автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин

На правах рукописи

Бурмакин Артем Михайлович

005002431

НИЗКОСКОРОСТНОЙ ДУГОСТАТОРНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ СТАНКОВ-КАЧАЛОК МАЛОДЕБИТНЫХ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2011

005002431

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» на кафедре «Электротехника и Электромеханика», г. Пермь.

Научный руководитель:

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Шулаков Николай Васильевич

кандидат технических наук, профессор Огарков Евгений Матвееевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смолин Георгий Константинович (г. Екатеринбург)

кандидат технических наук, доцент Назаров Сергей Леонардович (г. Екатеринбург)

Ведущая организация: «ПермНИПИнефть» (г. Пермь)

Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг»

Защита состоится 30 ноября 2011 года в 14 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.285.03 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд. Э-406.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.285.03 по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, УрФу, (факс (343) 359-16-15, тоЬ201 l@bk.ru-).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Автореферат разослан «28» октября 2011 г.

А

Ученый секретарь диссертационного л

совета Д 212.285.03, , ' у^Д ЗюзевА.М.

д.т.н., доцент / ■'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях неблагоприятной геолого-технологической структуры запасов нефти, характерной для нефтяной промышленности Российской Федерации, а также в результате истощения месторождений наблюдается тенденция перехода многих добывающих скважин в разряд малодебитных. Количество малодебитных скважин постоянно возрастает из-за перехода месторождений в завершающую стадию разработки, ввода в эксплуатацию месторождений с низкопродуктивными пластами, расконсервации ранее законсервированных малодебитных скважин, обусловленной ростом мировых цен на нефть.

Для повышения нефтеотдачи малодебитные скважины необходимо переводить в непрерывный режим работы. Эффективность непрерывного режима работы малодебитных скважин подтверждена многочисленными исследованиями на различных скважинах. Для перевода скважины из циклического режима работы в непрерывный необходимо уменьшить число качаний станка. Работы в этом направлении ведутся давно, но результаты пока далеки от требуемых. Предлагаемые варианты приводят к усложнению конструкции и требуют переделок станка-качалки, имеют проблемы с размещением дополнительных звеньев. Кроме того, из-за дополнительных звеньев снижаются надёжность и долговечность привода, возрастают затраты на покупку, ремонт и обслуживание.

В качестве решения проблемы увеличения добычи жидкости из скважин с малым дебитом предлагается разработка низкоскоростных асинхронных электродвигателей малой мощности, которые совместно с клиноременной передачей и редуктором, используемыми в настоящее время на станках-качалках, позволяли бы получить частоту хода плунжера насоса в требуемом диапазоне. Одновременно с этим данные электродвигатели должны обладать эксплуатационными и стоимостными показателями, не уступающими аналогичным показателям штатных асинхронных электродвигателей.

В результате исследований выявлено, что поставленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют низко скоростные дугостаторные асинхронные двигатели (ДАД). Однако проектирование таких двигателей осложняется отсутствием надёжных практических рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и определению основных размеров машины. Также известно, что в ДАД кроме основного бегущего поля возникают дополнительные поля, обусловленные разомкнутостью магнитопровода статора. Дополнительные поля индуктируют дополнительные токи, создают дополнительные мощности и усилия. Эти явления оказывают существенное влияние на рабочие свойства ДАД и поэтому должны быть учтены при проектировании и расчете характеристик ДАД.

Таким образом, актуальной задачей является разработка рекомендаций по подбору и проектированию дугостаторного электродвигателя при

переводе скважины из циклического режима работы в непрерывный, а также разработка инженерных методик расчета электромагнитных и тепловых процессов ДАД. Данная работа основывается на разработках сотрудников кафедры электротехники и электромеханики Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета (ПНИПУ) в области линейных асинхронных машин и дополняет их.

Объектом исследования являются дугостаторные асинхронные двигатели.

Предмет исследования - электрическая и тепловая схемы замещения

ДАД.

Цели работы:

1. Разработка рекомендаций по определению геометрических размеров и выбору электромагнитных нагрузок низкоскоростного ДАД для станка-качалки малодебитных нефтяных скважин;

2. Разработка инженерной методики расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД;

3. Разработка методики для оценки теплового состояния ДАД в продолжительном режиме работы.

Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:

1. Анализ условий работы электропривода станка-качалки малодебитных нефтяных скважин и формулировка требований к электродвигателю при переводе малодебитных скважин в непрерывный режим работы;

2. Разработка методики проектирования низкоскоростного ДАД с учетом требований, обеспечивающих согласование его параметров с параметрами малодебитных скважин;

3. Решение квазитрехмерной полевой задачи применительно к рассматриваемому типу ДАД;

4. Расчет сопротивления продольного краевого эффекта низкоскоростных ДАД с учетом числа полюсов, электромагнитной добротности, скольжения и ряда других факторов;

5. Составление электрической схемы замещения низкоскоростного ДАД и разработка на ее основе инженерного метода электромагнитного расчета;

6. Построение тепловой схемы замещения для расчета стационарного теплового процесса в ДАД.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, квазитрехмерный метод расчета электромагнитного поля, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы компьютерного моделирования с помощью математических пакетов МАТНСАБ и МАТЬАВ.

На защиту выносятся следующие положения, представляющие научную новизну:

1. Обоснование применения низкоскоростного дугостаторного асинхронного двигателя в качестве привода станка-качалки для перевода малодебитных нефтяных скважин из циклического режима работы в непрерывный;

2. Методика проектирования низкоскоростного ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин, с учетом рекомендаций по согласованию производительности скважины и насоса при переводе малодебитных скважин в непрерывный режим работы;

3. Электрическая схема замещения и методика инженерного расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД;

4. Способ определения параметров предлагаемой электрической схемы замещения и выявление зависимостей этих параметров от основных влияющих факторов;

5. Тепловая схема замещения для расчета стационарных тепловых процессов в ДАД, с учетом присущих им конструктивных особенностей.

Практическая ценность. Созданный на базе низкоскоростного ДАД электропривод станка-качалки, обладая приемлемыми энергетическими показателями, позволяет наиболее простым и дешевым способом переводить малодебитные нефтяные скважины в непрерывный режим работы. Таким образом можно добиться увеличения добычи нефти в несколько раз. Предложенные методики позволяют многократно упростить выполнение электромагнитных и тепловых расчетов при проектировании низкоскоростных ДАД. Используемый в данных методиках математический аппарат не требует специальной подготовки и доступен инженеру-электромеханику.

Внедрение. Результаты работы используются:

1. При проектировании и расчетах низкоскоростных ДАД для установки на малодебитных скважинах ООО "Лукойл-Пермь";

2. На кафедре электротехники и электромеханики ПНИПУ при дипломном проектировании.

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

- IV международная научно-техническая конференция «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляющие электромеханические системы». Екатеринбург, УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, март 2011 г.

- Международная научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело». Пермь, ноябрь 2009 г.

- II всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике». Пермь, ноябрь 2008 г.

- Краевая научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы комплексного освоения месторождений природных ископаемых в Пермском крае». Пермь, ПГТУ, ноябрь 2007 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка используемых источников и 3 приложений общим объемом 166 страниц. Основная часть изложена на 133

страницах машинописного текста, иллюстрирована 43 рисунками, 13 таблицами. Библиографический список содержит 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность работы, сформулированы цели и задачи, изложены основные положения выносимые на защиту и их научная новизна, приведена апробация работы и структура диссертации.

В первой главе рассматриваются режимы работы скважин. Дается сравнение циклического и непрерывного режимов работы скважин, и показываются преимущества непрерывного режима работы, позволяющие увеличить добычу нефти из малодебитных скважин.

Выполнен анализ электроприводов станков-качалок, с помощью которых в настоящее время производится добыча нефти из малодебитных скважин. Выяснено, что существующая система электропривода с серийными асинхронными двигателями позволяет создавать от 8,4 до 4 качаний балансира в минуту. В то же время для эксплуатации малодебитной скважины в непрерывном режиме требуется частота от 1 до 3 качаний балансира в минуту. Показано, что в настоящее время малодебитные скважины вынуждены работать в циклическом режиме, при этом происходит уменьшение количества добываемой жидкости, завышается мощность приводного электродвигателя, растут динамические нагрузки на элементы кинематической цепи станка-качалки, возникают дополнительные технические и организационные проблемы, обусловленные необходимостью выполнения установленного регламента работы.

В качестве решения проблемы увеличения добычи жидкости из скважин с малым дебитом предлагается разработка низкоскоростных дугостаторных асинхронных электродвигателей малой мощности, которые совместно с клиноременной передачей и редуктором, используемыми в настоящее время на станках-качалках, позволяли бы получить частоту хода плунжера насоса в требуемом диапазоне. Сравнение дугостаторного варианта низкоскоростного двигателя с "классическим" круговым показало, что первый вариант имеет меньший ток холостого хода и более высокие энергетические показатели. Выполненные исследования показали, что дугостаторные асинхронные двигатели (ДАД) должны иметь скорость вращения вала 100 - 300 об /мин при мощности 1,5 - 4,5 кВт.

Во второй главе рассматривается общая конструкция низкоскоростного ДАД, варианты конструкций статора и ротора, а также существующие методы электромагнитного расчета таких машин. На основании сравнения вариантов было предложено использовать однодуговой статор, а ротор выполнить шихтованным с короткозамкнутой обмоткой в пазах для получения приемлемых энергетических показателей в продолжительном режиме работы. Основные конструктивные элементы ДАД схематично показаны на рис.1.

Дуговой статор состоит из шихтованного ферромагнитного сердечника 1 с пазами 2, в которых размещены катушки, образующие в совокупности трехфазную обмотку 3. Обмотка дугового статора двухслойная, петлевая, всыпная и выполнена из круглого провода. Ротор 4 отделён от статора воздушным зазором. Магнитопровод ротора 5 набран из кольцеобразных пластин электротехнической стали и представляет из себя полый цилиндр. При пустотелой конструкции снижается расход электротехнической стали и увеличивается поверхность охлаждения, что повышает теплорассеяние ротора ДАД. Ступица ротора 8 соединена с магнитопроводом стальными спицами 7, которые придают конструкции ротора жесткость в осевом направлении, т.е. снижают величину упругих деформаций ротора. Это позволяет минимизировать воздушный зазор на уровне 0,4-0,5 мм. К торцам спиц крепятся лопасти 10, которые улучшают циркуляцию воздуха внутри двигателя.

Дуговой статор создает силы магнитного тяжения. Эти силы направлены по радиусу и стремятся притянуть ротор к дуге статора. Предлагается расположить дугу статора, как показано на рис.1. В этом случае сила тяжения компенсируется силой натяжения ремней клиноременной передачи и весом ротора.

В главе также представлена методика проектирования низкоскоростного ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Изложены рекомендации по определению геометрических размеров и выбору электромагнитных нагрузок, которые должны обеспечить возможность создания необходимого вращающего момента и скорости вращения при приемлемых энергетических показателях. Проектирование ДАД начинается с определения основных размеров: длины полюсного деления т, внутреннего диаметра статора с1\, длины дуги статора /с, ширины магнитопровода в осевом направлении /5.

Для получения низкой скорости и приемлемых энергетических показателей полюсное деление принимается равным т=45^-50 мм. При

известной скорости вращения ротора выбор остальных основных размеров ДАД предлагается выполнять в следующей последовательности. Внутренний диаметр статора

Л 1201/

</,=-^ (1)

пп0

где- частота сети (50 Гц);

«о - синхронная скорость вращения ротора. Угловой размер полюсного деления

,2,

7Ш[

Число пар полюсов дугового статора

Р = %> О)

где ас - угол охвата дуги статора берется в пределах ас=150 - 170°. Длина дуги статора по внутреннему диаметру

7

1с= «с—^ (4)

с с 360° К '

Сила тяги дугового статора

где .?„ - номинальное скольжение.

Ширина магнитопровода дугового статора

(6)

уд с

где .РУд - удельное тяговое усилие на активной поверхности магнитопровода. Для рассматриваемых нами низкоскоростных ДАД принимается ^уд=0,3^-0,4 Н/см5.

В третьей главе для определения основных характеристик низкоскоростного ДАД используется квазитрехмерный метод электромагнитного расчета. Суть квазитрехмерного метода состоит в последовательном расчете распределения электромагнитного поля по толщине, ширине и длине машины.

Наиболее сильное влияние на свойства и характеристики ДАД оказывает неравномерность распределения поля по высоте зазора, зубцовой зоны и ярма ротора. Поэтому толщинная задача решается первой. Для ее решения используется метод разбиения ротора на большое число тонких слоев, параллельных рабочей поверхности статора с использованием многослойной расчетной модели, показанной на рис.2. Сопротивления обмотки статора г\ и Х\ рассчитываются известными методами и учитываются отдельно.

у=0, ц=0

© У1=0. Ц1Х, Ц12=оо й„

(2) У2=0, Но 8 3

© Уз, Цз* : К X

© 74, Що Ц4г

© 75, Ц5х,

© Уб, Н<и. Ц& Ас

© У7, Ц7л Ц7г

© У8, Ц8« Ц8г

7=0, ц=0

1 о

Рис. 2. Многослойная модель для расчета распределения электромагнитного поля по толщине воздушного зазора и ротора ДАД

Расчетная модель ДАД, показанная на рис.2 состоит из восьми зон. Свойства среды в пределах каждой зоны считаются постоянными. Зона 1 соответствует магнитопроводу статора, имеет электропроводность у1=0. Магнитная проницаемость по оси г принимается равной бесконечности, а по оси х имеет конечное значение Цц, что позволяет учесть магнитное сопротивление ярма и зубцов статора. На нижней границе этой зоны имеется бегущая волна линейной токовой нагрузки

Л (7)

где Лт =:

Здесь 1¥\ - число витков фазы обмотки статора; 1\ - действующее значение тока статора; ко5] - обмоточный коэффициент статора; р и т - число пар полюсов и длина полюсного деления ДАД.

Зона 2 учитывает воздушный зазор между статором и ротором. Величина зазора рассчитывается с учетом зубчатости статора и ротора. Электропроводность у2=0, магнитная проницаемость зоны равна цо-

Зоны 3-8 соответствуют пазу и ярму ротора. Электропроводности и магнитные проницаемости этих зон находятся путем усреднения свойств зубца и паза. Значения магнитных проницаемостей уточняются в процессе расчета итерационным путем.

При создании модели приняты следующие допущения: существует только волна поля, бегущая вдоль координаты х; поле считается плоскопараллельным и не зависит от координаты у; сопротивления обмотки статора учитываются отдельно, а статор заменяется гладким магнитопроводом; влияние зубчатости статора учитывается соответствующим увеличением зазора; ток из пазов выносится на гладкую поверхность статора; токи смещения не учитываются.

При принятых допущениях дифференциальное уравнение векторного потенциала для всех слоев расчетной модели записано следующим образом:

&2 м, дх?

ЗА _ л +—-^--м^г--м^гх—=0

ал

1дх'

где и - линейная скорость ротора. Решение уравнения (8):

где к- номер слоя.

р.2, л г' +Ск2е

Для нахождения постоянных

б2— %

интегрирования

(9)

(10)

С), и Ск2 решается

система из 16 уравнений, составленная с использованием записанных граничных условий. Таким образом, для всех зон расчетной модели определяется векторный потенциал и электромагнитная мощность ДАД.

Влияние поперечного эффекта ДАД с короткозамкнутой обмоткой и шихтованным магнитопроводом ротора учитывается введением в расчет сопротивления короткозамыкающих колец. Для этого электропроводность стержней, расположенных в пазу ротора корректировалась путем умножения на коэффициент ку

—Ц--(п)

1 +

2гс 8т2(0,5осЛ,2)

где гс и гК - сопротивления стержня и короткозамыкающего кольца ротора; а=я/т, а - зубцовый шаг ротора.

Откорректированное значение электропроводности стержней ротора используется в расчетных формулах многослойной модели, показанной на рис.2. В этом случае рассчитанная электромагнитная мощность учитывает влияние не только толщинного, но и поперечного эффектов ДАД.

На рис.3 показана расчетная модель, по которой рассчитываются характеристики ДАД с учетом продольного краевого эффекта.

с © © Не © Цб

© И=°°

Рис. 3. Расчетная модель для определения распределения электромагнитного поля по длине ДАД На рис.3 показаны: 1 - неподвижный статор; 2, 3 и 4 - активная и концевые зоны движущегося ротора; 5, 6 - концевые зоны за пределами статора; 7 - магнитопровод ротора. При создании модели приняты допущения: магнитопровод статора ДАД лишен пазов, а их влияние учитывается соответствующим увеличением немагнитного зазора; высота

магнитопровода Н равна высоте ярма статора ДАД; магнитная проницаемость зоны 1 по оси г равна бесконечности, а по направлению оси х имеет значение цс, электропроводность зоны 1 принимается равной нулю; в концевых зонах 5 и 6 магнитная проницаемость по оси г равна бесконечности, а по оси х равна проницаемости вакуума электропроводность этих зон равна нулю; магнитопровод ротора (зона 7) имеет бесконечно большую магнитную проницаемость, а электропроводность его равна нулю; эквивалентный немагнитный зазор 5' учитывает влияние зубчатости магнитопровода статора и ротора; материал электропроводящего слоя вторичного элемента равномерно распределен по толщине эквивалентного зазора 5', среда зон 2, 3, 4 имеет эквивалентную электропроводность у и движется со скоростью и в направлении оси х, в зонах 2, 3,4 магнитная проницаемость по оси г равна |Л0, а по оси х считается равной нулю; поле по ширине ДАД не изменяется; поле в зазоре по оси г не изменяется, при этом линейная токовая нагрузка обмотки статора равномерно распределяется в воздушном зазоре 5' с плотностью

Л=Лие"гс", (12)

При принятых допущениях изменение векторного потенциала по оси х описывается дифференциальными уравнениями второго порядка. В зонах 2, 3,4 расчетной модели рис.3 эти уравнения имеют следующий вид: 82А2 ЗА

- ц0 у и—2-- (а2р2 +1 Цо у ®)А2 = -ц0У,„

дх2 г"' дх

(14)^ф-ц0уи^-(а2(33+гц0усоК=0; дх дх

(15)^-ц0уи^-(а2Р4 + ф0уш)Л=0. (16)

дх дх

Здесь Л2,Л3,Л4- комплексные амплитуды векторного потенциала зон 2, 3 и 4. Безразмерный коэффициент р2 учитывает влияние магнитного сопротивления ярма индуктора на векторный потенциал зоны 2. Безразмерный коэффициент р3 учитывает влияние магнитного сопротивления зоны 5 на векторный потенциал зоны 3. Коэффициент/^ учитывает влияние магнитного сопротивления зоны 6 на векторный потенциал зоны 4.

Решения дифференциальных уравнений (14), (15), (16) имеют вид:

А2 = + С2/2,Х + ¿22е"22* О?)

А3=С3еЕ},Х (18)

Л = (19)

Здесь £21, £22, 01, £42 - корни соответствующих характеристических

уравнений. Постоянные интегрирования находятся из граничных условий между зонами 2, 3 и 2,4.

Через векторные потенциалы А2,А3,А4 находятся магнитная индукция В и плотность тока 3 в зонах 2, 3 и 4 расчетной модели ДАД, а также напряженность электрического поля в зоне 2. После этого вычисляются тяговое усилие и мощность ДАД

(20)

2 х,

где к - номер зоны по рис.3;

х„, хп - координаты левых и правых границ соответствующих зон;

Вк - комплексная амплитуда индукции; *

./*- сопряженное значение комплексной амплитуды поперечной составляющей плотности вторичного тока.

—2 =

1 о

(21)

При расчете продольного краевого эффекта эквивалентная электропроводность у, входящая в уравнения (14) - (16) определяется по формуле

У^ (22)

ц0ю

Здесь электромагнитная добротность Ео берется из расчетной модели рис.2, т.е. с учетом толщинного и поперечного эффектов. Таким образом обеспечивается взаимосвязь двух расчетных моделей, а усилие и мощность определяемые по (20) и (21) учитывают неравномерность распределения электромагнитного поля по толщине, ширине и длине машины.

В четвертой главе излагается разработанная инженерная методика электромагнитного расчета низкоскоростного ДАД. Приведена математическая модель определения рабочих характеристик ДАД, основанная на параллельной электрической схеме замещения. Предлагаемая схема замещения показана на рис.4.

Г\

•г А

-1 -э» /

/] X

и, Е хт 3 'рч-.

Хр )

а)

б)

Рис. 4. Схема замещения низкоскоростного ДАД: а - параллельная схема замещения; б - последовательная схема замещения

На этой схеме сопротивления Г\ и х1 учитывают сопротивления обмотки статора, а сопротивления х,„, г27х и х2' учитывают процессы в воздушном зазоре и роторе, обусловленные только бегущим магнитным полем. Сопротивления гр и хр, учитывают влияние полей продольного краевого эффекта (ПКЭ). При известных параметрах (сопротивлениях) схемы замещения расчет рабочих и пусковых характеристик низкоскоростного ДАД сводится к расчету электрической цепи, а необходимые для этого формулы получены непосредственно из схемы замещения.

Одним из основных вопросов, рассматриваемых в этой главе, является способ определения сопротивлений ПКЭ. Предложенный способ основан на использовании расчетной модели, показанной на рис.3. Эта расчетная модель позволяет рассчитать характеристики ДАД, обусловленные суммарным полем, включающим в себя основное бегущее поле и дополнительные поля ПКЭ. В данной модели сопротивления^ и г2'рассчитываются по известным формулам

= 4Ц0/,т/8 3 (23)

т яб£6(1 + р2) р

>2=*т(1 + р2)/Ео (24)

где Цо - магнитная проницаемость воздуха; - число витков фазы статора; ¿об1 - обмоточный коэффициент; ¿8 - коэффициент воздушного зазора.

Сопротивление ^ для схемы рис.4б рассчитывается через мощность и ток I,

2Е=&/3/,2 (25)

Мощность Л; находится по (21), а /, = —Р^™—.

Сопротивление на рис.4а учитывает влияние продольного краевого эффекта. Оно определяется исходя из равенства проводимостей на эквивалентных участках последовательной и параллельной схемы замещения рис.4.

'Хт ¿2

(26)

Используя расчетную модель рис.3 были выполнены многовариантные расчеты ДАД и определены значения сопротивления 2р. Анализ этих расчетов показал, что влияние продольного краевого эффекта зависит главным образом от четырех параметров: р, Бо, х„ и Сопротивление хт и добротность е0 обобщено учитывают влияние целого ряда параметров ДАД: х,рК, /5, 8, IV,, у, со, а. По результатам расчетов были получены графические зависимости сопротивления ПКЭ 2р от параметров ДАД. На рис.5-8 представлены

зависимости действительной и мнимой частей г^ от скольжения 5 при конкретном числе пар полюсов р и различных значениях добротности £о- Для удобства анализа и практического применения зависимостей используются относительные единицы. Действительная и мнимая части г,, выражены в долях от сопротивления хт и обозначены гр, и хр,соответственно.

о е II

........................1........... ......................1...........

1 1 » у /

у 7

у г 5

10 , :

...... .............

и . .

«Л (>.1 ои 03 0.-1 0,5 «л? 0." 0Л 0« 1.0*0«.

Рис. 5. Зависимость гр* от скольжения при р=3 и различных значениях е0

о е 36

¿4 21 18 15 12

(5

у

У у"

■ ....

.........Т"

У

В

0.0 ОД 0,: 0,3 0,4 0,5 0.» О." 0.8 0« 1.0ю е

Рис. 6. Зависимость гр»от скольжения при р= 10 и различных значениях Ео

0,5 <5,0 5.5

5.0 4.5 4.0

2.0 1.5 1.0

].....„ 1 .иг!

фп

............

у*

„!.....................,,...,,

■■ ¿г / ! .....!

1 ,1..........

Г"*"................. * .. , , (..........

I ■

0.0 0.1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,<> 0." 0.? 0.Р 1ИО(

Рис. 7. Зависимость хр* от скольжения при р=3 и различных значениях ео

........Г

Ит

/

0.0 0,1 0,2 0.3 0,4 0.5 0.6 0" 0.8 О о 1.1,ое,

Рис. 8. Зависимость хр* от скольжения при />=10 и различных значениях е0

Отдельно представлены величины сопротивления ПКЭ при скольжении 5=0. Эти сопротивления обозначены как гр0, хр0 и т^. На рис.9-10 представлены зависимости действительной и мнимой частей ^о от электромагнитной добротности Бо при различном числе пар полюсов р. Действительная и мнимая части ^ выражены в долях от сопротивления хт и обозначены гр0, и хро, соответственно.

о 2 -1 6 8 1(1 12 14 1о 18 2<:>с0,«е 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 (0'ое

Рис. 9. Зависимость гр0„ от е0 при Рис. 10. Зависимость хро, от еп при

различных значениях р различных значениях р

По представленным на рис. 5-10 зависимостям можно сделать следующие выводы:

1. При увеличении скольжения в пределах 5=0-^1 действительная и мнимая часть сопротивления г,, увеличиваются, что означает снижение влияния продольного краевого эффекта при уменьшении скорости вращения ротора.

2. Чем выше электромагнитная добротность Во, тем в большей степени ^ зависит от скорости входа стержней ротора в магнитное поле статора.

3. С ростом электромагнитной добротности сопротивления ПКЭ резко уменьшаются, т.е. увеличивается влияние продольного эффекта.

4. Увеличение числа полюсов ведет к практически пропорциональному увеличению сопротивлений ПКЭ, а, следовательно, и к ослаблению продольного краевого эффекта.

В пятой главе приведены результаты проверки достоверности предлагаемой инженерной методики расчета низкоскоростного ДАД. Для этого были выполнены расчеты одного и того же двигателя двумя способами: по квазитрехмерному методу (расчетная модель рис.3) и по схеме замещения рис.4а. Сопоставление результатов расчета показало хорошую сходимость. Для дальнейшей оценки возможности использования предлагаемой схемы

замещения для определения характеристик ДАД было проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в ходе приемочных испытаний опытно-промышленных образцов низкоскоростных ДАД. Экспериментальные и расчетные характеристики ДАД представлены на рис.11 - 16.

¡1-

1-1

12 10

8

О 500 1000 1500 2000 2500 30003500<Рз.Вт жтгертшент -™*"ярастег

Рис. 11. Зависимость потребляемого тока от полезной мощности

эксперимент "»А^.рлс'гег

Рис. 12. Зависимость потребляемой мощности от полезной мощности

0 Ш 1000 1500 2000 2500 »00 3,5(10.% Вт

Рис. 13. Зависимость от полезной мощности

СОКф.

о е.

0.1 03 0,2

0 44 = = = Р

X' I

в*

I

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Р2.Вг

Рис. 14. Зависимость еоБСр от от полезной мощности

мипвргамп .....■.....р»счст « -lo 80 UO 160 200 МО 280 320 JtfOif.H и

™-^™-жшеримент ""ч^г—расчет

Рис. 15. Зависимость тока статора Рис. 16. Механическая характеристика от скольжения ДАД

Как видно из графиков, погрешность по основным параметрам не превышает 10% (по пусковому моменту 18%), что позволяет нам считать разработанную схему замещения достоверной.

Опытные образцы низкоскоростных дугостаторных асинхронных электродвигателей для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин (рис. 17,18) были разработаны по заданию ООО "Лукойл-Пермь". Двигателям впоследствии было дано наименование ДАД 750-150 УХЛ1. Разработкой технической документации рабочего проекта и изготовлением опытно-промышленных образцов ДАД занимались специалисты предприятия ХК ОАО "Привод" и ООО «Уралэлектромаш».

Рис. 17. Магнитопровод дугового Рис. 18 Ротор ДАД

статора с обмоткой

В шестой главе описаны задачи и известные методы теплового расчета электрических машин. Дается обоснование выбора метода эквивалентных тепловых схем (ЭТС) для расчета тепловых процессов низкоскоростного дугостаторного асинхронного двигателя. Описываются особенности теплопередачи в ДАД и его тепловая схема. Специфика конструкции ДАД учитывается наличием дополнительных путей теплопередачи, которые на тепловой схеме учтены соответствующими тепловыми проводимостями: со свободной наружной поверхности ротора, с внутренней поверхности ротора, с концевых поверхностей магнитопровода статора. Полная эквивалентная тепловая схема ДАД показана на рис.19.

Рис. 19. Эквивалентная тепловая схема замещения ДАД

Схема состоит из 8 элементов: спинки статора со средней температурой Gab зубцов статора со средней температурой 9,,; пазовой части обмотки статора со средней температурой 9пь лобовой части обмотки статора со средней температурой 9ль ротора со средней температурой 0м2; внутреннего воздуха со средней температурой 9ав; оболочки, состоящей из щитов и

станины со средними температурами 9Щ и 6К соответственно. Температура окружающей среды обозначена через 0О. Тела связаны между собой соответствующими тепловыми проводимостями. Источниками теплоты в двигателе являются: потери в пазовой части Рп1; потери в лобовых частях Рл1; потери в ярме статора Раь потери в зубцах статора Р2]; потери в обмотке ротора Рм2; внутренние механические потери Рмех.

Для проверки адекватности предлагаемой тепловой модели в главе было проведено сравнение результатов расчета с данными, полученными в ходе испытаний дугостаторного асинхронного двигателя типа ДАД 750-150УХЛ1. Сравнение результатов теплового расчета с экспериментом показало, что погрешность расчета температуры обмоток равна 6%, а температуры магнитопровода - 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа развивает разработки кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ в области исследования линейных и дугостаторных асинхронных машин.

В диссертации предложен новый вариант низкоскоростного привода для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин, основным элементом которого является дугостаторный асинхронный двигатель (ДАД). Выявлены значения мощности и скорости ДАД необходимые для непрерывного режима работы малодебитных скважин.

Создана методика проектирования ДАД с учетом требований станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Разработаны методы электромагнитного и теплового расчета низкоскоростных ДАД. Предложена схема замещения и соответствующий ей метод расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин.

Основные результаты работы могут быть выражены в следующих выводах:

1. Проанализированы режимы работы большого числа малодебитных нефтяных скважин, в том числе, и работавших в непрерывном режиме при различных вариантах низкоскоростного привода. В результате проведенного анализа и дополнительных исследований был предложен новый вариант низкоскоростного привода для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Основным элементом этого привода является низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель со скоростью вращения 100^-300 об/мин. При этом сохраняются в прежнем виде все остальные звенья кинематической цепи станка-качалки. Такой привод позволяет с минимальными затратами переводить малодебитные скважины в непрерывный режим работы и увеличивать добычу нефти.

2. Разработана методика определения геометрических размеров низкоскоростного ДАД, а также даны рекомендуемые значения электромагнитных нагрузок. Предлагаемая методика составлена с учетом

наработок по созданию опытно-промышленных образцов ДАД. Двигатели, спроектированные по данной методике, обеспечивают требуемую частоту качаний насоса станка-качалки и обладают при этом приемлемыми энергетическими и эксплуатационными показателями.

3. Откорректирован и уточнен метод электромагнитного расчета с учетом особенностей конструкции ДАД.

4. Предложена инженерная методика расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростного ДАД, основанная на электрической схеме замещения. В предлагаемой схеме замещения кроме сопротивлений, характеризующих бегущее поле, имеются сопротивления, позволяющие учесть влияние полей продольного краевого эффекта (ПКЭ). Исследования, выполненные с использованием квазитрехмерного метода расчета ДАД, показали, что сопротивления, учитывающие ПКЭ, главным образом зависят от четырех параметров. Следовательно, эти сопротивления можно представить в виде простых алгебраических или графических зависимостей. После определения сопротивлений, учитывающих влияние ПКЭ, расчет характеристик низкоскоростного ДАД можно вести по простым алгебраическим выражениям, полученным непосредственно из схемы замещения ДАД. Предлагаемая методика позволяет значительно упростить расчет характеристик и делает его доступным для инженерного применения.

5. Сравнение расчетных характеристик и экспериментальных данных, полученных в ходе приемочных испытаний опытно-промышленных образцов низкоскоростных ДАД, подтверждает возможность использования предлагаемой методики, а точность расчета приемлема для инженерной практики и по основным параметрам находится в пределах 10%.

6. Разработана тепловая модель, основанная на тепловой схеме замещения и учитывающая особенности стационарных тепловых процессов в низкоскоростных ДАД. Предлагаемая тепловая схема замещения составлена с учетом дополнительных путей теплопередачи, обусловленных особенностями конструкции низкоскоростного ДАД. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало сходимость в пределах 6% для температуры обмотки статора и 20% для температуры магнитопровода статора. Это позволяет применять предлагаемую тепловую модель для тепловых расчетов низкоскоростных ДАД на этапе проектирования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шулаков Н.В. Схема замещения линейного асинхронного двигателя / Н.В. Шулаков, Е.М. Огарков, A.M. Бурмакин // Электротехника. - 2010. -№6. - С. 9-13.

2. Шулаков Н.В. Тепловые процессы дугостаторного асинхронного двигателя / Н.В. Шулаков, A.M. Бурмакин //Электротехника.-2010.-№6,- С. 14-19.

3. Огарков Е.М. Повышение эффективности добычи нефти из низкодебитных скважин / Е. М. Огарков, П.Н. Цылев, А.Д. Коротаев, A.M. Бурмакин // Нефтегазовое и горное дело / Перм. гос. техн. университет. - Пермь: ПГТУ, 2005. - Вып.6. - С. 172-175.

4. Бурмакин A.M. Тихоходные асинхронные электродвигатели малой мощности / A.M. Бурмакин, Е. М. Огарков // Нефтегазовое и горное дело / Перм. гос. техн. университет. - Пермь: ПГТУ, 2005. - Вып.6. - С. 176-178.

5. Асинхронные электродвигатели для привода станков-качалок низкодебитных скважин / Е.М. Огарков, П.Н. Цылёв, А.Д. Коротаев, A.M. Бурмакин, В.А. Лобанов, В.А. Чекменёв, A.C. Ипанов. // Наука производству: Научно-технический журнал / Перм. гос. техн. университет. - Пермь: ПГТУ, 2006. - №1. - С. 39-40.

6. Коротаев А.Д. Безредукторный электропривод станков-качалок / А.Д. Коротаев, Е.М. Огарков, П.Н. Цылёв, A.M. Бурмакин // Информационные управляющие системы: Сборник научных трудов / Перм. гос. техн. университет. - Пермь: Пермский ЦНТИ, 2006. - С. 138-141.

7. Коротаев А.Д. Уравнения электромагнитного поля в движущихся электропроводящих изотропных средах / А.Д. Коротаев, Е.М. Огарков, П.Н. Цылёв, A.M. Бурмакин // Информационные управляющие системы: Сборник научных трудов / Перм. гос. техн. университет. - Пермь: Пермский ЦНТИ, 2006. - С. 106-109.

8. Огарков Е.М. Выбор электродвигателя при переводе скважины из циклического режима работы в непрерывный / Е.М. Огарков, A.M. Бурмакин // Проблемы комплексного освоения месторождений природных ископаемых в Пермском крае: Материалы краевой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных / Перм. гос. техн. университет. - Пермь: ГОУ ВПО, 2007. - С. 236-238.

9. Бурмакин A.M. Определение основных размеров низкоскоростного двигателя малой мощности / A.M. Бурмакин, А.Д. Коротаев, Е.М. Огарков, П.Н. Цылёв // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляющие электромеханические системы: сб. ст. III междунар. конф. - Екатеринбург, 2007.

10. Бурмакин A.M. Теплопередача дугостаторного асинхронного двигателя и его полная тепловая схема / A.M. Бурмакин // Энергетика. Инновационные направления в энергетике. 2-я всероссийская научно-техническая конференция. - Пермь, 2008. - С. 329-333.

11. Бурмакин A.M. Тихоходные асинхронные двигатели для станков-качалок низкодебитных скважин / A.M. Бурмакин // Энергетика. Инновационные направления в энергетике. 2-я всероссийская научно-техническая конференция. - Пермь, 2008. - С. 340-350.

12. Огарков Е.М. Модернизация электрооборудования станков-качалок низкодебитных нефтяных скважин / Е.М. Огарков, А.Д. Коротаев, П.Н. Цылёв, A.M. Бурмакин // Научные исследования и инновации: Научно-технический журнал / Перм. гос. техн. университет. -Пермь: ПГТУ, 2009. - №4. - С. 59-65.

Подписано в печать 26.10.11. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1838/2011.

Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.

Введение.

Глава 1. Требования к низкоскоростному электродвигателю станка-качалки.

1.1 Режимы работы скважин.

1.2 Непрерывный режим работы скважин.

1.3 Циклический режим работы скважин.

1.4 Основание для разработки низкоскоростного электродвигателя.

1.5 Варианты низкоскоростного электропривода.

Глава 2. Низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель для станков-качалок малодебитных скважин.

2.1 Конструкция дугостаторного асинхронного двигателя.

2.2 Основные параметры дугостаторного асинхронного двигателя для станка-качалки СК-8.

2.2.1 Исходные данные для проектирования.

2.2.2 Основные размеры.

2.3 Расчет магнитной цепи и сопротивлений обмотки статора ДАД.

2.4 Варианты конструкции ротора и методы электромагнитного расчета.

Глава 3. Электромагнитный расчет низкоскоростных дугостаторных асинхронных двигателей.

3.1 Переход от цилиндрической системы координат к прямоугольной.

3.2 Обоснование метода расчета.

3.3 Расчет распределения бегущего электромагнитного поля по высоте зазора, зубцовой зоны и ярма ротора.

3.4 Расчет мощности бегущего электромагнитного поля и учет поперечного краевого эффекта.

3.5 Расчет продольного краевого эффекта.

Глава 4. Инженерный метод расчета характеристик низкоскоростных ДАД.

4.1 Обоснование необходимости инженерного метода.

4.2 Схема замещения низкоскоростного ДАД с учетом продольного краевого эффекта.

4.2.1 Расчет параметров схемы замещения для бегущего поля.

4.2.2 Расчет параметров схемы замещения для учета продольного краевого эффекта.

4.3 Расчет характеристик низкоскоростного ДАД по схеме замещения.

Глава 5. Практическое проектирование и расчет ДАД.

5.1 Сравнение результатов расчета по квазитрехмерному методу и схеме замещения.

5.2 Проектирование и расчет низкоскоростного ДАД для станка-качалки малодебитных скважин.

5.3 Сравнение экспериментальных и расчетных характеристик ДАД для станка-качалки.

Глава 6. Тепловой расчет ДАД.

6.1 Процесс теплопередачи и температурное поле.

6.2 Задачи и методы теплового расчёта электрических машин.

6.3 Теплопередача дугостаторного асинхронного двигателя и его полная тепловая схема.

6.4 Тепловой расчёт с использованием ЭВМ.

6.5 Тепловой расчёт дугостаторного асинхронного двигателя.

6.6 Предложения по улучшению охлаждения двигателя.

Низкоскоростные многополюсные асинхронные двигатели малой мощности по массогабаритным и энергетическим показателям значительно уступают быстроходным машинам. Поэтому крупными сериями выпускаются только двигатели с малым числом полюсов на частоту вращения 3000, 1500, 1000 и 750 оборотов в минуту. Для таких машин накоплен большой практический опыт и рекомендации по выбору электромагнитных нагрузок, определению основных размеров, а также разработаны инженерные методы расчета рабочих и пусковых характеристик.

Из-за низких массогабаритных и энергетических показателей многополюсные асинхронные двигатели применяются сравнительно редко. Вместе с тем, в отдельных случаях применение низкоскоростных двигателей малой мощности оказывается вполне экономически оправданным. Одним из вариантов использования низкоскоростных многополюсных асинхронных двигателей является электропривод станков-качалок для добычи нефти из малодебитных скважин.

К малодебитным относят скважины, дающие приток жидкости менее 5 т/сутки. Добыча нефти из таких скважин осуществляется преимущественно станками-качалками с асинхронным нерегулируемым приводом. Для обеспечения оптимального режима отбора нефти требуется подбирать строго определенное количество качаний балансира, при котором производительность насоса близка к дебиту скважины. Существующая система электропривода не позволяет получать число качаний ниже четырёх в минуту. Следовательно, нельзя снизить производительность глубинного насоса до значения, необходимого для эксплуатации малодебитных скважин в непрерывном режиме. Поэтому в настоящее время малодебитные скважины вынуждены работать в циклическом режиме, когда откачка жидкости из скважины производится периодически.

Достоинством циклического режима является возможность добычи нефти при существующей системе электропривода без дополнительных затрат на переоборудование скважины. Основной недостаток циклического режима - уменьшение добычи нефти из скважины. Кроме того, при циклическом режиме необходим более мощный электродвигатель, увеличиваются динамические нагрузки на все элементы кинематической цепи станка-качалки, возникают дополнительные технические и организационные проблемы, обусловленные частыми пусками и остановками станка.

Актуальность темы. В условиях неблагоприятной геолого-технологической структуры запасов нефти, характерной для нефтяной промышленности Российской Федерации, а также в результате истощения месторождений наблюдается тенденция перехода многих добывающих скважин в разряд малодебитных. Количество малодебитных скважин постоянно возрастает из-за перехода месторождений в завершающую стадию разработки, ввода в эксплуатацию месторождений с низкопродуктивными пластами, расконсервации ранее законсервированных малодебитных скважин, обусловленной ростом мировых цен на нефть.

Для повышения нефтеотдачи малодебитные скважины необходимо переводить в непрерывный режим работы. Эффективность непрерывного режима работы малодебитных скважин подтверждена многочисленными исследованиями на различных скважинах. Для перевода скважины из циклического режима работы в непрерывный необходимо уменьшить число качаний станка. Работы в этом направлении ведутся давно, но результаты пока далеки от требуемых. Предлагаемые варианты приводят к усложнению конструкции и требуют переделок станка-качалки, имеют проблемы с размещением дополнительных звеньев. Кроме того, из-за дополнительных звеньев снижаются надёжность и долговечность привода, возрастают затраты на покупку, ремонт и обслуживание.

В качестве решения проблемы увеличения добычи жидкости из скважин с малым дебитом предлагается разработка низкоскоростных асинхронных электродвигателей малой мощности, которые совместно с клиноременной передачей и редуктором, используемыми в настоящее время на станках-качалках, позволяли бы получить частоту хода плунжера насоса в требуемом диапазоне. Одновременно с этим данные электродвигатели должны обладать эксплуатационными и стоимостными показателями, не уступающими аналогичным показателям штатных асинхронных электродвигателей.

В результате исследований выявлено, что поставленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют низкоскоростные дугостаторные асинхронные двигатели (ДАД). Однако проектирование таких двигателей осложняется отсутствием надёжных практических рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и определению основных размеров машины. Также известно, что в ДАД кроме основного бегущего поля возникают дополнительные поля, обусловленные разомкнутостью магнитопровода статора. Дополнительные поля индуктируют дополнительные токи, создают дополнительные мощности и усилия. Эти явления оказывают существенное влияние на рабочие свойства ДАД и поэтому должны быть учтены при проектировании и расчете характеристик ДАД.

Таким образом, актуальной задачей является разработка рекомендаций по подбору и проектированию дугостаторного электродвигателя при переводе скважины из циклического режима работы в непрерывный, а также разработка инженерных методик расчета электромагнитных и тепловых процессов ДАД. Данная работа основывается на разработках сотрудников кафедры электротехники и электромеханики Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета (ПНИПУ) в области линейных асинхронных машин и дополняет их.

Объектом исследования являются дугостаторные асинхронные двигатели.

Предмет исследования - электрическая и тепловая схемы замещения

ДАД.

Цели работы:

1. Разработка рекомендаций по определению геометрических размеров и выбору электромагнитных нагрузок низкоскоростного ДАД для станка-качалки малодебитных нефтяных скважин;

2. Разработка инженерной методики расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД;

3. Разработка методики для оценки теплового состояния ДАД в продолжительном режиме работы.

Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:

1. Анализ условий работы электропривода станка-качалки малодебитных нефтяных скважин и формулировка требований к электродвигателю при переводе малодебитных скважин в непрерывный режим работы;

2. Разработка методики проектирования низкоскоростного ДАД с учетом требований, обеспечивающих согласование его параметров с параметрами малодебитных скважин;

3. Решение квазитрехмерной полевой задачи применительно к рассматриваемому типу ДАД;

4. Расчет сопротивления продольного краевого эффекта низкоскоростных ДАД с учетом числа полюсов, электромагнитной добротности, скольжения и ряда других факторов;

5. Составление электрической схемы замещения низкоскоростного ДАД и разработка на ее основе инженерного метода электромагнитного расчета;

6. Построение тепловой схемы замещения для расчета стационарного теплового процесса в ДАД.

Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, квазитрехмерный метод расчета электромагнитного поля, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы компьютерного моделирования с помощью математических пакетов МАТНСАИ и МАТЬАВ.

На защиту выносятся следующие положения, представляющие научную новизну:

1. Обоснование применения низкоскоростного дугостаторного асинхронного двигателя в качестве привода станка-качалки для перевода малодебитных нефтяных скважин из циклического режима работы в непрерывный;

2. Методика проектирования низкоскоростного ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин, с учетом рекомендаций по согласованию производительности скважины и насоса при переводе малодебитных скважин в непрерывный режим работы;

3. Электрическая схема замещения и методика инженерного расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД;

4. Способ определения параметров предлагаемой электрической схемы замещения и выявление зависимостей этих параметров от основных влияющих факторов;

5. Тепловая схема замещения для расчета стационарных тепловых процессов в ДАД, с учетом присущих им конструктивных особенностей.

Практическая ценность. Созданный на базе низкоскоростного ДАД электропривод станка-качалки, обладая приемлемыми энергетическими показателями, позволяет наиболее простым и дешевым способом переводить малодебитные нефтяные скважины в непрерывный режим работы. Таким образом можно добиться увеличения добычи нефти в несколько раз. Предложенные методики позволяют многократно упростить выполнение электромагнитных и тепловых расчетов при проектировании низкоскоростных ДАД. Используемый в данных методиках математический аппарат не требует специальной подготовки и доступен инженеру-электромеханику.

Внедрение. Результаты работы используются:

1. При проектировании и расчетах низкоскоростных ДАД для установки на малодебитных скважинах ООО "Лукойл-Пермь";

2. На кафедре электротехники и электромеханики ПНИПУ при дипломном проектировании.

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:

- IV международная научно-техническая конференция «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляющие электромеханические системы». Екатеринбург, УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, март 2011 г.

- Международная научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело». Пермь, ноябрь 2009 г.

- II всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике». Пермь, ноябрь 2008 г.

- Краевая научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы комплексного освоения месторождений природных ископаемых в Пермском крае». Пермь, ПГТУ, ноябрь 2007 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка используемых источников и 3 приложений общим объемом 166 страниц. Основная часть изложена на 133 страницах машинописного текста, иллюстрирована 43 рисунками, 13 таблицами. Библиографический список содержит 95 наименований.

Основные результаты работы могут быть выражены в следующих выводах:

1. Проанализированы режимы работы большого числа малодебитных нефтяных скважин, в том числе, и работавших в непрерывном режиме при различных вариантах низкоскоростного привода. В результате проведенного анализа и дополнительных исследований был предложен новый вариант низкоскоростного привода для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Основным элементом этого привода является низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель со скоростью вращения 100-К300 об/мин. При этом сохраняются в прежнем виде все остальные звенья кинематической цепи станка-качалки. Такой привод позволяет с минимальными затратами переводить малодебитные скважины в непрерывный режим работы и увеличивать добычу нефти.

2. Разработана методика определения геометрических размеров низкоскоростного ДАД, а также даны рекомендуемые значения электромагнитных нагрузок. Предлагаемая методика составлена с учетом наработок по созданию опытно-промышленных образцов ДАД. Двигатели, спроектированные по данной методике, обеспечивают требуемую частоту качаний насоса станка-качалки и обладают при этом приемлемыми энергетическими и эксплуатационными показателями.

3. Откорректирован и уточнен метод электромагнитного расчета с учетом особенностей конструкции ДАД.

4. Предложена инженерная методика расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростного ДАД, основанная на электрической схеме замещения. В предлагаемой схеме замещения кроме сопротивлений, характеризующих бегущее поле, имеются сопротивления, позволяющие учесть влияние полей продольного краевого эффекта (ПКЭ). Исследования, выполненные с использованием квазитрехмерного метода расчета ДАД, показали, что сопротивления, учитывающие ПКЭ, главным образом зависят от четырех параметров. Следовательно, эти сопротивления можно представить в виде простых алгебраических или графических зависимостей. После определения сопротивлений, учитывающих влияние ПКЭ, расчет характеристик низкоскоростного ДАД можно вести по простым алгебраическим выражениям, полученным непосредственно из схемы замещения ДАД. Предлагаемая методика позволяет значительно упростить расчет характеристик и делает его доступным для инженерного применения.

5. Сравнение расчетных характеристик и экспериментальных данных, полученных в ходе приемочных испытаний опытно-промышленных образцов низкоскоростных ДАД, подтверждает возможность использования предлагаемой методики, а точность расчета приемлема для инженерной практики и по основным параметрам находится в пределах 10%.

6. Разработана тепловая модель, основанная на тепловой схеме замещения и учитывающая особенности стационарных тепловых процессов в низкоскоростных ДАД. Предлагаемая тепловая схема замещения составлена с учетом дополнительных путей теплопередачи, обусловленных особенностями конструкции низкоскоростного ДАД. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало сходимость в пределах 6% для температуры обмотки статора и 20% для температуры магнитопровода статора. Это позволяет применять предлагаемую тепловую модель для тепловых расчетов низкоскоростных ДАД на этапе проектирования.

Заключение

Диссертационная работа развивает разработки кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ в области исследования линейных и дугостаторных асинхронных машин.

В диссертации предложен новый вариант низкоскоростного привода для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин, основным элементом которого является дугостаторный асинхронный двигатель (ДАД). Выявлены значения мощности и скорости ДАД необходимые для непрерывного режима работы малодебитных скважин.

Создана методика проектирования ДАД с учетом требований станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Разработаны методы электромагнитного и теплового расчета низкоскоростных ДАД. Предложена схема замещения и соответствующий ей метод расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин.

1. Абдулин Ф.С. Добыча нефти и газа / Ф.С. Абдулин. М.: Недра, 1983. 256 с.

2. Авторский надзор и техническое сопровождение опытной эксплуатации опытного образца электродвигателя ДАД 750-150 УХЛ1: Отчет о НИОКР №06z0766/2006/154 / Рук. П.Н. Цылев. Пермь, 2007. 40 с.

3. Адонин А. Н. Добыча нефти штанговыми насосами / А.Н. Адонин. М.: Недра, 1979. 425 с.

4. Адонин А.Н. Процессы глубиннонасосной добычи нефти / А.Н. Адонин. М.: Недра, 1964. 263 с.

5. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров / А. Анго; пер. с фр. под общ. ред. К.С. Шифрина. М.: Наука, 1964. 772 с.

6. Андреев В.В. Справочник по добыче нефти / В.В. Андреев, K.P. Уразаков, В. У. Далимов. Москва: Изд-во: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. 374 с.

7. Артемьев Б.А. Обобщенная теория электрической машины со сплошным ротором / Б.А. Артемьев. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1985. 188 с.

8. Архипов К.И. Справочник по станкам-качалкам / К.И. Архипов, В.И. Попов, И.В. Попов. Альметьевск, 2000. 146 с.

9. Асинхронные электродвигатели для привода станков-качалок / vнизкодебитных скважин / Е.М. Огарков и др. // Наука производству:

10. Научно-технический журнал / Перм. гос. техн. университет. Пермь: ПермГТУ, 2006. №1. С. 39-40.

11. Беляев Е.Ф. Дискретно-полевые модели электрических машин: учеб. пособие. Ч. I, II / Е.Ф. Беляев, Н.В. Шулаков. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. 457 с.

12. Бойко Е. П. Асинхронные двигатели общего назначения / Е.П. Бойко, Ю.В. Гаинцев, Ю.М. Ковалев и др. М.: Энергия 1980.488 с.

13. Борисенко А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах / А.И. Борисенко, В.Г. Данько, А.И. Яковлев. М.: Энергия, 1974. 560 с.

14. Бородин Д.А. Разработка математических моделей дугостаторных асинхронных двигателей с одним и несколькими статорами: автореферат к дис. . канд. техн. наук/ Д.А. Бородин. Москва: МЭИ, 1992. 20с.

15. Брук И.С. Теория асинхронного двигателя с массивным ротором / И.С. Брук // Вестник теоретической и экспериментальной электротехники. 1929. №5. С. 175-193.

16. Брынский Е.А. Электромагнитные поля в электрических машинах / Е.А. Брынский, Я.Б. Данилевич, В.И. Яковлев. JL: Энергия, 1979.176 с.

17. Веселовский О.Н. Линейные асинхронные двигатели / О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.

18. Веселовский, О.Н. Расчет характеристик низкоскоростных линейных асинхронных двигателей Текст. / О.Н. Веселовский // Электричество. 1980. №5. С. 26-31.

19. Вилнитис А.Я. Концевой эффект в линейных асинхронных двигателях. Задачи и методы решения / А.Я. Вилнитис, М.С. Дриц. Рига: Зинатне, 1981.258 с.

20. Вирновский A.C. Теория и практика глубиннонасосной добычи нефти / A.C. Вирновский. М.: Недра, 1982. с. 267.1. V г. е

21. Вольдек А'. И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом / А.И. Вольдек. Л.: Энергия, 1970. 272 с.

22. Вольдек А.И. Метод расчета характеристик линейных дуговых индукционных машин с учетом влияния продольного краевого эффекта / А.И. Вольдек, Е.В. Толвинская // Магнитная гидродинамика. 1971. № 1. С.84-90.

23. Вольдек А.И. Продольный краевой эффект во вторичной цепи индукционных машин и насосов для жидких металлов с разомкнутым магнитопроводом / А. И. Вольдек // Изв. вузов. Сер. «Электромеханика». 1960. №3. С. 17-22.

24. Вольдек А.И. Электрические машины. Учеб. для студ. втузов / А.И. Вольдек. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1974. 840 с.

25. Гольдберг О. Г. Проектирование электрических машин / О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко. М.: Высш. шк, 1984. 431 с.

26. Грайфер В.И. Оптимизация добычи нефти глубинными насосами / В.И. Грайфер, С.Б. Ишемгужин, Г.А. Яковенко. Казань: Таткнигоиздат, 1973. 213 с.

27. Девликамов В.В. Интенсификация работы глубиннонасосных скважин / В.В. Девликаов, C.JI. Олифер, Г.Н. Конышенко. Уфа: Башкнигоиздат, 1970. 71 с.

28. Дриц М. С. Концевой эффект в линейной индукционной МГД машине с учетом конечной длины индуктора. Математическая модель / М. С. Дриц // Магнитная гидродинамика. 1982. №4. С.89-95.

29. Епифанов А.П. Основные вопросы проектирования тяговых ЛАД. Часть 3. Определение характеристик и параметров / А.П. Епифанов // Электротехника. 1992. № 10. С. 12-16.

30. Епифанов А.П. Расчетно-теоретические исследования нормальных сил в тяговых линейных асинхронных двигателях / А.П. Епифанов, A.M. Лебедев // ИВУЗ, Электромеханика. 1985. № 9. С. 39-43.

31. Ивановский В.Н. Скважинные насосные установки для добычи нефти / В.Н. Ивановский, В.И. Дарищев, A.A. Сабиров. М.: ГУП, Нефть и газ, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002. 824 с.

32. Иванов-Смоленский A.B. Метод проводимостей зубцовых контуров и его применение к электромагнитному расчету ненасыщенной электрической машины с двусторонней зубчатостью сердечников / A.B. Иванов-Смоленский//Электричество. 1976. №9. С. 18-28.

33. Иванов-Смоленский A.B. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / A.B. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.И. Власов, В.А. Кузнецов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 216 с.

34. Ижеля Г.И. Линейные асинхронные двигатели / Г.И. Ижеля, С.А. Ребров, А.Г. Шаповаленко. Киев: Техника, 1975. 136 с.

35. Кислицын А.Л. Методы исследования линейных асинхронных машин / А.Л. Кислицын, Н.И. Солнышкин, A.M. Крицштейн, А.Д. Эрнст. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. 98 с.

36. Коняев А.Ю. К выбору тепловых нагрузок линейных индукторов /А.Ю. Коняев // Специальные электрические машины и электромашинные системы: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1978. С.45-49.

37. Копылов И. П. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин. Изд. 3-е, испр. и доп. М.: Высш. шк, 2002. 757 с.

38. Копылов И.П. Численное моделирование линейных асинхронных двигателей высокоскоростных транспортных систем / И.П. Копылов, Е.Ф. Беляев //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1977, №3. С. 61- 69.

39. Коротаев А.Д. Поперечные усилия в линейных асинхронных двигателях / А.Д. Коротаев // Электрические машины и электромашинные системы: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1987. С. 13-18.

40. Кравчик Э.А. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоатомиздат, 1982. 504с.

41. Круминь Ю.К. Взаимодействие бегущего магнитного поля с проводящей средой / Ю.К. Круминь. Рига: Зинатне, 1969. 258 с.

42. Круминь Ю.К. Основы теории и расчета устройств с бегущим магнитным полем / Ю.К. Круминь. Рига: Зинатне, 1983. 278 с.

43. Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивным ротором / В.М. Куцевалов. М.: Энергия, 1979. 160 с.

44. Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами / В. М. Куцевалов. М.: Энергия, 1966. 302 с.

45. Лиелпетер Я. Я. Жидкометаллические индукционные МГД-машины / Я.Я. Лиелпетер. Рига: Зинатне, 1969.246 с.

46. Лищенко А.И. Асинхронные машины с массивным ферромагнитным ротором / А.И. Лищенко, В.А. Лесник. Киев: Наукова думка, 1984. 168 с.

47. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: учеб. пособие / И.Т. Мищенко. Москва: Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. 816 с.

48. Многофазные индукторные машины в дуговых и плоских исполнениях / Г.И. Штурман, H.H. Левин // Бесконтактные электрические машины:сборник статей / АН Латв. ССР, Физ.-энерг. ин-т. Рига: Зинатне, 1963. Вып. З.С. 183-196.

49. Мухаметзянов А. К. Добыча нефти штанговыми насосами / А. К. Мухаметзянов, И. Н. Чернышов, А. И. Липерт, С.Б. Ишемгужин. М.: Недра, 1993. 352 с.

50. Огарков Е. М. Исследование влияния продольных краевых эффектов на статические характеристики линейных асинхронных двигателей: дис. . канд. техн. наук. Пермь, 1974. 223 с.

51. Огарков Е. М. Квазитрехмерная теория линейных асинхронных двигателей / Е.М. Огарков. Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2003. 240 с.

52. Огарков Е.М. Теоретическое исследование концевого эффекта линейных асинхронных двигателей / Е.М. Огарков // Электрические машины и электромашинные системы: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1987. С. 6-13.

53. О допущениях и принципах построения расчетной модели распределенного активного слоя / В.М. Казанский, В.Н. Зонов // Асинхронные электродвигатели с распределенным активным слоем статора: сб. науч. тр. /НЭТИ. Новосибирск, 1972. С.26-33.

54. Охременко Н.М. Поперечный краевой эффект в плоских линейных индукционных насосах / Н.М. Охременко // Магнитная гидродинамика. 1965. №3. С.86-93.

55. Пат. Привод станка-качалки для добычи нефти из низкодебитных скважин №47990 от 10.09.2005.

56. Повышение эффективности добычи нефти из низкодебитных скважин / Е. М. Огарков и др. // Нефтегазовое и горное дело. Пермь, 2005. Вып.6. С. 172-175.

57. Постников И.М. Проектирование электрических машин / И.М. Постников. Киев: Государственное Издательство технической литературы УССР, 1952. 736 с.

58. Постников И.М. Расчет бегущего электромагнитного поля в многослойных средах / И.М. Постников, Л.Г. Безусый //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1970. №6. С. 49-49.

59. Постников И.М. Расчет бегущего электромагнитного поля в слоистой проводящей среде / И.М. Постников, Л.П. Нижник, A.A. Березовский, А.Н. Кравченко // Электричество. 1965. № 9. С. 1-7.

60. Продольный краевой эффект линейных индукционных двигателей с учетом характера распределения поля в концевых зонах / Е.М.Огарков, В.В. Тиунов // Специальные системы электропривода: Сб. науч. тр. / Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1973. №133. С.29-36.

61. Расчет характеристик линейных индукционных машин с учетом несимметрии, вызываемой продольным краевым эффектом / В.В. Тиунов, Е.М. Огарков // Специальные системы электропривода: Сб. науч. тр. / Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1973. № 133. С. 60-69.

62. Русов В.А. Расчет асинхронных двигателей с массивным ферромагнитным ротором / В.А. Русов // Электрические машины и электромашинные системы: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1987. С. 2227.

63. Сарапулов Ф.Н. Математические модели линейных индукционных машин на основе схем замещения / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак.г2005.431 с.

64. Сарапулов Ф.Н. Детализированная структурная схема тепловой цепи линейного асинхронного двигателя / Ф.Н. Сарапулов, А.И. Прохоров // Электрические машины и электромашинные системы: Сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2005. С. 68-73.

65. Свечарник Д.В. Линейный электропривод / Д.В. Свечарник. М.: Энергия, 1979. 152 с.

66. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин / П.С. Сергеев, Н.В. Виноградов, Ф.А. Горяинов. Изд. 3-е, переработ, и доп. М.: Энергия, 1969. 632 с.

67. Сипайлов Г.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах: учеб. для вузов. / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. М.: Высшая школа, 1989. 239 с.

68. Соколов М.М. Электропривод с линейными двигателями / М.М. Соколов, JI.K. Сорокин. М.: Энергия, 1974. 136 с.

69. Тамм И.Е. Основы теории электричества: учеб. пособие для вузов / И.Е. Тамм. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 504 с.

70. Теория и методы расчета асинхронных турбогенераторов / И. М. Постников и др. / АН УССР (Киев), Ин-т электродинамики АН УССР (Киев). Киев: Наукова думка, 1977. 176 с.

71. Тихоходные асинхронные электродвигатели малой мощности / A.M. Бурмакин, Е. М. Огарков // Нефтегазовое и горное дело. Пермь, 2005. Вып.6. С. 176-178.

72. Тихоходные асинхронные электродвигатели малой мощности / О.С. Веглин, А.Д. Коротаев, Е. М. Огарков, П.Н. Цылев // Электрические машины и электромашинные системы: Сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2005. С. 49-54.

73. Фридкин П.А. Безредукторный дугостаторный электропривод. Л.: Энергия, 1970. 140 с.

74. Фридкин П.А. Дуговые статоры, как электрические аппараты для вращения рабочих машин / П.А. Фридкин // Электричество. 1937. № 7, 8, С.26-31,28-34.

75. Штокман И.Г. Основы создания магнитных транспортных установок / И.Г. Штокман. М.: Недра, 1972. 192 с.

76. Штурман Г.И. Основные уравнения и схемы замещения асинхронного двигателя индукторного типа / Г. И. Штурман, Н.Н. Левин // Известия вузов. Электромеханика. 1961. № 2. С. 27-33

77. Шулаков Н.В. Схема замещения линейного асинхронного двигателя / Н.В. Шулаков, Е.М. Огарков, A.M. Бурмакин // Электротехника. 2010. №6. С. 913.

78. Шулаков Н.В. Тепловые процессы дугостаторного асинхронного двигателя / Н.В. Шулаков, A.M. Бурмакин // Электротехника. 2010. №6. С. 14-19.

79. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей / С. Ямамура. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 180 с.

80. Alves M.F. Single-Sided Linear Induction Motor with Magnetic Material in the Secondary / M.F. Alves, P.E. Burke // IEEE Conference Record of IAS/1973, Eighth Annual Meeting, Milwaukee, Wisconsin, U.S.A., 8-11 October 1973. P. 321-329.

81. Pohl R. Theory of Pulsating-Field Machines. J. 1EE. 1946, vol. 93, pt. 2. No. 31, P. 31-40.