Дослідження електромеханічних процесів електроприводу верстат-гойдалки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

УДК 621.316.72

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня магістра технічних наук

Дослідження електромеханічних процесів електроприводу верстат-гойдалки

КЛИМЕНКО ВІКТОРІЯ ГРИГОРІВНА

Київ-2015



Робота виконана у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України на кафедрі Електромеханічного обладнання геотехнічних виробництв

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Мазуренко Леонід Іванович,

Національний технічний

університет України «Київський

Політехнічний Інститут»

Захист відбудеться 16 червня 2015 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" (03056, Київ-56, вул. Борщагівська,115, ауд.206 корпусу 22).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київського політехнічного інституту" (03056, Київ-56, пр. Перемоги,37)



АНОТАЦІЯ

Клименко В. Г. Дослідження електромеханічних процесів електроприводу верстат-гойдалки.

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 8.05070205 - електромеханічні системи геотехнічних виробництв. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОНМС України. - Київ, 2015.

Дисертацію виконано для підвищенню енергоефективності процесу видобутку нафти шляхом покращення електромеханічних характеристик приводу верстата-гойдалки з регульованим вентильно-індукторним двигуном.

Розроблено імітаційну модель регульованого вентильно-індукторного двигуна для приводу верстатів-гойдалок.

Досліджено електромеханічні та енергетичні характеристики електроприводу верстата-гойдалки. Розроблено рекомендації щодо шляхів регулювання частото ти обертання двигуна за допомогою напруги та кутів комутації. Встановлено величини пульсацій параметрів вентильно-індукторного двигуна.

Проведено порівняння електромеханічних та механічних характеристик вентильно-індукторного та асинхронного двигунів.

вентильний індукторний двигун гойдалка



АННОТАЦИЯ

Клименко В. Г. Исследование электромеханических процессов електропривода станока-качалки.

Диссертация на соискание ученой степени магистра по специальности 8.05070205 - электромеханические системы геотехнических производств. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» МОНМС Украины. - Киев, 2015.

Диссертация выполнена для повышению энергоэффективности процесса добычи нефти путем улучшения электромеханических характеристик привода станка-качалки с регулируемым вентильно-индукторным двигателем.

Разработана имитационная модель регулируемого вентильно-индукторного двигателя для привода станков-качалок.

Исследованы электромеханические и энергетические характеристики электропривода станка-качалки. Разработаны рекомендации для регулирования частоты вращения двигателя с помощью напряжения и углов коммутации. Установлено величины пульсаций параметров вентильно-индукторного двигателя.

Проведено сравнение электромеханических и механических характеристик вентильно-индукторного и асинхронного двигателей.



ABSTRACT

Klymenko V. G. Study of electromechanical processes of Pumping Unit.

Thesis for a master's degree in the specialty 8.05070205 - electromechanical systems of geotechnical industries. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute" MONMS Ukraine. - Kyiv, 2015.

Thesis is made to increase energy efficiency of oil extruding process by improving electromechanical characteristics of pumping units with controlled switched reluctance motor.

It was made a simulation model of switched reluctance motor.

The electromechanical and energy characteristics of switched reluctance motor were studied. There were made recommendations for controlling the frequency by changing voltage and switching angles. Set the value of ripples in switched reluctance motor's parameters.

Electromechanical and mechanical characteristics of switched reluctance motor and asynchronous motor were compared.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У розвинених країнах до 65 % усієї електроенергії споживається електроприводом. Електропривод є суттєвою складовою в єдиному енергетичному процесі виробництва, розподілу й використання електричної енергії. Забезпечення ефективного використання енергії електромеханічним обладнанням є важливою проблемою для підприємств, адже в умовах енергетичної кризи вимоги до енергоефективного використання електромеханічного обладнання постійно збільшуються. Аналіз електромеханічних характеристик приводу верстатів-гойдалок методами математичного моделювання та комп'ютерного симулювання дає змогу визначити вид приводу, за якого система працюватиме енергоефективно. Відомі двигуни, що використовуються для приводу верстатів-гойдалок мають недоліки, основні з яких: неоптимальне використання енергоресурсів, через складність чи відсутність системи керування двигуна; довготривалий період роботи двигуна в холостому режимі чи режимі недовантаження, через особливості навантаження на верстаті-гойдалці. Приводом цього століття за прогнозами фахівців стане привод на основі вентильно-індукторного двигуна, який є основним конкурентом частотно-регульованого електроприводу, бо наділений багатьма перевагами. Тому задачі створення нових методів дослідження і покращення роботи верстатів-гойдалок на основі сучасних досягнень в теорії автоматизованих електроприводів, електричних машин, математичного моделювання і комп'ютерної техніки є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибір науково-технічної задачі було здійснено на основі наступних нормативно-правових актів:

– закону України - “ Про енергозбереження” (від 9 квітня 2015 р.);

- пріоритетному напряму розвитку науки і техніки Міносвіти і науки України “Новітні технології, ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (від16 жовтня 2012 р.).

Мета дослідження - підвищення енергоефективності процесу видобутку нафти шляхом покращення електромеханічних характеристик приводу верстата-гойдалки з регульованим вентильно-індукторним двигуном.

Задачі дослідження:

1. Аніліз існуючих методів моделювання верстатів-гойдалок та їх приводної частини для дослідження режимів роботи системи, електромеханічних та механічних характеристик в приводі верстатів-гойдалок.

2. Розробити математичну модель верстата-гойдалки з керованим приводом на базі вентильно-індукторного двигуна, дослідити електромеханічні та енергетичні характеристики системи та проаналізувати їх вплив на верстат-гойдалку.

3. Встановити енергоефективні способи керування вентильно-індукторним двигуном, які дозволять регулювати частоту обертання кривошипа в залежності від зміни дебіту свердловини .

Ідея роботи - розробка математичної моделі для аналізу процесів електромеханічного перетворення енергії в вентильно-індукторному двигуні для детального аналізу процесів, визначення співвідношень конструктивних та режимних параметрів вентильно-індукторних двигунів в умовах приводу верстата-гойдалки.

Об'єкт дослідження - електромеханічні процеси в приводі верстатів-гойдалок.

Предмет дослідження - привод верстатів гойдалок з вентильно-індукторним двигуном.

Методи дослідження. Під час виконання роботи були використанні наступні методи: метод порівняння для визначення математичної моделі вентильно-індукторного двигуна; формула Маляра, метод аналітичної геометрії та графо-аналітичний метод для розрахунку моменту навантаження на кривошипі; метод лінійної сплайн апроксимації - для розрахунку індуктивності; метод максимуму-мінімуму для визначення розподілу напруги .

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено універсальну математичну модель для аналізу електромеханічних процесів в приводі верстата-гойдалки з вентильно-індукторним двигуном з врахуванням кутів комутації, передаточного числа редуктора, кривошипно-шатунного механізму та системи керування.

2. Встановлено характер протікання електромеханічних процесів вентильно-індукторного двигуна приводу верстата гойдалки.

Практичне значення одержаних результатів:

1. На основі отриманих електромеханічних залежностей розроблено рекомендації для застосування вентильно-індукторних двигунів з системою керування для приводу верстатів-гойдалок.

2. Розроблені рекомендації для регулювання електроприводу верстатів-гойдалок з вентильно-індукторними двигунами.

Публікації :

1. Бібік О. В., Зайченко С. В. , Клименко В. Г. «Верстат-гойдалка з регульованим приводом»// Патент на корисну модель № 98824, зареєстровано 12.05.2015.

2. Бібік О. В., Поліщук В. О. , Клименко В. Г. «Вентильно-індкторний двигун з системою керування для приводу верстат-гойдалок» //Тези доповідей 7 міжнародної наукової конференції: Енергетика. Людина. Екологія, 28-29.05.2015 р.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі зазначено основні напрямки розвитку енергетики у виробництві та електроприводу у нафтовидобувній промисловості. Описано зв'язок між економією енергії, видобуванням нафти верстатом-гойдалкою та використанням вентильно-індукторного двигуна.

У першому розділі «Електропривод верстатів-гойдалок. Аналіз схем технічних рішень» було розглянуто основні тенденції розвитку електроприводу та перспективи використання ВІД при необхідності регулювання частоти обертання двигуна в широкому діапазоні та важких умовах експлуатації.

Верстати-гойдалки належать до механізмів з важкими умовами пуску, тому для їх приводу використовують асинхронні двигуни, в яких пусковий обертальний момент приблизно у два рази більший від номінального.

Недоліки АД: Необхідно відзначити, що низька завантаженість АД електроприводів ШНСУ призводить до недовикористання їхньої установленої потужності і, як наслідок, збільшення споживання реактивної енергії. Зменшення або мінімізація витрат електроенергії на одиницю продукції потребує вирішення цілого комплексу проблем як теоретичного, так і практичного характеру. По простоті пристрою і надійності ВІД перевершує АД, трудомісткість його виготовлення в 1,5...2 рази менше ніж у асинхронного двигуна. При цьому ККД у ВІД на 2-5% вище.

Порівняно з синхронними вентильними двигунами з електромагнітним збудженням або збудженням від постійних магнітів (ПМ), ВІД конструктивно простіший і надійніший, вартість його істотно нижча.

Розрізняють такі способи керування ВІД: безперервне, імпульсне, релейне, дискретно-фазове та широтно-фазове.

За останні десять років відсоток застосування ВІД в регульованому електроприводі збільшився у вісім разів і досяг 8%. За прогнозами фахівців, ця цифра зростатиме[1].

Виходячи з вищепроаналізованих типів двигунів для остаточного вибору двигуна для приводу ШНСУ порівняємо АД і ВІД. У приводі верстатів-гойдалок для забезпечення необхідної перевантажувальної здатності, АД слід вибирати завищеною номінальної потужності, орієнтовно в 1,5 ч 2 рази.

Особливість застосування ВД у приводах ШНСУ полягає, насамперед, у тому, що його номінальна потужність може бути в 2 ч 3 рази менше ніж у АД при забезпеченні однієї і тієї ж перевантажувальної здатності по моменту. Для наочності в таблиці 1 зіставлені деякі характеристики серійно випускаються асинхронних і вентильних двигунів.

Таблиця 1- Технічні характеристики серійних електродвигунів

Тип двигуна	Р2ном. кВт	nном. об/хв	Мном. Н м	Cos ц	з %	m кг
АД - 4А100 L4	4	1430	28	0,84	84	56
ВД - 5ДВМ165М	2,5	1500	17	1	92	25
АД - 4А160 М4	18,5	1465	120	0,87	87,5	160
ВД - 5ДВМ215S	7	2000	35	1	90	60
АД - 4Ф180М4	30	1460	196	0,87	90	195
ВД - 5ДВМ215L	14	2000	70	1	91	70

Провівши порівняльний аналіз ШНСУ з приводами на базі АД і ВІД обертального руху можна відзначити наступне, що застосування ВД дозволить зменшити номінальну потужність і габарити електродвигуна, а також втрати електроенергії орієнтовно в 2 рази.

У промисловості є великий клас пристроїв і механізмів, що використовують нерегульований електропривод, де енергетична ефективність істотно зростає при використанні регульованого електроприводу. До таких пристроїв, перш за все, відносяться компресори, насоси і вентилятори. Використання тут ВІД є дуже перспективним .

У другому розділі «Методика досліджень електроприводу верстатів-гойдалок» розглянуто два підходи для розрахунку моменту на кривошипі верстата-гойдалки.

Перша, запропонована математична модель верстата-гойдалки дає змогу однозначно визначати закони руху елементів верстата-гойдалки за методом аналітичної геометрії [37], зокрема, залежності їх лінійних та кутових переміщень від кута повороту кривошипа на підставі геометричних розмірів ланок перетворювального механізму, схема зображена на рис.2.1.

Рисунок 2 - Кінематична схема верстата-гойдалки

Для цього введемо дві системи координат, в яких визначаються закони руху елементів ШНСУ: xO1y з початком координат в точці О1 - на осі обертання кривошипа і xґO2yґ з початком координат в точці О2 - на осі обертання балансира (рис.2). Визначивши закони руху точок A та B в цих системах координат та зв'язок між ними (1). Можна визначити залежність кута в повороту балансира від кута б повороту кривошипа за формулою (2).

(1)

(2)

З канонічного рівняння прямої, яка проходить через точки А та В, можна визначити кут між шатуном і віссю x:

(3)

між шатуном і балансиром:

(4)

Чотириланковий механізм верстата-гойдалки визначає зв'язок між законами руху вихідного вала редуктора і гирлового штока колони штанг та сили, яка до нього прикладена, і моментом, який діє на кривошип. Кут повороту балансира однозначно визначається положенням кривошипа, а швидкість його обертання:

(5)

- швидкість обертання кривошипа;

- передавальне число від вала двигуна до кривошипа,

kш, kp -передавальні числа клинопасової передачі та редуктора.

Шлях, пройдений точкою підвішування штанг, визначається залежністю

, (6)

де k1 - довжина лівого плеча балансира (рис.2.1),

S0 - початкове значення, а лінійна швидкість руху та прискорення визначаються за формулами :

. (7 а,б)

Значення сили, яка діє уздовж шатуна , визначається за формулою

(2.8)

де Р0 - сила, яка діє на полірований шток в точці підвішування штанг; Gб, Gгб, - сили тяжіння, які діють на зрівноважувальні вантажі на балансирі та головкці балансира;

lг, lб =l2 - відстані від осі обертання балансира до відповідних центрів ваги.

Визначивши тангенціальну складову сили, яка діє на палець кривошипа зі сторони балансира, з рівності моментів, які діють на кривошип, знаходимо вираз для моменту навантаження на валу кривошипа

(9)

де rкр - радіус кривошипа,

Gк,- сили тяжіння, які діють на зрівноважувальні вантажі на кривошипі;

ki - передавальне число від вала двигуна до кривошипа.

Електромагнітний момент двигуна буде рівним:

(10)

моменту навантаження на валу кривошипа;

коефіцієнт редукції.

Друга математична модель дозволяє розрахувати момент на кривошипі верстата-гойдалки за графо-аналітичним методом з вимірюванням плечей сил. Особливістю є те, що момент навантаження на кривошипі визначається для робочого і холостого ходу верстата-гойдалки окремо:

(11)

де, моменту навантаження на кривошипі;

моменту навантаження на противаги на кривошипі.

Розрахунковий середньоквадратичний момент на кривошипі для визначення потужності електродвигуна та оцінки енергозатрат верстата-гойдлалки :

(12)

Потужність електродвигуна знайдемо по формулі:



, (13)

де -кутова швидкість обертання кривошипа;

- ККД верстата-гойдалки.

Математична модель ВІД:

(14)

де k = 1…m - номер фази ;

uk, ik - відповідно напруга й струм k-ї фази;

R - активний опір фазної обмотки;

Me, Mc - електромагнітний момент і статичний момент опору навантаження;

J - момент інерції;

щ - кутова частота обертання ротора.

Індуктивність:

(15)

(16)

Модель ВІД складається з таких блоків: датчик положення ротору, перетворювач, регулятор швидкості, два блок імітації крутного моменту механічного навантаження на кривошипі верстата-гойдалки, які розроблені за розглянутими вище математичними моделями, блок для вимірювання потужності та ККД, тощо (рис.3).

Рисунок 3- Імітаційна модель ВІД для верстата-гойдалки в середовищі MatLab Simulink

У третьому розділі «Моделювання та аналіз електромеханічних процесів приводу верстатів-гойдалок» проведемо дослідження електромеханічних процесів приводу на верстаті-гойдалці типу СК8-3,5-5600. Для 3-фазного ВІД конструкції 6/4 обрано кути комутації =47 і =77 за побудованими залежностями (рис. 4, рис. 5).



Рисунок 4 - Залежність зміни частоти обертання двигуна від кута ввімкнення.

Рисунок 5 - Залежність зміни ККД від кута ввімкнення.

Побудовано графіки механічної характеристики (рис. 6) та енергетичної (рис. 7) характеристик ВІД.



Рисунок 6 - Механічна характеристика ВІД



а)

б)

Рисунок 7 - Енергетичні характеристика ВІД а)зміна ККД від вихідної потужності; б)зміна ККД від моменту навантаження

Досліджено електромеханічні параметри ВІД при зміни моменту навантаження верстата-гойдалки в залежності від кута повороту кривошипа: Mc1=0.8Mc_ном; Mc2=0.7Mc_ном ; Mc3=0.45 Mc_ном.

Рисунок 8 - Графік зміни моменту навантаження верстата-гойдалки в залежності від кута повороту кривошипа (Mc1=0.8Mc_ном; Mc2=0.7Mc_ном ; Mc3=0.45 Mc_ном).

Зображено часові залежності частоти обертання, моменту двигуна, вхідної та вихідної потужностей та ККД ВІД в квазісталих режимах.

За рахунок зміни напруги живлення (табл.2) відбувається регювання швидкістю обертання ВІД.

Таблиця 2- Вплив регулювання напруги на частоту обертання кривошипа

	Mс	Номінальні значення	Регульовані значення	Різниця	Зниження напруги, %
		U, В	nкр, об/хв	U, В	nкр, об/хв	U, В	nкр, об/хв
1	Mc_max	400	15.46	360	14	40	1.46	10
2	Mc1	400	19.25	320	15.65	80	3.6	20
3	Mc2	400	20.7	300	15.6	100	5.1	25
4	Mc3	400	22.5	270	15.5	130	7	32.5

Досліджено пульсації ВІД в залежності від зміни кількості гойдань верстата-гойдалки, передаточного числа, кутів комутації, напруги живлення ВІД та моменту інерції. Найбільші пульсації спричиняє зміна кількості гойдань верстата гойдалки.

Порівняння механічної та енергетичної характеристик ВІД та АД (рис. 9, рис. 10) підтвердило переваги спроектованого ВІД.

Рисунок 9 - Механічні характеристики ВІД та АД

Рисунок 10 - Енергетична характеристика ВІД та АД

По графікам енергетичних характеристик двигунів можна зробити висновок, що при зміні стандартного АД, що використовується для приводу верстата-гойдатки типу СК8-3,5-5600 на розроблений ВІД, ККД збільшиться на 10 %.

У четвертому розділі «Статистичне моделювання» викладено моделювання випадкових величин напруги (U) на ділянці електричного кола -- фізична величина, що визначається роботою, яка виконується сумарним полем електростатичних і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола. Поняття напруги є узагальненим поняттям різниці потенціалів: напруга на кінцях ділянки кола дорівнює різниці потенціалів в тому випадку, якщо на цій ділянці не прикладена електрорушійна сила.

Напруга живлячої мережі від 340МПа до 420В.

При вирішенні практичних завдань, пов'язаних з випадковими величинами, часто виявляється необхідним обчислювати ймовірність того, що випадкова величина прийме значення, що вкладається в деяких межах, наприклад від до . Ця ймовірність часто виражається через щільність розподілу. Очевидно, що вона дорівнює сумі елементів імовірності на всій цій ділянці, тобто інтегралу:

. (17)

Геометрично ймовірність влучення величини Х на ділянку (,) дорівнює площі кривої розподілу, що опирається на цю ділянку.

Оцінимо ймовірність попадання попадання напругиU на ділянку (320;420), що рекомендується:

. (18)



Для розподілу Гауса напруга U: дисперсія - 149760; середньоквадратичне відхилення - 15,29; мода - 0,217, ексцес і показник асиметрії - 0.

У п'ятому розділі розділі «Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях» проаналізована нормативно-правові акти в галузі нафтовидобування. Визначено небезпечні чинники та надзвичайні ситуації на нафтових підприємствах, причини їх виникнення та заходи попередження. Основними заходами є інформування та оповіщення, спостереження, укриття в захисних спорудах, евакуаційні заходи тощо. Визначено основні правила електробезпеки та вибухозахисту на нафтогазових підприємствах, зокрема, техніка безпеки при експлуатації електричних двигунів.



ВИСНОВКИ

При номінальному моменті навантаження на двигуні 100 Нм було обрано кути комутації та , які забезпечують роботу ВІД потужністю з максимальним ККД, та виявлено можливість регулювання частоти обертання ВІД кутами комутації в діапазоні від 150 до 250 рад/с за умови ККД не нижче 0,9.

При аналізі енергетичної характеристики встановлено, що в досліджуваному діапазоні зміни навантаження ККД ВІД змінюється від 0,85 до 0,96 (на 10%).

Для моментів навантаження Mc_ном<Mc1<Mc2<Mc3 встановлено характеристики ВІД в квазісталих режимах. Для зменшення швидкості обертання кривошипа до 15,5 об/хв., необхідно зменшити напругу живлення з 400 В при Mc_ном : для Мс1 - до 320 В (на 20 %), Мс2 - до 300 В (на 25 %), для Мс3 до 270 В (на 32,5 %).

Досліджено пульсації ВІД в залежності від зміни кількості гойдань верстата-гойдалки, передаточного числа, кутів комутації, напруги живлення ВІД та моменту інерції. Найбільші пульсації спричиняє зміна кількості гойдань верстата гойдалки.

Порівняння механічної та енергетичної характеристик ВІД та АД підтвердило переваги спроектованого ВІД. ККД збільшиться на 10 %. Діапазон потужностей роботи ВІД, в якому він досягає максимального значення ККД ширший ніж у АД у 4,5 рази чи на 77 %.

Размещено на Allbest.ru

...