image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 6 2016

Насосы. Компрессоры

01.06.2016 10:00 Результаты испытаний станции управления АО «ПНППК» для вентильных электродвигателей станков-качалок

В статье приводятся результаты стендовых испытаний станции управления производства АО «ПНППК» на базе преобразователя частоты Vacon серии NXP для вентильных электродвигателей установок штанговых скважинных насосов (УШГН). Испытания проводились специалистами АО «ПНППК» и ООО «ЭПУ-ИТЦ». Целью проверок являлась объективная сравнительная оценка динамических свойств представленного оборудования. В качестве объекта управления использовался синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов типа ВДПМ-СК-470Б производства ПАО «НИПТИЭМ». При проведении испытаний воспроизводились и подвергались оценке наиболее ответственные при реальной эксплуатации режимы работы оборудования: режим «плавный пуск», режим стабилизации частоты вращения на заданном оператором уровне, режим наброса и сброса нагрузочного момента, режим наброса (скачка вверх) напряжения питающей сети. Во всех стационарных режимах оборудование продемонстрировало устойчивую работу. Отмечена стабильная частота вращения при работе в диапазоне напряжений питающей сети ниже номинального. Стабилизация частоты вращения в указанном диапазоне обеспечивается специальным алгоритмом управления преобразователя частоты Vacon (режим ослабления поля), который при просадке напряжения питающей сети позволяет сохранить регулировочные характеристики привода (стабилизацию заданной оператором частоты вращения) до уровня 285 В (–25%). В динамических режимах, обусловленных возмущениями (типа скачкообразного и трапецеидального изменения нагрузочного момента, скачкообразного сброса и наброса напряжения питающей сети), благодаря высокому быстродействию станции управления переходные процессы (в виде выбросов или провалов токов, напряжений, частоты вращения) практически отсутствуют. Таким образом, применение вентильного привода в комплексе с алгоритмами управления технологическими процессами нефтедобычи, уже реализованными в интеллектуальных станциях управления, в том числе и производства АО «ПНППК» [4, 5], в значительной мере способно сократить издержки нефтяных компаний и внести существенный вклад в экономию энергоресурсов.

Ключевые слова: вентильный двигатель, СДПМ, преобразователь частоты, станок-качалка, нефтедобыча, станция управления, энергосбережение.
Ссылка для цитирования: Пачин М.Г., Лоскутников В.А. Результаты испытаний станции управления АО «ПНППК» для вентильных электродвигателей станков-качалок // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 78–83.
Открыть PDF


78-83-r1.jpg

В современных экономических условиях, с учетом неуклонного повышения стоимости электроэнергии, широкое промышленное внедрение синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) или вентильных электродвигателей, имеет важное государственное значение и способно обеспечить инновационное развитие предприятий нефтегазодобывающего комплекса [1]. Вентильный привод по сравнению с асинхронным обладает двумя основными преимуществами: высоким КПД и способностью поддерживать стабильный момент в широком диапазоне частот вращения [2, 3]. Данные факторы позволяют снизить рабочие токи, расширить возможности управления и, следовательно, обеспечить высокую эффективность работы насосной установки в целом. 

В ноябре 2015 г. специалистами АО «ПНППК» и ООО «ЭПУ-ИТЦ» были проведены заводские стендовые испытания станции управления на базе преобразователя частоты Vacon серии NXP для вентильного привода УШГН. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 11828-86, ГОСТ Р 51689-2000, ГОСТ 25941-83 и ГОСТ Р 53472-2009.

Целью проверок являлась объективная сравнительная оценка динамических свойств представленного оборудования.


78-83-r2.jpg

В испытаниях были задействованы следующие приборы и оборудование:

  1. испытательный стенд СИ ЭППА СИУ-160 (аттестат ВНИИМС № 36 от 25.12.2008);
  2. индукционный регулятор напряжения ИР-74/29 УЗ № 6165, обеспечивающий испытания при повышенном и пониженном напряжении питающей сети;
  3. резисторная нагрузочная установка мощностью 30 кВт с коммутационной аппаратурой, обеспечивающей ступенчатое изменение сопротивления, используемая для имитации однократного ступенчатого наброса напряжения питающей сети;
  4. генератор сигналов RIGOL DG 1022;
  5. безынерционный индикатор частоты вращения (разработка ООО «ЭПУ-ИТЦ»);
  6. осциллограф THS 72OP.

В качестве объекта управления использовался синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов типа ВДПМ-СК-470Б (заводской № 2) производства ПАО «НИПТИЭМ» (Владимир). Технические характеристики двигателя представлены в таблице.

78-83-r3.jpg

Вентильный электродвигатель в отличие от асинхронных или коллекторных не является самодостаточным, и его работа невозможна без специальной системы управления, задача которой – подавать напряжение на обмотки статора в зависимости от положения ротора таким образом, чтобы создаваемое при этом электромагнитное поле притягивало полюса магнитов ротора, поворачивая его на определенный угол.

При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента двигателя в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимальным коэффициентом полезного действия.

Система управления, реализованная в преобразователе частоты, на основе мгновенных значений тока в фазах статора и путем решения набора дифференциальных уравнений определяет векторы потокосцепления в двигателе и положение ротора (косвенное измерение положения), формируя выходное напряжение по специальному алгоритму. Таким образом, система способна работать без датчика положения ротора, который, как известно, является самым ненадежным и достаточно дорогостоящим элементом вентильного электропривода.

Данный способ управления позволяет уменьшить стоимость и массогабаритные показатели, повысить надежность работы электропривода и управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях – сотни метров и даже километры, что актуально для нефтедобывающего оборудования.

 

Экспериментальная часть

При проведении испытаний воспроизводились и подвергались оценке различные режимы работы оборудования, являющиеся наиболее ответственными в реальной эксплуатации:

  1. режим «Плавный пуск»;
  2. режим «Стабилизация частоты вращения на заданном оператором уровне»;
  3. режим наброса и сброса нагрузочного момента;
  4. режим наброса (скачка вверх) напряжения питающей сети.


78-83-r4.jpg

В качестве анализируемых данных использовались зарегистрированные значения частоты вращения, токов фаз и КПД двигателя, момент сопротивления, входное напряжение преобразователя частоты.

Проверка функционирования станции управления в стационарных режимах работы проводилась при следующих сочетаниях параметров:

  1. напряжение питающей сети – 285–494 В;
  2. момент нагрузки – 47–470 Нм;
  3. частота вращения – 86–450 об/мин.

Во всех стационарных режимах оборудование продемонстрировало устойчивую работу. Отмечена стабильная частота вращения при работе в диапазоне напряжений питающей сети ниже номинального (380 В). Из зависимостей, приведенных на рисунке 3, следует, что стабилизация частоты вращения в указанном диапазоне (с учетом значений ЭДС по рисунку 2) обеспечивается специальным алгоритмом управления преобразователя частоты Vacon (режим ослабления поля).

На практике при работе станка-качалки зачастую наблюдаются заедания штанговой колонны и насоса, возможны броски нагрузки, вызванные как износом редуктора, так и гидравлическими ударами плунжера с последующими волнообразными затухающими колебаниями.

78-83-r5.jpg

Для имитации работы станции управления в данных условиях необходима проверка на устойчивость частоты вращения при перепадах нагрузочного момента. В процессе испытаний (рис. 4) установлено:

  • нагрузочное устройство стенда не реализует в полной мере ступенчатое (с малым фронтом) изменение момента нагрузки из-за значительного уровня момента инерции ротора асинхронного генератора. Минимальный фронт нарастания и спада нагрузочного момента в процессе испытаний равнялся примерно 0,2 с, что снизило «тяжесть» тестового режима;
  • быстродействие станции управления обеспечивает парирование возмущения без заметных выбросов токов и напряжений в момент скачка нагрузочного момента.

78-83-r6.jpg

Цикл работы УШГН характеризуется двумя выраженными периодами нарастания и сброса нагрузки. При движении головки балансира вверх энергия затрачивается на подъем штанговой колонны и жидкости в насосно-компрессорных трубах, при движении вниз – на подъем уравновешивающих грузов.

При проверках на устойчивость к циклическим трапецеидальным изменениям нагрузочного момента установлено, что станция управления обеспечивала устойчивую работу привода во всем диапазоне частот вращения. Данный режим нагружения выбран в качестве имитации реальной эксплуатационной нагрузки. Наблюдаемые отклонения от заданного режима работы не превышают 9%.

Учитывая возможности испытательного стенда, при проверке на однократный ступенчатый наброс напряжения питающей сети вместо возмущения – скачок напряжения питающей сети от Uс ном до 1,2Uс ном – был применен скачок напряжения питающей сети от
0,8Uс ном до Uс ном, что допустимо, поскольку характер переходного процесса сохраняется.

78-83-r7.jpg

   Быстродействие станции управления обеспечило парирование возмущения без заметных выбросов токов и напряжений на выходе устройства в момент скачка напряжения питающей сети.

 

Выводы

Результаты испытаний станции управления АО «ПНППК» с преобразователем частоты Vacon серии NXP признаны успешными. Из положительных моментов при работе в стационарных режимах можно выделить тот факт, что при просадке напряжения питающей сети встроенный алгоритм ослабления поля позволяет сохранять регулировочные характеристики привода 

(стабилизацию заданной оператором частоты вращения) до уровня 285 В (–25%).

78-83-r8.jpg

В динамических режимах, обусловленных возмущениями, благодаря высокому быстродействию станции управления переходные процессы в виде выбросов или провалов токов, напряжений, частоты вращения практически отсутствуют. 

На следующем этапе развития данного технического решения планируется проведение полевых испытаний на скважине УШГН.

Авторы выражают благодарность руководству и специалистам ООО «ЭПУ–ИТЦ» и ПАО «НИПТИЭМ» за сотрудничество. 

 

78-83-r9.jpg


Таблица. Технические характеристики двигателя ВДПМ-СК-470Б
Table. Motor ВДПМ-СК-470Б Specifications

Тип двигателя

Motor type

СДПМ

PMSM

Способ определения положения ротора

Method for rotor position determination

бездатчиковая технология

sensorless technology

Номинальная мощность, кВт

Rated capacity, kW

22

Число фаз обмотки статора

Number of starter winding phases

3

Тип соединения фазных обмоток

Type of phase winding connection

Звезда

Star

Число пар полюсов

Number of poles pairs

15

Номинальное действующее значение линейного напряжения на двигателе при питании от станции управления, В

Rated effective value of line voltage at the motor powered by the control station, V

280

Номинальное действующее значение тока фазы при питании от станции управления, А

Rated effective value of phase current powered by the control station, A

56

Максимальное действующее значение тока фазы при питании от станции управления, А

Maximum effective value of phase current powered by the control station, A

87

КПД (в номинальном режиме), %

Efficiency (in normal mode), %

не менее 94 over 94

Номинальная частота вращения, об/мин

Rated rotational speed, rpm

450

Номинальный момент, Нм

Rated torque, Nm

470

Диапазон регулирования частоты вращения, об/мин

Rated rotational speed range, rpm

86–450




← Назад к списку


im - научные статьи.