Аннотация
Статья посвящена моделированию асинхронного электропривода (АЭП) погружного центробежного насоса, используемого в составе нефтегазового технологического оборудования и установок подводных аппаратов. Исследуемая электротехническая система включает источник энергии, автономный инвертор напряжения (АИН), кабельную линию и LC-фильтры на выходе АИН, питающего асинхронный двигатель (АД). Невозможность непосредственного измерения частоты вращения АД предопределяет разомкнутый принцип построения системы управления АЭП. Созданная имитационная модель электропривода обеспечивает анализ его статических и динамических характеристик во всем диапазоне изменения механической нагрузки асинхронного двигателя. Кроме того, модель позволяет оценить состав гармонического спектра фазного тока и напряжения АД. Показано, что основной вклад в искажение формы фазного тока АД вносят 7-ю, 11-ю и 16-ю гармоники. Получены результаты имитационного моделирования при скалярном управлении частотой вращения АД и «вентиляторном» законе регулирования. Установлено, что в разомкнутой системе управления АЭП с пропорциональным законом управления, угловую скорость асинхронного двигателя можно регулировать в диапазоне от номинального значения до половины номинальной с ошибкой стабилизации, не превышающей 5%. Такой закон управления не требует корректировки выходного напряжения АИН. При «вентиляторном» законе регулирования ошибка стабилизации также не превышает 5% во всем диапазоне изменения механической нагрузки асинхронного двигателя. Однако при снижении частоты вращения АД ниже 0,6ωном требуется корректировка напряжения питания АД, которая может быть организована перенастройкой параметров регулятора АИН с использованием наблюдателя частоты вращения асинхронного двигателя.
Ключевые слова
Система электропитания, асинхронный электропривод, гармонический спектр, имитационное моделирование, Matlab/Simulink.
1. Ковалев А.Ю., Кузнецов Е.М., Аникин В.В. Электротехнологические установки для нефтедобычи: монография / Омск: Минобрнауки России, Изд-во ОмГТУ, 2015. 160 с.
2. Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. М.: Машиностроение, 2013. 176 с.
3. Starikov A., Tabachnikova T., Kosorlukov I. Calculation of the Rotation Speed of a Submersible Induction Motor for the Tasks of Determining the Optimal Value of the Supply Volt-age // International Multi-Conference on Industrial Engineer-ing and Modern Technologies (FarEastCon). 2020. Pp. 1-4. doi: 10.1109/FarEastCon50210.2020.9271308
4. Arumugam D., Sivasailam K. Investigation of pressure pulsation in the stages of an electric submersible pump at best efficiency point under various speeds // 8th Joint Fluids Engineering Conference. 2019. № 3B. doi: 10.1115/AJKFluids2019-5081
5. Steckling L., Heldwein M.L. Model-based synchronous optimal modulation for three-level inverters applied to electrical submersible pumps systems // PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and En-ergy Management. 2019. Pp. 408-415. URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8767524 (дата обращения 28.11.20201).
6. Богданов А.А., Быстров Е.А. Анализ влияния алгоритмов и режимов работы трехфазного инвертора на спек-тральный состав выходных токов // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. Томск: Изд-во Томского гос. ун-та, 2021. C. 210-214.
7. Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учебное пособие для бакалавров. М.: Изд-во Юрайт, 2015. 667 с.
8. Начаров Р.А., Рябишина Л.А. Оценка электромагнитной совместимости в электротехнических комплексах добычи нефти с частотно-регулируемым электроприводом // Энергетические и электротехнические системы: междунар. сб. науч. тр. Вып. 5. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2018. С. 95-103.
9. Говорков Д.А., Курлаев Г.Н. Технология анализа режимов эксплуатации скважины с электронасосом в условиях реального времени // Вестник кибернетики. 2011. № 10. С. 22-26.
10. Феофилактов С.В. Системы погружной телеметрии для «жестких» условий эксплуатации // Инженерная практика. 2013. № 10. С. 8-11.
11. Романов В.С., Гольдштейн В.Г. К вопросу о повреждаемости, обслуживании и ремонтах погружного электро-оборудования нефтедобычи // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Тех-нические науки». 2020. Т. 28. №2. C. 111-123. doi: 10.14498/tech.2020.2.8
12. Романов В.С., Гольдштейн В.Г. Методы динамического совершенствования повышения энергоэффективности и надежности погружных электродвигателей нефтедобычи // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. № 5(3). С. 96-100. doi: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-96-100
13. Liang X., El-Kadri A. Operational parameters affecting harmonic resonance in electrical submersible pump systems // Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering. 2019. № 42(3). Pp. 183-197. doi: 10.1109/CJECE.2019.2922384
14. Persson E. Transient effects in application of PWM inverters to induction motors // Transactions on Industry Applications. IEEE, 1992. № 28(5). Pp. 1095-1101. doi: 10.1109/28.158834
15. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 373 с.
16. Букреев В.Г., Шандарова Е.Б., Рулевский В.М. Много-мерная модель системы электропитания погружного технологического оборудования // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. № 329(4). С. 119-131.
17. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 273 с.
18. Чаплыгин Е.Е., Хухтиков С.В. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в трехфазных инверторах напряжения // Электричество. 2011. № 5. С. 53-61.
19. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество. 2008. № 7. С. 23а-31