Механика / линейные асинхронные машины / Документ Microsoft Word (3)

Введение к работе:

Цилиндрические линейные асинхронные двигатели (ЦЛАД), называемые иногда коаксиальными, могут составлять основу электроприводов возвратно-поступательного движения, как альтернативы приводам с механическими преобразователями вида движения (типа винт-гайка или шестерня-рейка), а также пневматическим и, в ряде случаев, гидравлическим приводам. По сравнению с указанными типами приводов линейные электроприводы с непосредственной передачей электромагнитного усилия подвижному элементу обладают лучшими регулировочными свойствами, повышенной надежностью, требуют меньших эксплуатационных затрат. Как следует из литературных источников [1,3,4,18], ЦЛАД находят применение при создании электроприводов целого ряда производственных механизмов: коммутационной аппаратуры (например, разъединителей в системах электроснабжения метрополитенов); толкателей или сбрасывателей, используемых в поточных линиях; плунжерных или поршневых насосов, компрессоров; раздвижных дверей и оконных фрамуг цехов или теплиц; различных манипуляторов; шиберов и заслонок; метательных устройств; механизмов ударного действия (отбойные молотки, пробойники) и т. п. Указанные возможности линейных электроприводов поддерживают устойчивый интерес к их разработке и исследованию. В большинстве случаев ЦЛАД работают в кратковременных режимах работы. Такие двигатели можно рассматривать не как преобразователи энергии, а как преобразователи силы. При этом такой показатель качества, как коэффициент полезного действия отходит на второй план. В то же время в циклических электроприводах (приводы насосов, компрессоров, манипуляторов, отбойных молотков и т.п.) двигатели работают в повторно-кратковременных и продолжительных режимах. В этих случаях задача повышения технико-экономических показателей линейного электропривода на основе ЦЛАД становится актуальной. В частности, одним из востребованных применений ЦЛАД является использование их в насосных агрегатах для подъема нефти из скважин. В настоящее время для этих целей используются преимущественно два способа механизированной добычи нефти:

1. Подъем с помощью установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).

2. Подъем с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН).

Погружные электроцентробежные насосы с приводом от высокоскоростных погружных асинхронных или вентильных двигателей используются для добычи нефти из скважин с высоким дебитом (25 м3/сут и выше). Однако количество скважин с высоким избыточным давлением с каждым годом становится все меньше. Активная эксплуатация высокодебитных скважин приводит к постепенному уменьшению их дебита. При этом производительность насоса становится избыточной, что приводит к падению уровня пластовой жидкости в скважине и аварийным ситуациям (сухой ход насоса). При падении дебита ниже 25 м /сут вместо погружных электроцентробежных насосов устанавливают штанговые глубинные насосы с приводом от станков-качалок, которые на сегодняшний день получили основное распространение. Постоянно растущее количество скважин с малым и средним дебитом еще больше увеличивает их долю в общем фонде оборудования для добычи нефти.

Установка штангового глубинного насоса состоит из наземного балансирного станка-качалки и погружного плунжерного насоса. Связь качалки с плунжером осуществляется штангой, длина которой 1500—2000 м. Для придания штангам возможно большей жесткости их изготавливают из специальных сталей. Установки ШГН и станки-качалки получили широкое распространение благодаря простоте обслуживания. Однако добыча таким способом имеет очевидные недостатки:

• Износ насосно - компрессорных труб и штанг, обусловленный трением их поверхностей.

• Частые обрывы штанг и малый межремонтный ресурс (300-350 суток).

• Низкие регулировочные свойства штанговых насосных агрегатов и связанная с этим необходимость использования нескольких типоразмеров станков - качалок, а также трудности, возникающие при изменении дебита скважин.

• Большие габариты и масса станков - качалок и штанг, затрудняющие их транспортировку и монтаж.

Указанные недостатки обуславливают поиск технических решений по созданию бесштанговьгх глубинно - насосных установок. Одним из таких решений является применение глубинных насосов плунжерного типа с приводом на основе линейных асинхронных двигателей. В этом случае исключаются штанги и качалки, предельно упрощается механическая часть. Подачу питания к таким двигателям на глубину 1,5—2,0 км можно осуществить кабелем, подобно тому, как это выполнено в электробурах и центробежных погружных насосах.

В 70-80-х годах прошлого века на волне общего всплеска интереса к линейным двигателям в Советском Союзе проводились исследования и разработки бесштанговых глубинно-насосных установок на основе цилиндрических ЛАД. Основные разработки велись в институте ПермНИПИнефть (г. Пермь) [8-13, 31-32, 40-41, 49-54], Особом конструкторском бюро линейных электродвигателей (г. Киев) [4,7], институте электродинамики АН УССР (г. Киев) [14, 33,43,55] и СКВ магнитной гидродинамики (г. Рига) [34-35]. Несмотря на большое количество технических решений в этой области практического применения эти установки не получили. Основной причиной этого были низкие удельные и энергетические показатели цилиндрических ЛАД, причина которых заключалась в невозможности обеспечения скорости бегущего поля 2-3 м/с при питании от промышленной частоты 50 Гц. Эти двигатели имели синхронную скорость бегущего поля 6-8 м/с и при работе на скорости движения 1-2 м/с имели повышенное скольжение s=0.7-0.9, что сопровождалось высоким уровнем потерь и низким КПД. Для уменьшения скоро сти бегущего поля до 2-3 м/с при питании от частоты 50 Гц необходимо уменьшать толщину зубцов и катушек до 3-5 мм, что является неприемлемым из соображений технологичности и надежности конструкции. В связи с этими недостатками исследования в этом направлении были свернуты.

Тема о возможности улучшения показателей цилиндрических ЛАД для привода глубинных насосов при питании от источника пониженной частоты была затронута в публикациях тех лет [1,4], но исследований в этом направлении не проводились. Массовое распространение частотно-регулируемого электропривода в настоящее время и тенденции непрерывного снижения стоимости и массо-габаритных показателей современной полупроводниковой техники делает актуальными исследования в области улучшения показателей низкоскоростных ЦЛАД. Улучшение энергетических и удельных показателей ЦЛАД за счет снижения скорости бегущего поля при питании от преобразователя частоты позволяет снова вернуться к проблеме создания бесштанговых глубинно-насосных установок и, возможно, обеспечить их практическое внедрение. Особенную актуальность этой теме придает тот факт, что в настоящее время в России более 50% фонда скважин заброшено из-за уменьшения дебита. Установка станков-качалок в скважинах с производительностью менее 10 м3/сут оказывается экономически невыгодной из-за высоких эксплуатационных затрат. С каждым годом количество таких скважин только растет, а альтернативы установкам ШГН до сих пор не создано. Проблема эксплуатации малодебитных скважин сегодня является одной из самых насущных в нефтяной отрасли.

Особенности электромагнитных и тепловых процессов в рассматриваемых двигателях связаны, прежде всего, с ограничением наружного диаметра ЦЛАД, определяемого размерами обсадных труб, и специфическими условиями охлаждения активных частей машины. Востребованность цилиндрических ЛАД потребовала разработки новых конструкций двигателей и развития теории ЦЛАД на основе современных возможностей компьютерного моделирования. Целью диссертационной работы является повышение удельных показателей и энергетических характеристик цилиндрических линейных асинхронных двигателей, разработка ЦЛАД с улучшенными характеристиками для привода погружных плунжерных насосов.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Математическое моделирование ЦЛАД с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур (Е-Н-четырехлолюсников) и метода конечных элементов в двухмерной постановке задачи (с учетом осевой симметрии).

2. Исследование возможностей улучшения характеристик ЦЛАД при питании от источника пониженной частоты.

3. Исследование влияния ограниченной толщины вторичного элемента и толщины высокопроводящего медного покрытия на показатели ЦЛАД.

4. Разработка и сравнение конструкций ЦЛАД для привода погружных плунжерных насосов.

5. Математическое моделирование тепловых процессов ЦЛАД с использованием метода конечных элементов.

6. Создание методики расчета циклограмм и результирующих показателей ЦЛАД, работающего в составе погружной установки с плунжерным насосом.

7. Экспериментальное исследование цилиндрических ЛАД. Методы исследования. Решение поставленных в работе расчетно теоретических задач проведено с использованием метода аналогового моделирования многослойных структур и метода конечных элементов, основанных на теории электромагнитного и теплового полей. Оценка интегральных показателей проведена с использованием встроенных возможностей пакетов расчета методом конечных элементов FEMM 3.4.2 и Elcut 4.2 Т. В методике расчета циклограмм используются дифференцильные уравнения механиче ского движения, оперирующие со статическими механическими характеристиками двигателя и нагрузочными характеристиками приводимого в движение объекта. В методике теплового расчета используются методы определения квазистационарного теплового состояния с использованием приведенных усредненных объемных потерь. Реализация разработанных методик осуществлена в математической среде Mathcad 11 Enterprise Edition. Достоверность математических моделей и результатов расчета подтверждается сопоставлением расчетов по разным методикам и расчетных результатов с экспериментальными данными опытного ЦЛАД.