Доповідь/Технічні науки – Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК 621.313:622.276.53

Семенцова А.О., Годлевська К.С., Копистинський Л.О.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

УДОСКОНАЛЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАНУРНОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛЬОВАНОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА

Одним із напрямків підвищення продуктивності технологічного обладнання, яке використовується для видобування нафти за допомогою занурних насосів, а також для буріння свердловин за допомогою електробурів, є регулювання частоти електроприводів [1÷4 та ін]. Частотний спосіб керування розглядається не тільки з точки зору економії споживаної енергії, але й з позиції удосконалення процесів керування технологічними процесами буріння і видобування нафти.

Аналіз літературних джерел [1÷4 та ін] показує, що в процесі розробки частотно-регульованих електроприводів дослідники використовують все більш сучасні методи і засоби побудови алгоритмів керування перетворюючими пристроями, але заключна стадія фільтрації вищих гармонік струму та напруги, що генеруються силовими перетворювачами, як правило, покладається на додаткові фільтруючі пристрої – електричні фільтри.

Проте, крім питань покращення форми кривих струму або напруги окремо на вході і виході електроприводів, потребують додаткових досліджень питання оцінки можливого впливу на динамічні характеристики занурного електроприводу фільтра, що приєднаний до виходу інвертора, і струмопроводу, довжиною декілька тисяч метрів, між фільтром і занурним електродвигуном. Ці питання у такій постановці в нафтогазовій промисловості ще не вирішені.

Тому метою даної роботи є дослідження динамічних характеристик занурного електроприводу з урахуванням властивостей фільтру і струмопідводу в системі «силовий перетворювач частоти (інвертор) – занурний електродвигун». Розглянемо динамічні характеристики частотно-регульованого занурного електроприводу в складі системи «силовий перетворювач частоти (інвертор) – занурний електродвигун», що подана на рис. 1.

Рисунок 1 – Структура системи «силовий перетворювач частоти (інвертор) – занурний електродвигун»

Наявність фільтру як динамічної ланки в структурі, що роглядається, веде до зміни таких показників занурного електроприводу як пусковий і критичний моменти, оскільки послідовно з обмоткою статора електродвигуна увімкнуті додаткові індуктивність і ємність (рис. 2).

Рисунок 2 – Принципова схема фільтру

Функція передачі цього фільтру визначена [1] у такому вигляді

(1)

де

Параметри функції передачі (1) визначені для асинхронного двигуна типу М 54/2, номінальною потужністю 7 кВт з такими паспортними даними: максимальна напруга – 250 В, число пар полюсів – 2, номінальне ковзання – 0,12; cos φ = 0,89; ККД = 0,91; перевантажена здатність – 2,5; кратність пускового струму – 6,5. Тоді фільтр можна представити у вигляді такої Simulink-моделі (рис. 3а). Перехідна характеристика фільтру наведена на рис. 3б.

Рисунок 3 – Simulink-модель і перехідна характеристика фільтру

Simulink-модель двигуна і його перехідна характеристика наведені на рис. 4а і 4б.

Рисунок 4 – Simulink-модель і перехідна характеристика двигуна

З урахуванням функції передачі струмопідводу-кабеля

, (2)

де R₂ – опір ізоляції струмопідводу;

R₁ – активний опір кабелю, складено структурну схему частотно-регульованого занурного електроприводу із складеним фільтром (рис. 5), його Simulink-модель і перехідну характеристику системи (рис. 6а, 6б).

Рисунок 5 – Структурна схема частотно-регульованого занурного електроприводу із складеним фільтром

Рисунок 6 – Simulink-модель і перехідна характеристика занурного частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром

Як бачимо з рис. 6, в усталеному режимі роботи системи спостерігаються автоколивання з амплітудою А = 0,03 % і частотою ω ≈ 1 Гц.

Визначимо основні частотні характеристики і зобразмо їх за допомогою програмних продуктів MathCad і MathLab.

Задана передавальна функція:

За допомогою програми MathLab і вкладки Workspace побудували аплітудно-частотну та фазо-частотну характеристики.

Рисунок 7 – Амплітудно-частотна характеристика занурного частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром

Рисунок 8 – Фазо-частотна характеристика занурного частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром

Тепер за допомогою програми MathCad визначимо амплітудно-фазову характеристику і дві логарифмічні: амплітудно-частотну та фазо-частотну характеристики.

Рисунок 9 – Амплітудно-фазова характеристика занурного частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром

Рисунок 10– Логарифмічна амплітудно-частотна характеристика занурного частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром

_.

Рисунок 11– Логарифмічна фазо-частотна характеристика занурного частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром

Висновки

На основі аналізу Simulink-моделей елементів і системи частотно-регульованого електроприводу із складеним фільтром отримано їх функції передачі і перехідні характеристики, що дало змогу визначити функцію передачі приводу, його амплітудно- і фазо-частотні характеристики для розв’язання задачі удосконалення характеристик частотного регулювання.

Література:

1. Черный А. П. Анализ статических характеристик частотно регулируемого электропривода с фильтром на выходе инвертора / А. П. Черный, П. И. Полищук // Вестник Кременчугского государственного политехнического университета. – 2007. – Вип. 1. – С. 6-11.

2. Фаттахов К. М. О диапазоне регулирования частоты электроприводов серийных погружных центробежных насосов, работающих в сильнообводненных нефтяных скважинах / К. М. Фаттахов // Автоматизация и метрологическое обеспечение измерений в нефтяной и газовой промышленности. Межвузовский научно технический сборник. – Уфа: Изд. Уфимск нефт. ин-та, 1984 – с. 108-112.

3. Черный А. П. Спасательный фильтр / А. П. Черный, П. И. Полищук, О. С. Воробейчик // Мир автоматизации. – 2008. - №4. – С. 38-42.

4. Эфендизаде А. А. Частотное управление электробуром / А. А. Эфиндизаде. – Баку: Азернешр, 1969. – 261 с.