет нефтедобывающим предприятиям установки УЭВН с винтовыми насосами NSPCP и приводами КП ЭВН ВВД.

Результаты эксплуатации привода на основе вентильного электродвигателя, полученные по итогам работы достаточно большого количества УЭЦН в различных нефтедобывающих регионах, позволяют сделать вывод о том, что поставленная разработчиками цель — повысить функциональные, энергетические и ресурсные характеристики УЭЦН с приводом на основе ВД — достигнута.

burneft.ru

Погружной электродвигатель (ПЭД)

Погружной центробежный насос приводится в действие трехфазным электродвигателем переменного тока с короткозамкнутым ротором. Погружные электродвигатели применяются для работы в скважинах с температурой откачиваемой жидкости 80-95° С.

Диаметр корпуса двигателя ограничивается внутренним диаметром эксплуатационной колонны, поэтому, чтобы обеспечить необходимую мощность, длина их достигает 4,2-8,2 м.

Мощности выпускаемых отечественных электродвигателей в зависимости от типа насоса бывают от 14 до 125 кВт, а их диаметры - от 103 до 123 мм.

Скорость вращения ротора погружных электродвигателей составляет около 3000 об/мин.

С целью недопущения проникновения в полость электродвигателя жидкости из скважины его делают герметичным и заполняют маловязким трансформаторным маслом, которое, благодаря действию механизма протектора, находится под давлением, превышающим давление окружающей среды. На рис. 105 показано устройство погружного электродвигателя.

Ротор двигателя состоит из отдельных секций 1, собранных на валу 2. Между секциями устанавливаются промежуточные опорные подшипники качения или скольжения 3, которые предотвращают изгиб вала от одностороннего магнитного притяжения между статором и ротором и от действия неуравновешенных центробежных сил. Осевые нагрузки (в основном вес ротора) воспринимаются верхним радиально-упорным подшипником 8. Статор двигателя состоит из чередующихся между собой магнитных 4 и немагнитных 5 пакетов, собранных в стальной трубе 6; магнитные пакеты в собранном двигателе располагаются напротив секций ротора, а немагнитные напротив промежуточных подшипников. Все пакеты статора связаны с корпусом шпоночным соединением, с помощью которого реактивный крутящий момент статора передается на корпус.

 
 
Обмотка статора 7 является общей для всех секций и выполняется из медных изолированных стержней, укладываемых в пазах статора. Изоляция обмотки выполняется из стеклоткани, пропитанной специальным лаком, и является термо- и маслостойкой. Выводные концы обмотки статора подключаются к кабелю с помощью специальной герметичной штепсельной муфты.

Вал двигателя имеет продольное отверстие диаметром 6-8 мм для циркуляции масла, которым заполнен двигатель. С этой же целью в стенке пакета статора имеются продольные пазы.

Масло циркулирует через пазы в железе статора и фильтр в нижней части двигателя, где оно очищается. Двигатель заполняется специальным маловязким маслом или сухим чистым трансформаторным маслом с высокой диэлектрической прочностью.

При эксплуатации УЭЦН с асинхронным погружным электродвигателем в определенных режимах отбора жидкости из скважины возникают некоторые технологические проблемы, которые приводят к существенному снижению ресурса оборудования. Ограничены возможности дальнейшего повышения энергетической эффективности работы УЭЦН с асинхронным ПЭД.

Значительно лучшими, по сравнению с асинхронными, функциональными, ресурсными и энергетическими характеристиками обладают приводы на основе вентильных электродвигателей. Вентильный привод состоит из электродвигателя, ротор которого выполнен на постоянных магнитах, и станции управления, которая питает обмотку статора по специальному алгоритму. Вентильные электродвигатели имеют возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне. «РИТЭК-ИТЦ» разработал и выпускает привод с диапазоном частоты вращения 500-3500 об/мин, что позволяет использовать его в составе УЭЦН с серийными насосами и гидрозащитой. Вентильный электродвигатель имеет присоединительные размеры, обеспечивающие использование в его комплекте гидрозащиты и подсоединение кабельных муфт, применяемых в серийных ПЭД.

В качестве гидрозащиты применяется специальный протектор. Он собирается в стальном цилиндрическом корпусе, диаметр которого соответствует диаметру насоса. Протектор устанавливается между насосом и двигателем. Через него проходит промежуточный вал, соединяющий вал насоса с валом двигателя посредством шлицевых муфт. Протектор состоит из камер густого масла (вверху) и жидкого маслоотстойника с гидрозатвором (внизу). В верхней части протектора имеется поршень с пружиной для создания избыточного давления масла в протекторе и двигателе в пределах 0,01-0,2 МПа.

В корпусе под поршнем имеется отверстие для сообщения подпоршневой части протектора с окружающей средой и передачи поршню гидростатического давления окружающей жидкости. По мере расхода густого масла через сальник насоса поршень, перемещаясь под действием пружины вверх, подает масло в камеру упорного подшипника насоса и поддерживает в системе избыточное давление. В последнее время гидрозащита выпускается в двух исполнениях - ГД и Г.

В гидрозащите ГД также используется густое и жидкое масло, но здесь они разделены между собой эластичной диафрагмой. Окружающее давление передается электродвигателю через диафрагму, расположенную в компенсаторе, что исключает проникновение пластовой жидкости в полость электродвигателя.

Гидрозащита типа Г предусматривает применение одного лишь жидкого масла, замену радиально-упорных шарикоподшипников в насосе пятой скольжения, которая располагается в верхней части насоса.

Кабель

Электроэнергия подводится к погружному электродвигателю с помощью специального кабеля КРБК и КРБП. Участок токоподвода от станции управления до погружного агрегата выполняется из круглого бронированного кабеля с нефтестойкой резиновой изоляцией типа КРБК (кабель резиновый бронированный круглый) или с полиэтиленовой изоляцией типа КПБК.

На участке погружного агрегата вдоль насоса и гидрозащиты применяется плоский бронированный кабель (КПБК) тоже с резиновой или полиэтиленовой изоляцией. Круглый и плоский кабели сращиваются между собой, место соединения тщательно изолируется, а на конце плоского кабеля прикрепляется кабельная муфта для соединения токоподвода с выводными концами статорной обмотки, обеспечивающей герметизацию ввода кабеля в погружной электродвигатель. Кабель крепится к НКТ металлическими хомутиками.

У КРБК с резиновой изоляцией на медные жилы, обрезиненные диэлектрической резиной и скрученные вместе, накладывается общий нефтестойкий шланг из наиритовой резины, сверху которого имеются защитные покровы из маслостойкой лакоткани, пропитанная хлопчатобумажная оплетка и броня. У плоских кабелей с резиновой изоляцией три медные жилы, обрезиненные диэлектрической резиной и нефтестойким наиритовым шлангом, обматываются стеклотканью и укладываются параллельно. Все три жилы дополнительно обматываются лакотканью, на которую накладываются пропитанная хлопчатобумажная оплетка и броня.

Существует конструкция плоского кабеля, в котором на обрезиненные диэлектрической резиной и уплотненные параллельно жилы накладывается общий наиритовый шланг. Шланг обматывается лакотканью, оплетается противогнилостной хлопчатобумажной оплеткой и бронируется. Сращивание круглых и плоских кабелей с полиэтиленовой изоляцией и изготовление кабельных муфт осуществляется горячим способом в специальных пресс-формах. Броня круглых кабелей выполняется из оцинкованной ленты, а плоских - из стальной оцинкованной или медной ленты. Броня, защищающая кабель от механических повреждений во время спускоподъемных операций, имеет специальный профиль, благодаря которому кабель приобретает большую прочность на раздавливание и сохраняет при этом необходимую гибкость для наматывания на барабан через специальный подвесной ролик диаметром 900 мм.

Кабели с резиновой изоляцией имеют номинальное напряжение 1100 В и предназначаются для работы при температуре окружающей среды от +90° до -30° С и давлении до 10,0 МПа.

Допустимая температура окружающей среды от +90° до -55° С, давление до 20,0 МПа. Кабели с полиэтиленовой изоляцией обладают большой газостойкостью.

studopedya.ru

принцип работы. Электродвигатель вентильный своими руками

Бизнес 8 февраля 2016

Вентильные электродвигатели во многом являются схожими с электромагнитными аналогами. Однако следует отметить, что устройства способны работать в сети постоянного и переменного тока. На сегодняшний день различают однофазные, двухфазные и трехфазные модификации.

В среднем мощность модели равняется 5 кВт. Рабочая частота двигателя не превышает 60 Гц. У некоторых модификаций применяется датчик положения ротора. Используются вентильные электродвигатели чаще всего для компрессоров и вентиляционных систем.

Схема устройства

Обычный двигатель включает в себя статорную коробку с якорем, а также ротор. Коллектор в маломощных модификациях устанавливается щеточного типа. Если рассматривать однофазные вентильные электродвигатели, то у них предусмотрен полюсный наконечник. За ним располагается специальный вал вращения. У мощных моделей есть сердечник ротора. Для возбуждения цепи применяется бендикс. Вал у двигателей вентильного двигателя вращается со специальным диском.

Принцип работы

Принцип действия двигателя строится на магнитной индукции. Процесс заключается в возбуждении обмотки статора. Происходит это путем подачи напряжения на бендикс. У многих модификаций также применяется датчик положения ротора. Для подключения регуляторов используются клеммные коробки. Для фиксации вала применяются зажимные кольца. У сверхмощных двигателей есть втягивающее реле. Оно необходимо для усиления электромагнитного поля.

Видео по теме

Модель своими руками

Сделать электродвигатель (вентильный) своими руками довольно сложно. В первую очередь для сборки потребуется магнитный статор. В некоторых случаях ротор используют со стальным якорем. Далее потребуется заготовить вал с головкой. По диаметру он должен подходить под кольцо. Статор в данном случае обязан быть с первичной обмоткой, которая может выдерживать напряжение в 220 В.

Для подключения двигателя вентильного типа понадобится проводник. Подсоединяться он обязан к клеммной коробке. У некоторых модификаций вал крепится на диске. Таким образом, процесс набора оборотов происходит быстро. Для того чтобы избежать случаев коротких замыканий в цепи, используют уплотнитель.

Реактивная модификация

Сделать вентильный реактивный электродвигатель своими руками можно только на базе щеточного коллектора. В первую очередь потребуется подобрать ротор с обмоткой. Далее под него устанавливается вал. В некоторых случаях его используют с объемной насадкой. Для уменьшения силы трения понадобится небольшое кольцо на роликовых подшипниках.

Далее на вентильный реактивный электродвигатель устанавливается бендикс. В данном случае диск фиксируется на шпонке. Клеммная коробка обязана располагаться в задней части двигателя. Вал при этом должен находиться в центральной части корпуса. Вентиляционные отверстия чаще всего делают над ротором.

Устройства постоянного тока

Вентильный электродвигатель постоянного тока можно сложить на базе щеточного коллектора, который способен выдерживать большое выходное напряжение. После фиксации статора нужно заняться ротором. Для этого подбирается вал и диск небольшого диаметра. Также потребуется мощное втягивающее реле. Некоторые применяют его с высоковольтной обмоткой. На этом этапе особое внимание следует уделить фиксации сердечника для возбуждения обмотки. Используются погружные вентильные электродвигатели постоянного тока, как правило, в самолетостроении. У некоторых моделей предусмотрена сложная схема воздушного охлаждения с каналами.

Модели переменного тока

Сделать модель данного типа довольно просто. Однако для сборки потребуется бендикс. В данном случае его необходимо сразу подбирать со стальным сердечником. Некоторые специалисты рекомендуют применять алюминиевые наконечники. Однако проводимость тока у них невысокая. Непосредственно подача напряжения осуществляется через клеммную коробку.

Во многих модификациях щеточный коллектор устанавливается в передней части корпуса. Таким образом, вал можно использовать небольшого диаметра. Контактные кольца крепятся, если делается двигатель большой мощности. Для того чтобы уменьшить силу трения, можно использовать подшипники. Устанавливать их следует вблизи коллектора.

Двигатели однофазного типа

Для приводов небольшой мощности подходит однофазный вентильный электродвигатель. Принцип работы устройств основан на повышении индуктивности магнитного поля. Для этого применяется бесщеточный коллектор. Бендиксы в устройствах отсутствуют. Также важно отметить, что статоры могут использоваться только с большой проводимостью. Однако в первую очередь для сборки потребуется качественный ротор. Устанавливать его следует вблизи вала.

Следующим шагом необходимо наварить кольцо. Диск при этом обязан располагаться на другой стороне вала. Для охлаждения двигателя вентильного типа подойдет вентилятор. У некоторых модификаций для усиления индукции применяются втягивающие реле.

Двухфазные модели

Двухфазные вентильные электродвигатели можно собрать самостоятельно. Для этого специалисты рекомендуют использовать мощные бендиксы. В некоторых случаях применяются статоры с первичной обмоткой. Для фиксации ротора потребуется прочный корпус. В данном случае наконечники следует использовать с хорошей проводимостью.

Для того чтобы электромагнитное поле усиливалось равномерно, применяются катушки различной чувствительности. Втягивающие реле устанавливаются позади статоров. Вал в конструкция обязан находиться на диске. Для его фиксации применяются шпонки.

Трехфазные устройства

Трехфазовым вентильным электродвигателем называют устройство, работающее по принципу возрастания индукции магнитного поля. У моделей бендиксы устанавливаются только с высокой чувствительностью. В данном случае для усиления электромагнитного поля применяются полюсные наконечники. Непосредственно статоры используются с лапами. У некоторых модификаций есть щеткодержатели. Также важно отметить, что трехфазные вентильные электродвигатели часто применяются для работы приводов на 20 кВт. Частотность в данном случае не превышает 60 Гц. Вал у моделей обязан вращаться свободно. Для этого производители оснащают устройства роликовыми подшипниками. У многих моделей есть специальные проводники, которые соединяются с клеммной коробкой. Непосредственно подача напряжения происходит через силовой кабель.

Модель с низкочастотным бендиксом

Низкочастотные бендиксы позволяют стабильно повышать индуктивность в цепи. Многие модели данного типа отличаются своей чувствительностью. Для того чтобы собрать устройство самостоятельно, необходимо подобрать хороший статор. Модификации с якорями не подойдут.

Также важно отметить, что низкочастотные бендиксы не способны работать с втягивающими реле. Все это приводит к быстрому перегреву двигателя. Для того чтобы исправить ситуацию, потребуется мощный вентилятор. Также следует предусмотреть небольшую катушку. За счет этого обмотка сможет выдерживать напряжение в 220 В. Чтобы избежать случаев коротких замыканий, применяют щеткодержатель.

Применение высокочастотных бендиксов

Сделать двигатель с высокочастотным бендиксом довольно просто. Для этого потребуется простой статор. Непосредственно ротор подбирается с первичной обмоткой. Чтобы повысить обороты вала используют специальные заточные диски. У многих конфигураций применяются втягивающие реле. Также важно отметить, что для сборки двигателя данного типа необходим качественный щеткодержатель. Для его фиксации используют контактные кольца. Чтобы уменьшить силу вибрации, применяются уплотнители разной жесткости. Во многих конфигурациях над ротором устанавливается кожух.

Использование тягового реле

Тяговые реле очень часто устанавливаются на примышленный вентильный электродвигатель. Принцип работы устройств строится на умеренном увеличении силы магнитного поля. В данном случае происходит последовательное возбуждение обмотки. Для того чтобы самостоятельно собрать модификацию, следует использовать щеточный коллектор.

Также в этой ситуации не обойтись без катушки главного полюса. Однако в первую очередь нужно зафиксировать ротор с валом. После этого можно будет заняться клеммной коробкой. Первичная обмотка у двигателя вентильного типа обязана выдерживать выходное напряжение в 220 В. Отдельное внимание следует уделить статору. Для уменьшения силы вибрации используются уплотнители большой жесткости. Для фиксации вала понадобится стопорное кольцо.

Источник: fb.ru Технологии Электродвигатели бесколлекторные: принцип работы, управление бесколлекторными электродвигателями. Бесколлекторный электродвигатель своими руками

Применяются бесколлекторные электродвигатели в медицинской технике, авиамоделировании, трубозапорных приводах нефтепроводов, а также во многих других отраслях. Но у них имеются свои недостатки, особенности, а также пр...

Бизнес Картофелесажалка своими руками: принцип работы, особенности конструкции

Как и заводская, картофелесажалка, своими руками сделанная, имеет то же предназначение – равномерная укладка клубней на заданную глубину и равномерная заделка грядки. Рядность, глубина посева, заделка почвы &nda...

Домашний уют Автоматический кернер своими руками: принцип работы и устройство

В работе с металлом мастеру часто приходится просверливать отверстия. Во время этой процедуры сверло дрели нередко соскальзывает в стороны, создавая тем самым большие неудобства. Предотвратить это можно за счет исполь...

Домашний уют Гидроаккумулятор своими руками: устройство, принцип работы, подключение

Проживание в собственном доме или на даче должно быть максимально комфортным. Поэтому обустройству всех систем жизнеобеспечения уделяется особое внимание еще на этапе строительства. Некоторые хозяева, желая сэкономить...

Домашний уют Картофелекопалка к мотоблоку своими руками. Принцип работы картофелекопалки

Картофелекопалка к мотоблоку является навесным устройством и используется вместе с мотоблоком. Эффективность ее работы высокая. Она способна обработать не только земельный участок, но и поле. Ее основная функция заклю...

Домашний уют Воздушные тепловые насосы: описание, принцип работы. Тепловой воздушный насос для дома своими руками (отзывы)

Среди основных направлений развития инженерного оборудования для частных домовладений можно выделить повышение производительности с эргономикой и расширение функциональности. При этом все чаще разработчики обращают вн...

Домашний уют Насос высокого давления для пневматики: чертежи, устройство, принцип работы. Как выбрать насос высокого давления для пневматики? Как сделать насос высокого давления для пневматики своими руками?

Насосы под пневматическую винтовку производятся с различными стойками. Толкатели в устройствах устанавливаются в вертикальном и горизонтальном положении. Фильтры чаще всего применяются с расширителями. Для безопасного...

Домашний уют Нагреватель парокапельный: отзывы владельцев. Парокапельный нагреватель своими руками: чертежи, устройство, принцип работы

Нагреватель парокапельный, отзывы о котором вам наверняка будет интересно прочесть перед приобретением оборудования, представляет собой современный агрегат теплообменного типа, который сильно отличается от известных о...

Домашний уют Вакуумный насос для откачки канализации в домашних условиях, в частном доме, своими руками: фото, принцип работы

Наличие автономной канализации предусматривает необходимость регулярного ее очищения. Если данная процедура не будет проведена вовремя, то на участке ухудшатся санитарные условия, выгребная яма или септик окажутся пер...

Домашний уют Беспроводная зарядка своими руками: принцип работы, последовательные шаги сборки

Так как вечный источник энергии пока никто не изобрел, приходится регулярно подзаряжать батарейки сотовых телефонов и различных цифровых гаджетов от электросети. Не всегда есть возможность сделать это обычным способом...

monateka.com