Исследование электромагнитной совместимости частотно-регулируемого электропривода буровой установки и источника электроэнергии соизмеримой мощности

Исследование работы частотно-регулируемого асинхронного электропривода (ЧРЭП) в условиях сооружения геологоразведочных скважин является весьма актуальной задачей. Как известно, буровая установка (БУ) с электрическим приводом потребляет электроэнергию от дизельной электростанции (ДЭС) или от трансформатора. При этом электропривод и источник энергии образуют систему соизмеримой мощности, для которой характерно ухудшение электромагнитной совместимости по сравнению с системой бесконечной мощности, что отрицательно влияет на условия работы электрооборудования буровой установки при проведении геологоразведочных работ. Однако при выборе электропривода и системы электроснабжения геологоразведочных работ эту проблему, как правило, не рассматривают.

Целью данной работы является исследование и анализ взаимного влияния источника электро- энергии и главного электропривода БУ УКБ-5 при ступенчатом и частотном регулировании угловой скорости, а также обоснование применения частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя (АД) для улучшения электромагнитной совместимости при совместной работе ДЭС или трансформатора и электрооборудования буровой установки.

Описание моделей

Исследование проводилось методом математического моделирования для двух систем электроснабжения – ДЭС и трансформатора и для двух систем электропривода – нерегулируемого и частотно-регулируемого АД с косвенным управлением по вектору потокосцепления ротора [2]:

• 1)    энергоснабжение от государственной сети с трансформацией энергии для БУ со ступенчато-регулируемым электроприводом (ЭП) (рис. 1, а);

  ЛЗП-6 кВ

  

  а)

  
  

  ЛЭП-6 кВ

  

  б)                                 в)

  Рис. 1. Схемы замещения систем электроснабжения геологоразведочных работ: ЛЭП – линия электропередач; Т – трансформатор; R 2 , L 2 – сопротивление сети; R э , L э – эквивалентная нагрузка буровой установки;

  M – главный электропривод, ПЧ – преобразователь частоты

  
  
  

  г)

  
  

• 2)    энергоснабжение от государственной сети с трансформацией энергии для БУ с ЧРЭП (рис. 1, б);

• 3)    энергоснабжение от ДЭС для БУ со ступенчато-регулируемым ЭП (рис. 1, в);

• 4)    энергоснабжение от ДЭС для БУ с ЧРЭП (рис. 1, г).

Модели разработаны в программной среде MATLAB/Simulink и учитывают основные свойства систем электроснабжения геологоразведочных работ.

Разработанные модели содержат следующие элементы:

• 1)    Электродвигатель. Параметры АД (4A180M4Y3) частично берутся из паспортных данных, частично рассчитываются на основании этих данных. Расчету подлежат параметры схемы замещения – активные сопротивления и индуктивности [1, 4]. АД моделируется в программе MATLAB/Simulink блоком Asynchronous Machine SI Units. Программа автоматически решает уравнения на основе паспортных и расчетных данных.

• 2)    Трансформатор. Моделируется в программе MATLAB/Simulink блоком Three-Phase Transformer Two Windings.

• 3)    Участок питающей сети. Моделируется посредством последовательного соединения индуктивного и активного сопротивления блоком Three-Phase Series RLC Branch.

• 4)    Источник переменного напряжения. Идеальный источник трехфазного напряжения собран из блоков синусоидальных ЭДС AC Voltage Source. При заполнении таблиц для фаз А, B и С в строке Phase вводятся значения 0, 240 и 120° соответственно.

• 5)    ДЭС. Генератор моделируется последовательно включенными ЭДС и индуктивностью с отрицательной обратной связью по напряжению. Сформирован в программной среде следующими блоками: идеальный источник трехфазного напряжения и индуктивное сопротивление Three-Phase Series RLC Branch.

• 6)    Преобразователь частоты (ПЧ). ПЧ собран в программной среде из следующих блоков: выпрямитель Universal Bridge Diodes, конденсатор Series RLC Branch, инвертор Universal Bridge IGBT/Diodes. Параметры каждого из этих элементов, используемых в моделях, соответствуют стандартным параметрам промышленной силовой электроники.

Модели, содержащие ПЧ, включают систему автоматического регулирования АД с косвенным управлением по вектору потокосцепления его ротора [3, 4].Структурная модель системы автоматического регулирования представлена на рис. 2.

Данные модели позволяют исследовать качество электроэнергии при различных режимах работы электропривода и выполнять расчеты показателей качества электроэнергии во время пуска, установившегося режима и при различных аварийных ситуациях. Результаты моделирования представляются в виде графиков функций таких величин, как напряжение U _с, ток I _с, отклонение напряжения δ U _с, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения k , активная P _с и реактивная Q _с мощность, потребляемая из сети; угловая скорость ω дв , момент M дв , мощность U дв на валу приводного двигателя и коэффициент мощности cosφ. Примеры полученных зависимостей представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Структурная модель САР в программной среде MATLAB

Рис. 3. Переходные процессы в электродвигателе (а) и сети (б) при пуске нерегулируемого АД и присоединении КБТ

Рис. 4. Переходные процессы в электродвигателе (а) и сети (б) при пуске частотно-регулируемогоАД с присоединенной КБТ

Исследование работы буровой установки и дизель-генератора

В статье представлены результаты исследования работы ДЭС АД-100-Т/400, АД-60-Т/400 и потребителей электроэнергии БУ УКБ-5. Как правило, номинальная мощность ДЭС в 1,5–2 раза превышает расчетную активную мощность БУ. Причиной этого является требование по обеспечению полуторакратного запаса по пусковой мощности короткозамкнутого асинхронного двигателя (КЗАД) вращателя БУ [2]. Это обстоятельство приводит к неполному использованию ДЭС по мощности. В то же время при использовании ЧРЭП в составе БУ требование по обеспечению полуторакратного запаса по пусковой мощности снимается.

Процесс пуска при ступенчатом регулирова- нии угловой скорости АД разбивается на два этапа: пуск вхолостую до номинальной скорости, присоединение колонны буровых труб (КБТ) с поднятой над забоем коронкой.

Графики, отражающие процесс пуска нерегулируемого АД, приведены на рис. 3, где приняты следующие обозначения: ω дв – угловая скорость АД, рад/c; М _дв – момент АД, Н·м; P _дв – мощность АД, кВт; I _дв – ток статора, А; U _дв – напряжение статора АД, В; P _с – активная мощность в сети, кВт; Q с – реактивная мощность в сети, кВАр; I с – ток сети, А; U с – напряжение сети, В; δ U с – отклонение напряжения сети, %; cosφ – коэффициент мощности.

Пуск двигателя происходит в интервале времени от 0 до 0,45 с. Колебания момента АД затухают в течение 0,5 с. Через 1 с после начала пуска АД подключается КБТ, поднятая над забоем.

Во время переходного процесса пуска имеют место значительные броски тока статора I дв (до 500 % от номинального), просадка напряжения U дв до 8 %, колебания момента M дв и мощности P дв на валу двигателя. Пуск нерегулируемого АД характеризуется низким коэффициентом мощности cosφ в питающей линии – до 0,3.

Для режима пуска нерегулируемого короткозамкнутого АД характерно многократное увеличение активной P _с и реактивной Q _с мощностей, потребляемых из сети. Потребление из сети активной мощности возрастает до 60 кВт, а реактивной мощности – до 140 кВАр.

Наличие преобразователя частоты позволяет производить плавный пуск главного ЭП со сцепленной КБТ. Для исследования работы АД при энергоснабжении от собственной ДЭС была проведена следующая серия экспериментов: пуск при 10, 40, 70 и 100 % нагрузке от расчетной (вес и сила трения КБТ, приведены к валу двигателя).

Графики, отражающие изменение во времени параметров электродвигателя и сети при пуске главного привода с преобразователем частоты при 100 % нагрузке от расчетной приведены на рис. 4, где приняты аналогичные рис. 3, обозначения, k – коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети, %.

Пуск двигателя с присоединенной КБТ продолжается в течение 1 с до номинальной скорости. Во время пуска двигателя наблюдается постепенное увеличение момента M _дв, тока I _дв и напряжения U _дв.

Для питающей цепи пуск проходит без превышения допустимых ограничений по отклонению напряжения δ U _с и составляет 4 %. Ток сети I _с увеличивается плавно до 100 А. Коэффициент мощности cosφ изменяется в пределах от 0,7 до 0,95.

Использование ПЧ в составе БУ позволяет получить плавное изменение активной и реактивной мощностей сети при пуске.

В табл. 1 показаны максимальные значения следующих величин: М дв – момент АД; P дв – мощность АД; I дв – ток статора; U дв – напряжение статора АД; P с – активная мощность в сети; Q с – реактивная мощность в сети; S с – полная мощность в сети; δ U с – отклонение напряжения сети, %; k – коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети, %; cosφ – коэффициент мощности. Параметры для частотно-регулируемого АД представлены в зависимости от веса КБТ, приведенного к валу АД.

Сравнение параметров в режиме пуска нерегулируемого АД и частотно-регулируемого привода позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Коэффициент мощности cosφ во время пуска для нерегулируемого и регулируемого АД существенно отличаются. Коэффициент мощности для нерегулируемого АД cosφ равен 0,25, при регулируемом АД – 0,7.

• 2.    Нерегулируемый АД при пуске вызывает вдвое большее отклонение напряжения δ U _с, чем регулируемый АД, укомплектованный ПЧ. Отклонение напряжения в случае нерегулируемого АД превышает нормально допустимое значение 5 %.

• 3.    Применение частотно-регулируемого АД наряду с повышением коэффициента мощности приводит к значительному уменьшению максимального значения реактивной мощности Q с по сравнению с нерегулируемым ЭП. Реактивная мощность в этом случае снижается в 7 раз. Максимальное значение активной мощности P _с при пуске в зависимости от длины КБТ также снижается в 1,5–2 раза.

• 4.    БУ с нерегулируемым АД при пуске развивает максимальную активную мощность P с =57 кВт, максимальную полную мощность S с = 152 кВА. БУ с частотно-регулируемым АД при пуске развивает максимальную активную мощность P с =40 кВт, максимальную полную мощность S с =45 кВА.

• 5.    Применение ПЧ приводит к искажению синусоидальной формы напряжения питающей сети. Однако максимальное значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения k во время пуска не превышает нормально допустимого значения 8 %.

Таблица 1

Сравнение режимов пуска для нерегулируемого и частотно-регулируемого АД

	Частотно-регулируемый АД				Ступенчаторегулируемый АД
Нагрузка на валу, % от номинальной	10	40	70	100	Пуск вхолостую
Параметры двигателя
М дв , Н·м	60	108	154	200	260
I дв , А	30	44	60	77	330
U дв , В	510	497	492	487	500
P дв , кВт	9	13	20	25	34,2
Параметры сети
P с, кВт	22,7	28,5	34,2	40	57
Q с , кВАр	16,5	17,5	18,5	19,4	141
S с , кВА	28,06	33,44	38,88	44,45	152,08
δ U с , %	–2,4	–3	–3,5	–4	–8
cosφ	0,7	0,7	0,7	0,7	0,25
k , %	4	5,4	6,3	7	–

Выполненные исследования позволили получить зависимости параметров сети и ЭП от времени при пуске нерегулируемого и частотнорегулируемого АД. Сравнение данных зависимостей показывает, что применение частотнорегулируемого АД позволяет уменьшить в среднем пусковой ток электродвигателя на 80 % и отклонение напряжения сети на 60 % по сравнению с нерегулируемым АД. Следовательно, применение частотно-регулируемого АД позволяет повысить электромагнитную совместимость ДЭС и главного привода БУ.

Расчет расхода топлива

Для вариантов электроснабжения буровой установки от ДЭС-100 (для БУ снерегулируемым КЗАД) и ДЭС-60 (для БУ с ЧРЭП) был проведён расчет расхода топлива при сооружении скважины.

По геологическому разрезу для скважины глубиной 700 м был произведен расчет мощности, затраченной на непосредственно бурение, промывку и затрат времени на бурение для каждого пласта. Результаты представлены в табл. 2.

Расчёт расхода топлива для i -го пласта был произведён по методике ВИЕМС [5]:

• G, = t_jN_iracg_ x

i i двс вн

x

Г N. Л 2             N

^{( 1} -П мн Л       I ^{+( 2} П мн ^{- 1)} —- ^{+ ( 1 -}П мн )

\ N двс у               N двс

Результаты расчета расхода топлива при бурении скважины станком УКБ-5 с питанием от дизель-генераторов ДЭС-100 и ДЭС-60 приведены в табл. 2.

Расчет экономии топлива был произведён согласно следующей формуле:

e = G ioo ^- G 60 , ₁₀₀%,

G 100

где G ₁₀₀ – расход топлива для ДЭС-100, кг; G ₆₀ – расход топлива для ДЭС-60, кг. Для рассматриваемого случая экономия топлива составила 27 %.

На основании выполненных исследований показано, что применение частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя позволяет выбрать дизель-генератор меньшей мощности и значительно сократить расход топлива.

Исследование работы буровой установки при централизованном электроснабжении

В статье представлены результаты исследования работы трансформаторной подстанции мощностью 100 кВА, высоковольтного участка сети, низковольтного участка сети и потребителей электроэнергии БУ УКБ-5. Были проведены исследования пуска и установившегося режима работы ЭП БУ при изменении длины низковольтного участка сети от 50 до 500 м и при изменении длины высоковольтного участка сети от 1 до 25 км. Результаты эксперимента при изменении длины высоковольтного участка сети в статье не приведены, так как они схожи с результатами эксперимента для низковольтного участка.

Для исследования взаимодействия трансформаторной подстанции, низковольтного участка питающей сети и привода вращателя БУ была проведена следующая серия экспериментов: при длине низковольтного участка, равной 50, 200, 350 и 500 м, одинаковом сечении и при постоянной длине высоковольтного участка, равной 1 км.

В табл. 3 приведены максимальные значения следующих величин: М _дв – момент АД; P _дв – мощность АД; I дв – ток статора; U дв – напряжение статора АД; P с – активная мощность в сети; Q с – реактивная мощность в сети; δ U с – отклонение напряжения сети, %; k – коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения сети, %; cosφ – коэффициент мощности.

Сравнение параметров в режиме пуска нерегулируемого АД и частотно-регулируемого привода позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Прослеживается завышение токов статора I _ад нерегулируемого АД при малой длине высоковольтной линии. Токи статора I _ад при увеличении длины линии значительно уменьшаются от 465 до 258 А, но остаются многократно большими по сравнению с током ЧРЭП, равным 75 А.

• 2.    Коэффициент мощности cosφ во время пуска для нерегулируемого и регулируемого АД значительно отличаются: коэффициент высоковольт-

• Таблица 2

• 3.    Отклонение напряжения δ U _c на низковольтном участке сети имеет линейную зависимость от длины линии электроснабжения и повышается при её увеличении от –1 до –33 %. При ЧРЭП отклонение напряжения δ U c меняется от 4 % до –16 %

• 4.    Во время пуска короткозамкнутый АД потребляет значительные токи I , вместе с низким коэффициентом мощности cosφ это приводит к многократному повышению реактивной мощности Q _с, по сравнению с затратами ЧРЭП. Потребление активной мощности P _с во время пуска КЗАД также превышает потребление ЧРЭП 23,5 кВт и уменьшается с увеличением длины низковольтного участка сети с 38 до 21 кВт.

Сравнение расхода топлива для ДЭС-100 и ДЭС-60

Интервал, м	Время, ч	Мощность, кВт	Расход для ДЭС-100, кг	Расход для ДЭС-60, кг
0–8	2,56	6,822	19,825	12,7
8–65	27,36	3,557	202,15	125,5
65–180	138	3,826	1024	637,12
180–400	211,2	15,98	1863	1295
400–700	324,48	29,78	3461	2685
Итого	703,6	–	6570	4756

Таблица 3

Сравнение режимов пуска для нерегулируемого и частотно-регулируемого АД при изменении длины низковольтного участка сети

Тип привода Длина низковольтного участка сети, м 50          \ 200       \ 350        \ 500 Параметры двигателя Iдв, А ЧРЭП 74,5 75 75 75 КЗАД 465 367 303 258 Мдв, Н·м ЧРЭП 199 200 200 200 КЗАД 342 210 174,5 145 Pдв, кВт ЧРЭП 23,5 23,5 23,5 23,5 КЗАД 38,5 31,1 25,67 21,5 Параметры сети Iс, А ЧРЭП 98 99 99 100 КЗАД 420 362 310 269 Uс, В ЧРЭП 550 518 485 450 КЗАД 535 470 410 363 Pс, кВт ЧРЭП 43,5 44,4 45 46,16 КЗАД 95 105,9 102,6 97 Qс, кВАр ЧРЭП 25,5 24,8 23,5 22,5 КЗАД 200 161 128,5 104 δUс, % ЧРЭП 4 –3,5 –9,6 –16 КЗАД –1 –13 –23 –33 cosφ ЧРЭП 0,86 0,86 0,86 0,865 КЗАД 0,32 0,5 0,57 0,6 k, % ЧРЭП 1,9 5,2 6,7 8,8 КЗАД – – – – ного участка цепи для нерегулируемого АД меняется от 0,32 до 0,6; при ЧРЭП коэффициент мощности cosφ равен 0,86.

Заключение

Выполненные исследования позволили получить зависимости параметров сети и ЭП от времени при пуске нерегулируемого и частотнорегулируемого АД. Сравнение данных зависимостей показывает, что применение частотнорегулируемого АД позволяет уменьшить в среднем пусковой ток электродвигателя на 80 % и отклонение напряжения сети на 60 % по сравнению с нерегулируемым АД. Следовательно, применение частотно-регулируемого АД позволяет повысить электромагнитную совместимость источника электроэнергии и потребителей электроэнергии БУ.

Выполненные исследования позволили получить зависимости параметров сети и ЭП от длины питающей сети при пуске нерегулируемого и частотно-регулируемого АД. Сравнение данных зависимостей показывает, что применение частотнорегулируемого АД позволяет уменьшить отклонение напряжение в среднем в 2 раза и, следовательно, увеличить длину питающей линии при том же сечении.

Сравнение максимальных значений активных и полных мощностей при пуске нерегулируемого и частотно-регулируемого АД показывает, что применение ПЧ позволяет выбрать ДЭС по мощности как минимум в 1,5 раза меньше, чем в случае нерегулируемого АД. Это позволяет более полно использовать дизель по мощности и тем самым сократить расход топлива при сооружении скважины на 27 %, что позволяет уменьшить затраты на энергообеспечение при проведении геологоразведочных работ на твёрдые полезные ископаемые.