Аннотация
Перевод низкодебитных скважин в режим циклической эксплуатации ведет к снижению наработки на отказ погружных синхронных двигателей с постоянными магнитами. Для повышения ресурса погружных электродвигателей требуется синтез замкнутых по угловой скорости ротора и моменту сопротивления на валу систем управления, позволяющих контролировать качество переходных процессов электродвигателя в различных режимах: пуск, наброс нагрузки, расклинивание при заклинивании рабочих органов центробежного насоса. Установка датчиков угловой скорости и момента нагрузки в условиях скважинной добычи нефти технически трудно реализуема, что обусловлено высокими температурами и большой глубиной прокладки погружной телеметрии. Как следствие, необходима разработка косвенных методов оценки переменных состояний погружного электродвигателя. В статье предложена структура и настраиваемая математическая модель наблюдателя полного порядка угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу для погружных синхронных двигателей с постоянными магнитами, учитывающий такие особенности технологического процесса установок центробежных насосов, как неравномерность теплового поля внутри скважины, мягкое заклинивание ротора электродвигателя, заиливание и засорение рабочих органов центробежного насоса. Исследована работоспособность наблюдателя в типовых режимах: пуск, наброс и сброс нагрузки, рассогласование начальных условий, а также выполнена оценка устойчивости наблюдателя к параметрическим возмущениям, таким как изменение активного сопротивления обмотки статора, изменение момента инерции, снижение потокосцепления постоянного магнита путем расчета интегральной погрешности отработки переходных процессов пуска наблюдателей и статической ошибки оценивания угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу в установившемся режиме.
Ключевые слова
синхронный двигатель с постоянными магнитами, погружной электродвигатель, наблюдатель полного порядка, нестационарная динамическая система, идентификация переменных состояний, оценка угловой скорости ротора, оценка момента сопротивления, параметрическая робастность, установки электроцентробежных насосов, циклическая эксплуатация скважин
1. Панкратов В.В. Вентильный электропривод: от стиральной машины до металлорежущего станка и электровоза // Электронные компоненты. 2007. № 2. С. 68-77.
2. Воеков В.Н., Мещеряков В.Н., Крюков О.В. Вентильный электропривод для погружных нефтяных насосов с импульсным преобразователем напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты и релейным управлением инвертора напряжения // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2020. Т. 20. № 2. С. 110-119. doi: 10.14529/power200210
3. Карпюк А.В. Энергоэффективные УЭЦН с вентильными электродвигателями // Инженерная практика. 2017. № 5. С. 14-19.
4. Кладиев С.Н. Обзор и критический анализ современного состояния, путей развития технологического процесса добычи нефти электроприводным способом в прерывистых режимах эксплуатации мало- и среднедебитных скважин // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 8. С. 220-231. doi: 10.18799/24131830/2023/8/4349
5. Кладиев С.Н. Обзор и критический анализ современного состояния и путей совершенствования систем электропитания и автоматического управления установок электроцентробежных насосов в прерывистых режимах эксплуатации нефтяных скважин // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 9. С. 203-215. doi: 10.18799/24131830/2023/9/4351
6. Agrawal J., Bodkhe S. Steady-State Analysis and Comparison of Control Strategies for PMSM // Modelling and Simulation in Engineering. 2015. Vol. 15. Pp. 1-11. doi: 10.1155/2015/306787
7. Ковалев А.Ю., Кузнецов Е.М., Аникин В.В. Электротехнологические установки для нефтедобычи: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. 158 с.
8. Robust Sensorless sliding mode Control with Luenberger Observer design applied to Permanent Magnet Synchronous Motor / I. Bakhti, S. Chaouch, A. Makouf, T. Douadi // 5th International Conference on Systems and Control (ICSC). IEEE, 2016. Pp. 204-210. doi: 10.1109/ICoSC.2016.7507051
9. Saihi L., Boutera A. Robust Sensorless Sliding Mode Control of PMSM with MRAS and Luenberger Extended Observer // 8th International on Modelling and Control (ICMIC). IEEE, 2016. Pp. 174-179. doi: 10.1109/ICMIC.2016.7804294
10. Single-Sensor-Based Three-Phase Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive System With Luenberger Observers for Motor Line Current Reconstruction / B. Hafez, A. Abdel-Khalik, A.M. Massoud, S. Ahmed, R.D. Lorenz // IEEE Transactions on Industry Applications. 2013. Vol. 50. No. 4. Pp. 2602-2613. doi: 10.1109/TIA.2013.2296625
11. A Robust Extended Kalman Filter for Speed-Sensorless Control of a Linearized and Decoupled PMSM Drive / P. Tety, A. Konate, O. Asseu, E. Soro, P. Yoboue, A.R. Kouadjo // Engineering. 2015. 7(10). Pp. 691-699. doi: 10.4236/eng.2015.710060
12. Xu. Z., Rahman M.F. An extended Kalman filter observer for the direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive // The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS). IEEE, 2003. Pp. 686-691. doi: 10.1109/PEDS.2003.1282960
13. Wang G., Zhan H. A new speed adaptive estimation method based on an improved flux sliding-mode observer for the sensorless control of PMSM drives // ISA Transactions. 2022. Vol. 128 (A). Pp. 675-685. doi: 10.1016/j.isatra.2021.09.003
14. Gaballah M.M., El Bardini M., Sharaf M. Chattering-free sliding mode observer for speed sensorless control of PMSM // Applied Computing and Informatics. 2017. Vol. 13(2). Pp. 169-174. doi: 10.1016/j.aci.2016.12.002
15. Escobar J., Romero A.F., Lobo-Guerrero J. A Failure analysis of submersible pump system collapse caused by assembly bolt crack propagation by stress corrosion cracking // Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 60. Pp. 1-8. doi: 10.1016/j.engfailanal.2015.11.044
16. Разработка наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивления для погружных асинхронных электродвигателей / А.С. Глазырин, С.Н. Кладиев, К.С. Афанасьев, В.В. Тимошкин, И.Г. Слепнёв, В.И. Полищук, H. Sandor // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 2. С. 118-126.
17. Demagnetization fault detection by a novel and flexible modeling method for outer rotor permanent magnet synchronous machine / S. Sharouni, P. Naderi, M. Hedayati, P. Hajihosseini // International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2020. Vol. 116. 105539. doi: 10.1016/j.ijepes.2019.105539
18. Improved super-twisting-observer-based finite-control-set model-predictive fault-tolerant current control of PMSM considering demagnetization fault / K. Zhao, W. Dai, S. Wu, P. Qiu, W. Liu, G. Huang // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2022. Vol. 142. 108325. doi: 10.1016/j.ijepes.2022.108325
19. Demagnetization-fault reconstruction and tolerant-control for PMSM using improved SMO-based equivalent-input-disturbance approach / K. Zhao, R. Zhou, J. She, C. Zhang, J. He, G. Huang // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2022. Vol. 27(2). Pp. 701-712. doi: 10.1109/TMECH.2021.3069787
Разработка наблюдателя угловой скорости и момента сопротивления на валу для синхронных двигателей с постоянными магнитами с повышенной устойчивостью к параметрическим возмущениям / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, В.А. Копырин, С.С. Попов, Е.В. Боловин // Электротехнические системы и комплексы. 2024. № 4(65). С. 47-54. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2024-4(65)-47-54