Удосконалення асинхронних двигунів приводу електромеханічних ключів нафтових свердловин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.313.333

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ ПРИВОДУ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ КЛЮЧІВ НАФТОВИХ СВЕДЛОВИН

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Броді Володимир Янович

Донецьк - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Донецькому національному технічному університеті (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк і в Українському науково-дослідному, проектно-конструкторському та технологічному інституті вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ) Міністерства промислової політики України, м. Донецьк

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Дудник Михайло Захарович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рогозін Георгій Григорович, Донецький національний технічний університет, професор кафедри електричних систем;

кандидат технічних наук, доцент Заблодський Микола Миколайович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідувач кафедри електричних машин і апаратів

Провідна установа: Національний технічний університет України (КПІ), кафедра електромеханіки, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ 13 ” червня 2002 р. о 13¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корпус 1, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ за адресою:

Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корпус 2.

Автореферат розісланий “ 11 ” травня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доц. А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У багатьох галузях промисловості експлуатуються досить великі групи машин, механізмів та технологічного устаткування, що мають специфічні умови застосування і режими експлуатації приводних асинхронних електродвигунів (АД): затяжний пуск, нерівномірний характер формування навантаження на вихідному валу, можливість повного або часткового стопоріння, особливо при пуску.

Так, на обсяг видобутку нафти великий вплив мають гірничотехнічні заходи, здійснювані за допомогою проведення підземних робіт у свердловинах. При цьому для механізації і автоматизації найбільш тривалих та трудомістких операцій при спуску та підйомі колони насосно-компресорних труб під час підземного ремонту нафтових свердловин використовуються електромеханічні ключі АПР-2ВБМ і КМУ-50, які механізують операції згвинчування-розгвинчування труб, автоматизують захоплення, утримання у підвішеному стані, звільнення і центрування колони труб.

У приводі електромеханічного ключа застосовується АД у вибухозахищеному виконанні, потужністю 3 кВт у тривалому режимі S1 по ГОСТ 183-74, який має недостатню надійність. Так, наприклад, за даними АТ “Татнефть” (Татарстан, РФ) середній термін служби АД, складає в середньому 2,5 місяці. Замінити ж АД на наступний більш високий ступінь потужності неможливо через неприпустимість збільшення габаритних і установчих розмірів. Тому одним із заходів, що скорочують термін проведення підземних робіт нафтових свердловин і підвищують їх продуктивність, є створення АД з поліпшеними техніко-економічними характеристиками, зокрема, підвищеними потужністю, коефіцієнтом корисної дії (ККД), пусковим і максимальним обертальними моментами, а також надійністю роботи. Найбільш ефективні результати найближчим часом очікуються від застосування литої мідної обмотки в роторі замість алюмінієвої. При застосуванні мідної обмотки ККД двигуна збільшується на 1,5 - 2 % без суттєвого збільшення його вартості. Крім того, застосування міді в роторі дозволяє виконати електродвигун більш компактним і зменшити витрату міді в статорі. Таким чином, наукове завдання удосконалювання АД малої потужності спеціального призначення на основі заміни ротора з алюмінієвою короткозамкненою обмоткою на литу мідну є актуальним, зокрема, для розвитку електромашинобудування в Україні.

Вагомий внесок в розвиток цього напрямку науки і його практичного застосування внесли Кіклевич Н.А., Чувашев В.А, Ширнін І.Г., Дудник М.З. та інш.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з тематикою наукових робіт кафедри електромеханіки і ТОЕ Донецького національного технічного університету і відповідно до комплексної цільової науково-технічної програми “Електротехніка” договір № 6724/Е “Розробка і впровадження у виробництво нових вітчизняних електродвигунів потужністю 0,25…2000 кВт”, тематичними планами НДДКР, проведених в Українському науково-дослідному, проектно-конструкторському та технологічному інституті вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ) при особистій участі автора, із “Программой технического перевооружения предприятий АО “Татнефть” на период до 2000 года”. Технічне переозброєння підприємств край необхідно Україні, особливо в плані енерго-ресурсозбереження.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є удосконалювання існуючих АД вибухозахищеного виконання для підвищення, у заданих обмежених габаритних розмірах машини, потужності, ККД, пускового і максимального обертальних моментів, а також надійності в порівнянні з електродвигунами, які серійно випускаються.

Відповідно до поставленої мети у дисертації вирішуються наступні задачі:

- критичний аналіз концепцій проектування (конструкція, енергетичні, механічні і теплові характеристики) АД вибухозахищеного виконання вітчизняного і закордонного виробництва;

- дослідження режимів роботи електромеханічних ключів, застосовуваних при ремонті нафтових свердловин, і обґрунтування вимог до характеристик приводних АД;

- обґрунтування шляхів поліпшення механічної характеристики і підвищення потужності АД вибухозахищеного виконання з короткозамкненою литою мідною обмоткою ротора, у кожному стрижні якої виконаний пусковий шар, що складає єдине ціле з іншою частиною стрижня;

- уточнення методик проектування АД вибухозахищеного виконання в частині вибору геометрії пазів і визначення електромагнітних параметрів електричної машини з анізотропними стрижнями литої мідної клітки ротора;

- удосконалювання технологічного процесу заливання ротора АД міддю;

- проведення експериментальної перевірки розрахункових характеристик АД з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора з пусковим шаром у верхній частині стрижнів і порівняння їх з аналогічними характеристиками серійних вибухозахищених електродвигунів, включаючи і показники надійності.

Ідея роботи полягає в удосконалюванні АД шляхом формування необхідних механічних характеристик АД, підвищення надійності за рахунок застосування мідної литої короткозамкненої обмотки ротора з пусковим шаром у верхній частині стрижня. Об'єктом досліджень є процес удосконалювання асинхронних двигунів малої потужності, підвищення їхньої надійності і поліпшення технічних характеристик у заданих, обмежених габаритних розмірах. Предметом досліджень є серійні двигуни АИМ-М 100S4, АИМ-М 100L4 вибухозахищеного виконання із литою алюмінієвою короткозамкненою обмоткою ротора, що удосконалюються шляхом заміни останньої на литу мідну з пусковим шаром у кожному стрижні. Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети використовувалися наступні методи досліджень:

- методи теорії ймовірностей при визначенні ефективних значень споживаємих струмів при стохастичних навантаженнях АД в процесі дослідження режимів роботи приводу електромеханічних ключів і постановці вимог до характеристик двигуна;

- методи математичного моделювання при дослідженнях обертальних моментів, споживаємого струму, кутової швидкості, ККД двигуна малої потужності з використанням розрахункових параметрів машини з обмотками ротора з алюмінію та міді з пусковим шаром, який має різні величини;

- методика проектування при корекції існуючих методик проектування АД вибухозахищеного виконання в частині вибору геометрії пазів і визначення електромагнітних параметрів двигуна з литою мідною кліткою ротора, яка має пусковий шар;

- апробовані методи випробувань при проведенні експериментальних перевірок розрахункових характеристик АД з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора з пусковим шаром у верхній частині стрижня і порівнянні їх з аналогічним характеристиками серійних вибухозахищених електродвигунів України і світового електромашинобудування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше запропонована методика урахування пускового шару у верхній частині стрижня литої мідної короткозамкненої обмотки ротора в математичних моделях електромеханічних процесів АД малої потужності. Особливістю методики є диференційний підхід до явища витиснення струму в анізотропному середовищі;

- розвинуто спосіб визначення еквівалентного ефективного значення пускового струму АД в повторно-короткочасному режимі роботи S4 при багатократних пусках, який відрізняється врахуванням стохастично мінливого моменту опору механізму;

- отримало подальший розвиток проектування спеціальних машин, що відрізняється уточненням електромагнітного розрахунку, пов'язаного з уведенням і вибором оптимальної величини електропровідності пускового шару анізотропного стрижня литої мідної клітки ротора;

- запропонована методика проектування ротора АД малої потужності вибухозахищеного виконання в частині вибору геометрії пазів з анізотропними стрижнями литої мідної клітки і визначення електромагнітних параметрів машини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і основних рекомендацій роботи забезпечується тим, що вихідні посилки досліджень базуються на фундаментальних положеннях електродинаміки, у ході аналізу використовується коректний математичний апарат. Отримані в роботі висновки підтверджені експериментальною перевіркою, при цьому має місце задовільна збіжність розрахункових і експериментальних результатів (розбіжність не перевищує 9 %).

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена методика проектування і технологія виготовлення АД з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора з пусковим шаром у верхній частині стрижня впроваджені на ВАТ “Первомайський електромеханічний завод ім. К. Маркса” (ВАТ ПЕМЗ) при виготовленні АД для приводу електромеханічних ключів АПР-2ВБМ і КМУ-50, що характеризуються кращими технічними та економічними показниками в порівнянні з вітчизняними і закордонними аналогами, які використаються для цих цілей.

Результати проведених теоретичних досліджень, розрахунків та випробувань служать практичною основою для створення АД нового покоління і призначених для роботи з важкими умовами експлуатації (затяжний пуск, нерівномірний характер формування навантаження на валу, можливість повного або часткового стопоріння, особливо при пуску). Створено дослідну партію АД вибухозахищеного виконання в кількості 15 шт., яка проходить експлуатаційні випробування на підприємствах АТ “Татнефть”. Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: засіданнях кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки Донецького національного технічного університету, науково-технічної секції електричних машин УкрНДІВЕ, II Міжнародної конференції по електротехніці і електротехнології МКЭЭ - 96 (Крим, 1-5 жовтня 1996 р.), АТ “Татнефть” (м. Альметьєвськ, Татарстан, 15-19 вересня 1997 р.), науково-технічній раді АТ “Електромаш” (м. Тирасполь, Молдова, травень 1998 р.), виробничо-технічній нараді “Створення нового енергетичного устаткування для нафтової і нафтопереробної промисловості”, організованому департаментом нафтової і газової промисловості Мінтопенерго Росії (м. Самара, 14-18 вересня 1998 р.), III Міжнародної конференції “Фізико-технічні проблеми електротехнічних матеріалів і компонентів” МКЭМК-99 (Москва, Росія, 1999 р.,) Міжнародних симпозіумах “Проблеми удосконалювання електричних машин і апаратів. Теорія і практика. SIEMA-2000” (Харків, Україна, 20-21 жовтня 2000 р.), “SIEMA-2001” (Харків, Україна, 18-20 жовтня 2001 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 робіт, із яких: 5 - у збірниках наукових праць; 2 - у науково-технічному, виробничому і економічному журналі, 1 - патент України на винахід і 3 - тези доповідей на міжнародних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 99 найменувань, ілюстрована 45 рисунками і 6 таблицями, має 5 додатків. Основний зміст дисертації викладений на 112 сторінках.

тепловий асинхронний двигун ротор

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень та розробок, подані наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі приведений короткий аналіз вимог ринків збуту до електродвигунів малої потужності і розглянуті шляхи їх удосконалювання. Показано, що більше 60% від реалізації усіх АД у світі склали двигуни потужністю до 18 кВт у висоті осі обертання до 160 мм. На європейському ринку відзначається зростаючий попит на АД малої потужності з підвищеною надійністю і поліпшеними енергетичними характеристиками та експлуатаційними показниками. Заводи-виробники, які концентрують зусилля на підвищення ККД, у порівнянні зі стандартними, підтримуються урядовими програмами ряду країн Західної Європи, США і Канади.

В Україні, незважаючи на відсутність фінансування, також проводяться роботи по створенню нових високоефективних серій АД.

Оцінка перспектив розвитку АД малої потужності показує, що кардинальні зміни конструкції двигунів в даний час не прогнозуються: практично досягнуті межі електромагнітних навантажень активних матеріалів, питома витрата активних матеріалів практично стабілізувалася, підвищення надійності машин малої потужності потребує радикальних технічних рішень і значних капітальних вкладень.

Тому за основу для розробки асинхронних двигунів із поліпшеними енергетичними і механічними характеристиками, надійних в експлуатації і технологічних та недорогих у виготовленні узятий двигун із литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора, у якому з метою підвищення пускового моменту і зниження пускового струму розміщений пусковий шар у верхній частині стрижня. У висновку розділу сформульовані задачі дослідження.

Другий розділ присвячений урахуванню пускового шару у верхній частині анізотропного стрижня литої мідної короткозамкненої обмотки ротора в математичних моделях електромеханічних процесів АД малої потужності та моделюванню роботи АД приводу електромеханічного ключа з урахуванням насичення магнітних ланцюгів і витиснення струму в стрижнях ротора.

За основу математичної моделі АД приводу електромеханічного ключа обрана модель ідеалізованої двофазної машини з m - обмотками на статорі і n- обмотками на роторі.

Реальна насичена машина приблизно представляється математичною моделлю з постійними параметрами. При цьому несинусоїдальний розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі враховується уявленням прикладеної напруги до обмотки статора у вигляді окремих гармонійних складових (1, 3, 5 гармоніки; статорні і роторні обмотки w_1s, w_2s, w_3s, w_1r, w_2r, w_3r). Амплітуди останніх апроксимують форму магнітної індукції в повітряному зазорі. Вплив вихрових струмів враховується в обмотці ротора w_4r.

Вибір такої моделі дозволяє з достатньою для практики точністю моделювати процеси, які протікають у АД приводу електромеханічного ключа.

Рівняння напруг, що враховують процеси перетворення енергії в АД, виражаються у вигляді складної матриці подібної до матриці Крона для двообмоточної машини

де u_s, u_s - матриці напруг, що подаються на обмотки статора на осях і ; i_s, i_s, i_r, i_r - матриці струмів, що протікають в обмотках статора і ротора на осях і ; A_s, A_s, A_r, A_r - матриці повних опорів обмоток статора і ротора на осях і ; A_sr, A_sr, A_rs, A_rs- матриці взаємних індуктивностей між обмотками статора і ротора на осях і ; D, D, B, B- матриці опорів, що відносяться до обмоток, які враховують ЕРС обертання. В матрицях повного опору обмоток ротора враховується пусковий шар анізотропного стрижня та ефект витиснення струму.

Рівняння руху ротора АД

де М_с - момент опору; М_элм -електромагнітний момент АД; J - момент інерції ротора АД; _r - кутова швидкість ротора.

Наближене рішення системи диференціальних рівнянь (1) - (3) АД приводу електромеханічного ключа для аналізу поводження системи в часі здійснені методом Коші із застосуванням метода Рунге-Кутта. Параметри АД визначалися розрахунковим шляхом за формулами проектування АД.

Кінцевим результатом рішення системи рівнянь є аналіз струмів статора і ротора, а також характеристик моменту АД в діапазоні ковзання АД від 1 до 0. Аналіз здійснювався послідовним розрахунком характеристик АД з литою алюмінієвою обмоткою ротора та з литою мідною обмоткою ротора з різними площами і електропровідностями пускового шару.

Порівняння електромагнітного моменту при пуску АД АИМ-М 100 S4 з обмотками ротора з алюмінію та із міді з пусковим шаром показано на рис. 2.

Залежність пускового моменту М_п, пускового струму i_п і часу пуску t_n від співвідношення площ пускового шару і паза при різних питомих електропровідностях матеріалу пускового шару у МСм/м (показана нижнім індексом у дужках) приведена на рис. 3.

За результатами розрахунків і моделювання визначені оптимальні значення параметрів АД. При заміні алюмінієвої обмотки на литу мідну поліпшуються енергетичні характеристики, а застосування пускового шару в стрижні ротора гарантує зберігання пускових моментів на рівні вимог експлуатації.

У третьому розділі виконано уточнення існуючої методики електромагнітного розрахунку АД малої потужності вибухозахищеного виконання, пов'язане з уведенням і вибором величини електропровідності пускового шару анізотропного стрижня литої мідної клітки ротора і врахуванням режиму експлуатації двигуна приводу електромеханічного ключа. Здійснено вибір геометрії пазів ротора з анізотропними стрижнями литої мідної клітки і визначення електромагнітних параметрів машини.

Вплив імовірних характеристик моменту опору різьбового з'єднання колони насосно-компресорних труб при пуску АД (еквівалентного ефективного значення пускового струму) на характеристики перевищення температури обмотки статора, що практично є критерієм довговічності двигуна в цілому, оцінювалося за допомогою діаграми ефективного значення струму в повторно-короткочасних режимах, близьких до S4 (рис. 4.)

Еквівалентний пусковий струм, виникаючий при таких багатократних пусках представимо у вигляді

де F(t - t_k) - пусковий струм у момент часу t_k .

Вирішення рівняння стрибкоподібного процесу

яке дає розподіл Пуасона

і використовуючи функцію Дірака ,

для еквівалентного середнього значення пускового струму отримаємо

У наведених вище формулах n - кількість пусків які відбулися до моменту часу t; - константа для тимчасового інтервалу; (t - t_k) - функція Дірака, що описує просторову щільність пусків АД.

Запропонований спосіб визначення пускового струму у випадках багатократних пусків, існуючих на практиці, при роботі АД в повторно-короткочасних режимах роботи S4 дозволяє внести уточнення у відомі методики для визначення температури обмотки статора двигуна.

Особливостями розробленої методики електромагнітного розрахунку АД з пусковим шаром в обмотці ротора в порівнянні з загальновідомими є:

1. Уточнення схеми заміщення, викликане введенням пускового шару у верхню частину стрижня короткозамкненої обмотки ротора.

На рис. 5 показані: r₁ ,х₁ - відповідно активний опір і індуктивний опір розсіювання обмотки статора; X_m - індуктивний опір взаємоіндукції; r_m - активний опір, що враховує втрати в магнитопроводі; R₁, Х₁ - відповідно активний опір та індуктивний опір розсіювання з урахуванням коефіцієнта розсіювання первинного кола ланцюга; Х_л - індуктивний опір розсіювання в лобових частинах ротора; Х_п - індуктивний опір розсіювання в пазу короткозамкненої обмотки ротора; r_рс - активний опір робочого шару стрижня; r_пс - активний опір пускового шару стрижня; К_r - коефіцієнт збільшення активного опору клітки при пуску; К_х - коефіцієнт зменшення індуктивного опору клітки при пуску; S - ковзання. Відмінність приведеної схеми заміщення від схеми заміщення для АД є те, що паралельно опору робочого шару стрижня включається опір пускового шару, який, як і опір робочого шару, є функцією ковзання.

2. Введення в розрахунок нових значень коефіцієнта збільшення активного опору K_r у стрижнях ротора з врахуванням пускового шару та електропровідності матеріалу обмотку ротора

де К_rпс - коефіцієнт збільшення активного опору стрижня за рахунок пускового шару. Для двигунів з висотою осі обертання 90…132 мм К_rпс = 1,1…1,6 в залежності від форми пазу та його висоти; - приведена висота стрижня.

3. Врахування впливу електропровідності матеріалу пускового шару (), його активного опору (К_rпс, K_r, r_пc), провідностей елементів зубцового контуру на робочі характеристики АД малої потужності, зокрема, АИМ-М 100S4.

Для зменшення індуктивного опору ротора та двигуна в цілому при збільшенні електропровідності матеріалу обмотки ротора внаслідок заміни алюмінію на мідь можна зменшити висоту паза. Очевидно, що в цьому випадку коефіцієнт зменшення індуктивного опору у відомому виразі K_х буде наближатися до одиниці.

З обліком цього відкоректовані базові формули електромагнітного розрахунку, ККД, коефіцієнта потужності, споживаного струму, потужності і ковзання відповідно до відкоректованої схеми заміщення. На рис. 6 подано порівняння результатів розрахунку енергетичних характеристик двигуна АИМ-М 100S4 за існуючими методиками та з врахуванням впливу , К_rnc, K_r, r_пc , K_х,.

Електромагнітний розрахунок, виконаний для АД малої потужності з литою мідною короткозамкненою кліткою ротора і пускового шару в стрижнях, показав, що технічні характеристики двигуна поліпшуються в порівнянні з АД з алюмінієвою кліткою ротора.

4. Урахування впливу температури обмоток на максимальний обертальний момент

де р - кількість пар полюсів; U - фазна напруга; ₁ - перевищення температури обмотки статора; n_c -кутова швидкість мережі; r₁ - активний опір обмотки статора; х₁ - індуктивний опір обмотки статора; х'₂ - індуктивний опір обмотки ротора, приведений до обмотки статора.

5. Урахування впливу , К_rnc, K_r, r_пc , K_х, АД з пусковим шаром на розрахунок діючих значень сталого струму к.з. у перехідному режимі і при розрахунку перехідних процесів

де i - миттєве значення струму, що намагнічує; t - час; Т_м - постійна часу загасання головного поля взаємоіндукції АД; T_s - постійна часу полів розсіювання, що швидко затухає; i_кcp - середнє значення струмів к.з. в обмотках, що відповідає їхнім сталим значенням у момент початку перехідного процесу; _к - початкова фаза напруги в момент комутації; _к1 - кут зсуву між струмом і напругою. З врахуванням приведених вище залежностей, властивих АД з литою мідною кліткою і пусковим шаром у стрижнях, розроблені методики розрахунків електромагнітного та електромеханічних процесів АД. Розрахункові методики, що відрізняються високим ступенем збіжності результатів розрахунку й експерименту, використовувалися при розробці технічної документації дослідних зразків нового покоління вибухозахищених асинхронних електродвигунів із литою мідною кліткою ротора і пускового шару в кожному стрижні короткозамкненої клітки, з врахуванням результатів оптимізації геометричних розмірів паза. Четвертий розділ присвячений аналізу розроблених методів заливання роторів АД мідними сплавами і розробці за результатами аналізу технології виготовлення литої мідної короткозамкненої обмотки ротора з пусковим шаром у верхній частині стрижня. Оскільки роторна обмотка визначає собою надійність АД, до металу обмотки пред'являються особливі вимоги по якості лиття. Реалізація ідеї пускового шару у верхній частині стрижня ротора містить у собі ряд етапів: На першому етапі здійснюється готування з відповідної шихти розплаву міді у тиглі індукційної печі. На другому етапі в розплав вводяться спеціальні добавки, зокрема деревне вугілля, бура, борна кислота й ін. для створення захисної шлакоутворюючої плівки, яка зв'язує небажані домішки, а також окисли для ослаблення негативного впливу навколишнього середовища (зниження електропровідності). На третьому етапі проводиться порціоноване розкислення розплаву шляхом введення фосфористої міді і цинку, контрольоване проведенням експрес-аналізу з метою забезпечення необхідної питомої електропровідності міді в межах 55...59 МСм/м. Заключний етап пов'язаний із формуванням пускового шару, що містить легируючі компоненти у верхній частині стрижнів у процесі заливання роторних обмоток. За розробленою технологією у виробничих умовах ВАТ ПЕМЗ відлиті 40 роторів двигунів і виявлені вихідні дані для розробки промислової технології, технологічного устаткування та оснастки.

У п'ятому розділі приведений опис лабораторного устаткування, подані методи і порядок проведення лабораторних і експлуатаційних випробувань, а також основні результати випробувань. Експериментальним дослідженням були піддані серійні та дослідні зразки двигунів АИМ-М 100S4, АИМ-М 100L4 потужністю відповідно 3,0 і 4,0 кВт. Програма і методи випробувань виконувались згідно з діючими стандартами та нормативами. Стендові випробування дослідних зразків електродвигунів виконані на дослідній базі УкрНДІВЕ, яка призначена для проведення атестаційних випробувань.

Основні порівняні результати стендових досліджень випробувань серійного АД для приводу електромеханічного ключа та дослідного зразка АД з литою мідною короткозамкненою обмоткою ротора з пусковим шаром подані у табл.

Таблиця Результати стендових випробувань АД для приводу електромеханічного ключа

Експлуатаційні випробування 15 дослідних зразків показали їхню перевагу у порівнянні з серійними двигунами. Імовірність безвідмовної роботи АД приводу електромеханічного ключа з литою мідною кліткою і пусковим шаром складає 0,98 (замість 0,9); наробіток на відмову - 5,0 тис. годин (замість 700 годин); технічний ресурс складає 1,5 року (замість 2,5).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення надійності, пускових і енергетичних характеристик АД для приводу електромеханічного ключа, застосовуваного для ремонту нафтових свердловин.

Підтверджено доцільність обраного напрямку удосконалювання двигунів малої потужності, що має важливе народногосподарське значення.

Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:

1. Обґрунтовано вибір напрямку удосконалювання АД малої потужності і поліпшення їхніх технічних характеристик, що полягає в заміні алюмінієвої короткозамкненої обмотки ротора на литу мідну з пусковим шаром у верхній частині анізотропного стрижня.

2. Запропонована методика урахування пускового шару у верхній частині анізотропного стрижня литої мідної короткозамкненої обмотки ротора в математичних моделях електромеханічних процесів АД малої потужності.

3. Уточнено методику електромагнітного розрахунку характеристик АД з врахуванням пускового шару у верхній частині анізотропного стрижня литої мідної короткозамкненої обмотки ротора, особливостей конструкції, режимів експлуатації і навантаження. Розроблено алгоритм і програмний комплекс розрахунку основних характеристик АД на ЕОМ.

4. В результаті варіаційних розрахунків визначена раціональна геометрія розмірів пазу ротора при застосуванні анізотропного стрижня литої мідної короткозамкненої обмотки ротора. При цьому висота пускового шару стрижня ротора не повинна перевищувати 25…30 % глибини проникнення електромагнітної хвилі при пуску. Електропровідність пускового шару із спеціального сплаву на основі міді повинна знаходитися у межах 27…34 МСм/м. 5. В результаті проведених пошукових, теоретичних і експериментальних досліджень установлена технічна можливість одержання мідних литих короткозамкнених обмоток роторів із пусковим шаром у кожному стрижні. Розроблено і впроваджено технологічний процес лиття з міді кліток роторів АД малої потужності в умовах ВАТ ПЕМЗ.

6. Методика розрахунку і результати експериментально-теоретичних досліджень АД з литою мідною кліткою ротора і пускового шару впроваджені в УкрНДІВЕ, ВАТ ПЕМЗ, АТ “Татнефть”.

7. Проведений порівняний аналіз результатів стендових випробувань базового і дослідного зразків АД показав, що збільшуються корисна потужність у режимі S1 до 20%, у режимі S4 (ПВ-40% FJ=1,2, 120 вкл/годину) - до 50% , коефіцієнт потужності на 0,05, ККД - до 2 %, перевищення температури обмотки статора знижується на 10 %. Також зростає перевантажувальна спроможність і усувається провал у зоні мінімального моменту. Розбіжність результатів експерименту і розрахунку не перевищує 9 %.

8. Запропонований спосіб удосконалювання вибухозахищеного АД малої потужності перевірено на практиці в умовах НГДУ АТ “Татнефть”, де проходили експлуатаційні випробування дослідної партії двигунів у кількості 15 шт. Застосування нового покоління АД з литою мідною кліткою ротора в нафтовій промисловості дозволяє підвищити надійність і довговічність приводу електромеханічних ключів в цілому, а також його економічність у порівнянні з вітчизняними і закордонними аналогами.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Броди В. Я. Электродвигатели привода электромеханических ключей, применяемых в нефтегазодобывающей промышленности // Сб. научн. тр. ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика - Вып. № 2. - Донецк: ДонГТУ.- 1998. - С.123-126.

2. Броди В.Я. Определение среднего значения пускового тока асинхронного двигателя при многократных повторяющихся пусках. // Сб. научн. тр. ДонГТУ. Сер.: Электротехника и энергетика - Вып. № 4.- Донецк: ДонГТУ.-1999. - С.100-103.

3. Броди В.Я., Чувашев В.А., Демченко В.Н., Кавеев Х.З., Габдрахманов Ш.Х. Результаты исследований по созданию двигателей привода электромеханических ключей, применяемых в нефтяной промышленности. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. Сб. научн. тр. - Вып. № 84.- Харьков: ХГТУ”ХПИ”. - 2000. - С.31-32.

4. Чувашев В.А, Медведев Ю.Л., Железняков А.В., Чуванков В.Ю., Броди В.Я., Кавеев Х.З., Габдрахманов Ш.Х, Мухаметшин Н.А., Габдрахманов Р.З., Габдрахманов Х.А., Григорян Е.Е. Обзор математических моделей асинхронных двигателей и методов их реализации.//Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. Сб. науч. тр. - Вып. № 84.- Харьков: ХГТУ”ХПИ”. - 2000.- С.215-222.

5. Дудник М.З., Чувашев В.А., Броди В.Я., Габдрахманов Ш.Х, Мухаметшин Н.А. Особенности электромеханического расчета АД с пусковым слоем в стержнях обмотки ротора // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Зб. наук. пр. - Тематичний випуск.- Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. - Вип. № 17, -Харків: НТУ”ХПІ”.- 2001. - С.51-55.

6. Чувашев В.А., Броди В.Я., Чуванков В.Ю., Железняков А.В., Диренко В.Г., Оприян В.Н., Скляренко А.В. Асинхронные двигатели с литой медной клеткой ротора // Уголь Украины. - 1998. - № 7. - С. 20-22.

7. Чувашев В.А., Броди В.Я., Чуванков В.Ю., Железняков А.В., Диренко В.Г., Оприян В.Н., Скляренко А.В. Технология изготовления литых медных обмоток роторов двигателей ЭКВ // Уголь Украины. - 1998. - № 7. - С. 23-25.

8. Пат. № 27993 Україна, МКИ Н02 К17/16. Ротор електричної машини: Тахаутдiнов Ш.Ф., Чувашев В.А., Захарченко П.I., Чаронов В.А., Ширнін І.Г, Бродi В.Я., Москальов Е.П., Дудник М.З., Железняков А.В., Чуванков В.Ю., Оприян В.М., Діренко В.Г. - № 98052708; Заявл. 26.05.98; Опубл. 13.10.2000, Бюл. № 5.- 3 с. ил.

9. Броди В.Я. АД привода электромеханических ключей, применяемых при капитальном ремонте скважин в нефте-газодобывающей промышленности // Тезисы докладов II-ой Междунар. конф. по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-96. Часть 1. - Крым. - 1996.- С.175.

10. Чувашев В.А., Броди В.Я. Результаты исследования АД привода электромеханических ключей, применяемых при ремонте скважин в нефте-газодо-бывающей промышленности // Тезисы докладов II-ой Междунар. конф. по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-96. Часть 1. - Крым. - 1996.- С.176-177.

11. Броди В.Я. Электродвигатели привода электромеханических ключей, применяемых в нефтяной промышленности // Тезисы докладов III-ей Междунар. конф. по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов МКЭМК-99. - Москва: Институт электротехники МЭИ (ТУ).-1999. - С.271-272.

АНОТАЦІЇ

Броді В. Я. Удосконалення асинхронних двигунів приводу електромеханічних ключів нафтових свердловин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. Донецький національний технічний університет. Донецьк, 2002.

Дисертація присвячена розробці ефективного і економічного способу удосконалення асинхронних двигунів (АД) малої потужності для приводу електромеханічних ключів нафтових свердловин, який полягає в заміні алюмінієвої короткозамкненої обмотки ротора на мідну литу зі спеціальним пусковим шаром у кожному стрижні. Запропонована методика урахування пускового шару у верхній частині анізотропного стрижня литої мідної короткозамкненої обмотки ротора в математичних моделях електромеханічних процесів АД малої потужності. Отримало подальший розвиток проектування спеціальних машин, що відрізняється уточненням електромагнітного розрахунку, пов'язаного з уведенням і вибором оптимальної величини електропровідності пускового шару анізотропного стрижня литої мідної клітки ротора. Запропоновано спосіб визначення сили пускового струму АД в повторно-короткочасному режимі роботи S4 при багатократних пусках.

Стендові та експлуатаційні випробування дослідних зразків АД довели їх високі техніко-економічні показники.

Ключові слова: асинхронний двигун, мідна лита клітка, пусковий шар, математична модель, повторно-короткочасний режим.

Броди В. Я. Совершенствование асинхронных двигателей привода электромеханических ключей нефтяных скважин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2002.

Диссертация посвящена разработке эффективного и экономичного способа совершенствования асинхронных двигателей (АД) малой мощности для привода электромеханических ключей нефтяных скважин, заключающегося в замене алюминиевой короткозамкнутой обмотки ротора на медную литую с пусковым слоем в верхней части анизотропного стержня.

Приведенный краткий анализ требований сбыта рынков к АД малой мощности показал, что на европейском рынке отмечается растущий спрос на двигатели с повышенной надежностью и улучшенными энергетическими характеристиками и эксплуатационными показателями. Заводы-изготовители на Западе, реализующие АД с повышенными КПД, по сравнению со стандартными, поддерживается правительственными программами своих государств.

Оценка перспектив развития АД показывает, что кардинальные изменения конструкции АД малой мощности в настоящее время не прогнозируются. Для улучшения энергетических и надежностных показателей двигателей требуются радикальные технические решения и значительные капитальные вложения. Предлагается для повышения энергетических и механических характеристикам, надежности в эксплуатации и технологичности в изготовлении применить в АД малой мощности литую медную короткозамкнутую обмотку ротора взамен алюминиевой. Для повышения пускового момента и снижения пускового тока применить пусковой слой в верхней части стержня.

Предложена методика учета пускового слоя в верхней части анизотропного стержня литой медной короткозамкнутой обмотки ротора в математических моделях электромеханического преобразования АД малой мощности. В математических моделях также учитывается насыщение магнитных цепей и вытеснение тока в стержнях ротора. Анализ результатов моделирования работы двигателя привода электромеханического ключа диапазоне скольжений от 1 до 0 показал, что при замене алюминиевой обмотки на литую медную улучшаются энергетические характеристики. Применение пускового слоя в стержне ротора гарантирует сохранение пусковых моментов на уровне требований эксплуатации. По результатам моделирования определены оптимальные значения параметров АД.

Отличительными особенностями уточненной методики электромагнитного и электромеханического расчета АД являются: учет вероятностных характеристик стохатического нагрузочного момента в режиме S4 на характеристики превышения температуры; введение в расчет новых значений коэффициентов увеличения активного сопротивления К_r при пуске; учет влияния материала сплава и проводимостей элементов магнитной цепи на базовые показатели машины: КПД, cos, ток, мощность, скольжение; учет влияния температуры обмоток на величину максимального вращающего момента; учет влияния пускового слоя на характер кривых вращающего момента в пределах изменения скольжения от 1 до 0. Возможность варьирования свойствами материала стержня и его пускового слоя, размерами паза ротора позволяет для АД привода электромеханических ключей получить заданные механическими характеристиками. Разработанные методики, проверенные экспериментально, отличаются высокой степенью сходимости результатов (9%).

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан способ приготовления расплава меди, очищенного от окислов меди, водорода и кислорода, которые снижают его электропроводность. Основной технологической операцией, определяющей степень чистоты меди, является ее раскисление. фосфористой медью. Усовершенствование способа литья роторов также связано с вопросами теплоизоляции кокилей. По разработанной технологии отлиты 40 роторов двигателей и выявлены исходные данные для разработки промышленной технологии, технологического оборудования и оснастки

Выполнен полный цикл стендовых и эксплуатационных испытаний опытных образцов электродвигателей АИМ-М 100. Опытная партия двигателей в количестве 15 шт. проверена на практике в условиях НГДУ ОАО “Татнефть”. Подтвержден выбор направления совершенствования взрывозащищенных АД малой мощности, имеющих высокие технико-экономические показатели.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, медная литая клетка, пусковой слой, математическая модель, повторно-кратковременный режим.

Brodi W. J. Perfecting the induction motors for the driving pipe tongs at the oil bore holes. - Manuscript.

The thesis is submitted for a Candidate's degree in speciality of technical science 05.09.01 - electric machines and apparatuses. - Donetsk National Technical University. Donetsk, 2002.

The paper is dealt with the mathematical model describing the electromechanical processes taking into consideration the constructional features of the induction motors (IM) with anisotropic copper bars conductivity of a die-casting rotor as well as the main concepts of its engineering design. The results of developing and bringing into production one of four unified series of the IMs are presented. The paper includes also information relating to the actual test data of IMs with the anisotropic copper bars conductivity rotor.

Application of the induction motors with anisotropic rotor bars conductivity of a die-casting rotor makes it possible: to raise the output power of an IM, with no change of its overall dimensions, by a factor of 1.3 to 1.5 as compared with die-casting rotor with aluminum bars; to increase the efficiency of an IM by 2-3%; to improve the torque-slip characteristic of an IM by way of eliminating the inherent dip; to increase the locked rotor torque of an IM by a factor of 1.2 to 1.5 and the breakdown torque by a factor of 1.6 to two-fold; to extend the service life of an IM to a great extent.

Key words: induction motor, copper cage, starting layer, mathematical model, intermittent duty.

Размещено на Allbest.ru