УДК 621.316

Нургалеев А.Р., Павлова З.Х., Шабанов В.А.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, РФ

Перспективы использования вентильного электропривода в нефтяной и газовой промышленности

В последние годы во всех отраслях промышленности все больше используются регулируемые электроприводы. Основные достоинства регулируемого электропривода сводятся, в основном, к следующим: хорошие пусковые и регулировочные свойства и высокие энергетические показатели, оцениваемые по коэффициенту полезного действия и коэффициенту мощности (для двигателей переменного тока).

Одним из наиболее перспективных является регулируемый электропривод на базе вентильного двигателя (ВД). ВД по способу управления бывают двух типов: с дискретным и непрерывным управлением. ВД с дискретным управлением называют бесколлекторными двигателями постоянного тока и обозначают БДПТ [1]. В таком двигателе постоянный ток с помощью коммутатора поочередно подводится к разным фазам трехфазной обмотки статора. Недостаток таких двигателей – пульсации электромагнитного момента двигателя. Для ВД большой мощности чаще применяют второй способ управления, при котором обмотки статора получают питание от сети переменного тока через преобразователь частоты (ПЧ). Принципиальное отличие такого ПЧ от ПЧ для АД заключается в системе управления: в ПЧ для ВД управление осуществляется по напряжению. При этом управление частотой производится от датчика скорости вращения ротора. Такие ВД называют синхронными двигателям с постоянными магнитами (СДПМ). В двигателях большой мощности вместо постоянных магнитов часто используется обычная конструкция ротора синхронного двигателя с обмоткой возбуждения. Такое управление ВД вместе с особенностями его конструкции придают ряд важных свойств.

В буровых установках широко применяются двигатели постоянного тока. Благодаря отсутствию механического коллектора БДПТ, сохраняя положительные качества двигателей постоянного тока по регулировочным и механическим характеристикам, обладают существенно большей надежностью, что особенно важно для буровых установок. Существенно повышается ресурс и надежность электропривода. Наработка на отказ составляет 10000 ч и более. Кроме того, появляется возможность использования ВД во взрывоопасной среде.

У ВД нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец, как и у АД [2]. Однако благодаря синхронному вращению ротора ВД по сравнению с частотно-регулируемым АД имеет следующие достоинства. В СДПМ по сравнению со скалярным управлением ПЧАД обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения (до 1:1000 и более), в то время как при скалярном управлении АД диапазон ограничен значениями 1:2 – 1:3.

У ВД значительно больше перегрузочная способность по моменту: кратковременно кратность максимального момента может быть пять и более.

Одним из главных преимуществ СДПМ по сравнению с АД - высокие энергетические показатели (КПД и соsφ). КПД вентильных двигателей мощностью даже менее 100 кВт могут превышать 90%, Соsφ ВД – более 0,95. У АД аналогичной мощности максимальный КПД составляет не более 86%.

Высокий КПД обусловлен тем, что основные электрические и магнитные потери в роторе ВД с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют. Также мал ток холостого хода. КПД вентильного двигателя мало меняется при изменении нагрузки и при колебаниях напряжения питающей сети.

Высокий КПД означает, что существенная меньшая мощность расходуется на нагрев электродвигателя, что особенно важно для электродвигателей, в которых сложно обеспечит требуемые условия охлаждения. К таким двигателям относятся, например, погружные двигатели нефтедобывающих скважин. Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы погружного электропривода в целом. Это в свою очередь приведет к меньшим простоям скважины на ремонт.

При одной и той же мощности ВД имеют меньшие масса и габаритные размеры, что особенно важно для двигателей, работающих на забое скважины.

К недостаткам ВД можно отнести необходимость наличия специального датчика скорости вращения или положения ротора. До недавнего времени этот недостаток препятствовал широкому распространению вентильных электроприводов в нефтегазовой отрасли. В настоящее время эта проблема решается путем бездатчиковой системы управления вентильными электроприводами, когда информацию о положении ротора получают путем обработки информации о напряжении и токе в фазных обмотках.

Другим недостатком ВД является высокая стоимость двигателя при использовании дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора. Однако постоянное удешевление магнитных материалов, делают возможным применение ВД, как в бурении, где традиционно применялись только машины постоянного тока, так и в добыче нефти, где применяются специальные погружные асинхронные двигатели.

Литература:

1 Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. Минск: Техноперспектива, 2008. – 363 с.

2 Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г. Соколовский. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.