T. 329, №2 , 2018 г.

Разработка наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивления для погружных асинхронных электродвигателей

Актуальность. Эксплуатация установок электроцентробежных насосов для скважинной добычи нефти осложняется рядом факторов, к которым в первую очередь следует отнести газовые включения в откачиваемой жидкости, присутствие асфальтосмолопарафиновых отложений, вынос песка и других абразивных частиц, осаждение различных солей на рабочие органы погружных насосов, в частности таких, как карбонат кальция CaCO3, сульфат кальция CaSO4, сульфат бария BaSO4 и хлорид натрия NaCl. По мере работы погружного насоса в этих условиях постепенно увеличивается момент сопротивления нагрузки с общим снижением коэффициента полезного действия насоса вплоть до частичного или полного заклинивания вала. Увеличение момента сопротивления при подклинивании дополнительно статически нагружает и стенки насосно-компрессорных труб. Наличие газовых включений приводит к нарушению стационарности потока закачиваемой жидкости, и вследствие этого появляются дополнительные напряжения знакопеременного характера в стенках насосно-компрессорных труб. В ряде случаев происходит усталостное разрушение насосно-компрессорных труб и «полёт» погружного оборудования в устье скважины. Исходя из вышеописанного, появляется необходимость разработки методов и средств мониторинга момента сопротивления нагрузки на валу погружного асинхронного двигателя в режиме реального времени. Прямое измерение с помощью датчика момента или восстановления оценок момента по электрическим измерениям непосредственно на клеммах погружного асинхронного двигателя не представляется целесообразным по технико-экономическим соображениям. Наиболее перспективным является разработка наблюдателя полного порядка, учитывающего свойства погружного кабеля с помощью замеров токов и напряжений на выходе повышающего трансформатора - на входе кабельной линии. Исследование работоспособности такого наблюдателя оригинальной структуры представляет научный и практический интерес. Цель исследования: разработка и апробирование на математических моделях оригинальной структуры наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом момента сопротивлении нагрузки для погружных асинхронных двигателей, подключенных к источнику питания по длинному кабелю. Методы исследования основаны на использовании теории наблюдателей полного порядка, численных методов решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, методов численного интегрирования, теории автоматического управления, теории фильтрации сигналов. Результаты. Предложена оригинальная структура наблюдателя полного порядка с оперативным мониторингом сопротивления нагрузки на валу погружного асинхронного двигателя, подключенного к источнику питания по длинному кабелю. Для функционирования наблюдателя необходима информация о величине токов и напряжений на входе питающего кабеля, а также сигналы об оценках параметров схемы замещения и момента инерции от дополнительного устройства - идентификатора параметров (в данной статье не рассматривался). Продемонстрировано, что структура наблюдателя предоставляет пользователю оценки ортогональных проекций в осях а [альфа], [бета] потокосцепления ротора, угловой частоты вращения, крутящего момента и момента сопротивления нагрузки на валу погружного асинхронного двигателя в реальном времени, как в установившихся, так и в переходных режимах: пуска, наброса и сброса нагрузки. Достоинствами наблюдателя являются высокие показателя качества оценивания при малом количестве настраиваемых параметров и относительной простоте настройки. Показано, что применение фильтров-постфильтраторов по схеме Баттерворта улучшает качество оценки момента сопротивления нагрузки на валу погружного электродвигателя. Наличие сигналов оценок проекций потокосцепления ротора и угловой частоты вращения ротора позволяет рекомендовать такой наблюдатель для электроприводов, выполненных по схеме «преобразователь частоты - асинхронный двигатель». Исследования показали, что интегральные погрешности оценивания при отработке наблюдателем затяжных переходных процессов находятся на приемлемом уровне: по оценке угловой скорости, не превышают 0,5 %, а по оценке момента нагрузки на валу не более 19 %. Ошибка оценивания в установившихся режимах и при отсутствии изменений параметров составляет менее 1 %.

Ключевые слова:

скважины, электроцентробежные насосы, длинные кабели, погружные асинхронные двигатели, наблюдатель полного порядка, оценка угловой скорости, угловые скорости, оценки, оценки проекций потокосцепления ротора в ортогональной системе координат [альфа], [бета], мониторинг, момент сопротивления, роторы, потокосцепления, ортогональная система координат, электронный ресурс, труды учёных ТПУ

Авторы:

Глазырин Александр Савельевич

Кладиев Сергей Николаевич

Афанасьев Кирилл Сергеевич

Тимошкин Вадим Владимирович

Слепнёв Иван Георгиевич

Полищук Владимир Иосифович

Halasz Sandor

Скачать PDF