Full Text

Введение Подъем нефти из скважин с большим и средним дебитом происходит посредством электроцентробежных насосов, осуществляющих свою работу с помощью погружных трехфазных асинхронных двигателей. Малые диаметры нефтяных скважин оказывают непосредственное влияние на размер наружного диаметра статора погружных асинхронных двигателей, ограничивая их следующими значениями: 103; 117; 123; 130 мм [1]. Диаметр внутренней расточки статора погружных асинхронных двигателей меньше наружного диаметра статора на удвоенную суммарную высоту паза и ярма магнитопровода: где - высота паза и ярма стального сердечника статора соответственно. Вследствие малых размеров наружного диаметра диаметр внутренней расточки статоров также имеет весьма ограниченные размеры. Синхронная частота вращения ротора погружных асинхронных двигателей электроцентробежных насосов составляет 3000 мин-1 [2, 3]. При частоте напряжения в питающей сети 50 Гц токи фаз обмоток статора возбуждают в зазоре между статором и ротором магнитное поле, имеющее одну пару полюсов. Это непосредственно следует из известной формулы где число пар полюсов; частота напряжения и частота вращения магнитного поля. Форма кривой распределения магнитного поля по длине окружности зазора погружных асинхронных двигателей, от которой зависят гармонические составы самого поля и электродвижущих сил в обмотках фаз статора, а также рабочие и эксплуатационные характеристики погружных двигателей, во многом определяется формой кривой распределения магнитодвижущей силы трехфазной обмотки статора. В свою очередь, форма кривой распределения магнитодвижущей силы по длине окружности расточки статора, создаваемой трехфазной обмоткой, непосредственно связана со схемой обмотки статора и количеством пазов на его внутренней поверхности. В погружных асинхронных двигателях из-за малого диаметра внутренней расточки статора количество пазов на статоре z составляет, как правило, 18. При этом число пазов статора, приходящееся на один полюс и одну фазу, где - количество фаз обмотки статора, = 3. При серийном производстве асинхронных электрических двигателей катушки (секции), из которых образуются обмотки фаз статора, укладываются в пазы статора в один или два слоя [4, 5]. Трехфазная однослойная концентрическая обмотка В трехфазных однослойных обмотках с концентрическими катушками сторона каждой катушки занимает объем всего паза, в котором она размещается, и поэтому число катушек в обмотке фазы на протяжении длины двойного полюсного деления статора равняется q. Схема трехфазной однослойной обмотки с концентрическими катушками для асинхронного двигателя, имеющего 18 пазов, приведена на рис. 1. На рис. 2 показаны ступенчатые кривые распределения магнитодвижущих сил обмоток фаз и результирующей магнитодвижущей силы трехфазной обмотки с концентрическими катушками по длине окружности расточки статора. Построение кривых магнитодвижущих сил осуществлялось по методике, изложенной в [6, 7], для момента времени, когда ток в обмотке фазы равнялся своему амплитудному значению, а токи в обмотках фаз - половине значения тока в обмотке фазы Направления токов в проводниках сторон катушек обмоток фаз для рассматриваемого момента времени на рис. 1 показаны стрелками. В соответствии с рис. 2 значения магнитодвижущих сил обмоток фаз статора распределяются по окружности зазора двигателя по закону, существенно отличающемуся от синусоидального закона. Используя преобразования Фурье [8, 9], несинусоидальные кривые магнитодвижущих сил фаз обмотки статора можно представить суммой гармонических составляющих: где амплитудное значение магнитодвижущей силы гармоники порядка ; - круговая частота переменного тока; t - время; пространственная координата; - число витков фазы обмотки; коэффициенты распределения и укорочения обмотки статора для гармоники порядка действующее значение тока фазы, ширина катушки и длина полюсного деления, Ступенчатая кривая распределения магнитодвижущей силы трехфазной обмотки по длине внутренней окружности статора (см. рис. 2) строится путем суммирования ординат кривых распределения магнитодвижущих сил отдельных фазных обмоток. Данная кривая при использовании преобразований Фурье математически представляется следующим выражением: где - амплитудное значение магнитодвижущей силы гармоники порядка Знак «+» под знаком суммы относится к гармоникам с порядковым номером 1, 7, 13, 19 и т.д., а знак «-» - к гармоникам 5, 11, 17 и т.д. Расчет магнитного поля в зазоре между статором и ротором асинхронных электрических двигателей выполняется, как правило, с учетом ряда упрощающих допущений [10, 11]. Принимая эти допущения во внимание, магнитное поле в зазоре можно представить в виде ряда гармонических составляющих, каждая из которых создается соответствующей гармоникой магнитодвижущей силы. Амплитудное значение гармоники порядка магнитного поля рассчитывается через амплитудное значение гармоники магнитодвижущей силы по выражению , где - магнитная постоянная и высота зазора. Трехфазные однослойные обмотки с концентрическими катушками по своим электромагнитным свойствам эквивалентны обмоткам с полным шагом, у которых ширина катушек равна длине полюсного деления: Для обмоток с полным шагом значения коэффициента укорочения для всех нечетных гармонических составляющих магнитодвижущей силы равны единице, и, следовательно, добиться подавления или хотя бы ослабления высших пространственных гармоник магнитодвижущих сил обмоток фаз за счет укорочения шага обмотки не представляется возможным. Нельзя также подавить или ослабить высшие пространственные гармоники магнитного поля и электродвижущих сил. Трехфазная однослойная шаблонная обмотка Трехфазные однослойные шаблонные обмотки отличаются от концентрических обмоток только исполнением катушек, из которых образуются обмотки: все катушки выполняются одинаковой ширины и имеют одинаковую форму трапеции. Шаблонные обмотки в электромагнитном отношении, как и концентрические, эквивалентны обмоткам с полным шагом. Поэтому значения коэффициентов укорочения для всех нечетных гармоник магнитодвижущей силы, магнитного поля и электродвижущей силы равны единице. Следовательно, шаблонные обмотки, как и концентрические, также не позволяют подавить или ослабить высшие пространственные гармоники магнитодвижущей силы, магнитного поля и электродвижущей силы за счет укорочения шага обмоток. Таким образом, ослабление негативного влияния высших пространственных гармоник магнитодвижущих сил, магнитного поля и электродвижущих сил на рабочие и эксплуатационные характеристики погружных асинхронных электрических двигателей с однослойными обмотками на статоре возможно только за счет уменьшения численных значений коэффициента распределения Трехфазная двухслойная обмотка статора Улучшение рабочих и эксплуатационных характеристик погружных асинхронных электрических двигателей привода электроцентробежных насосов достигается при размещении в пазах статора трехфазных двухслойных обмоток с укороченным шагом [12]. Такие обмотки образуются катушками, имеющими одинаковую форму. Ширина катушек , где - относительный шаг. Число катушек, образующих трехфазную обмотку, равняется количеству пазов на статоре. Активные стороны каждой катушки занимают половину объема пазов, в которых они размещаются, причем одна активная сторона размещается в верхнем слое, а другая - в нижнем. На рис. 3 показано распределение в пазах статора активных сторон катушек трехфазной двухслойной обмотки с укороченным шагом асинхронного электрического двигателя, имеющего 18 пазов. На этом же рисунке приведены кривые распределения магнитодвижущих сил верхнего и нижнего слоев обмотки по длине окружности статора. Здесь же изображена ступенчатая кривая распределения результирующей магнитодвижущей силы обмотки статора, которая получается суммированием графиков магнитодвижущих сил отдельных слоев обмотки. Кривые распределения магнитодвижущих сил по длине внутренней окружности статора относятся к моменту времени, когда ток в обмотке фазы равняется амплитудному значению. Токи в обмотках фаз B-Y, C-Z в данный момент составляют половину значения тока в обмотке фазы A-X. Направления токов в проводниках, расположенных в пазах статора, на рис. 3 условно изображаются точками и крестиками. Относительный шаг β = 7/9, а ширина катушек обмоток фаз статора , где - величина зубцового деления, На основании сравнения графиков распределения результирующих магнитодвижущих сил по длине окружности расточки статора двигателей с однослойной обмоткой (см. рис. 2) и с двухслойной обмоткой с укороченным шагом (см. рис. 3) можно сделать вывод, что укорочение шага обмотки приближает распределение магнитодвижущей силы к синусоидальной форме. При этом посредством выбора величины относительного шага обмотки статора β становится возможным подавление той или иной нежелательной высшей гармоники магнитодвижущей силы, магнитного поля и электродвижущей силы. В условиях рассматриваемого примера получение кривой магнитодвижущей силы, форма которой близка к синусоидальной, достигается за счет подавления пятой пространственной гармоники. Трехфазная двухслойная обмотка «вразвалку» с градацией количества витков в катушках Распределение магнитодвижущей силы и магнитного поля в зазоре асинхронных двигателей, близкое к синусоидальному закону, достигается при размещении в пазах статора трехфазной обмотки, выполненной «вразвалку», с градацией количества витков катушек, образующих фазные зоны [13-15]. Анализ технических решений, изложенных в работах [13-15], показывает, что наиболее универсальной, применимой для широкого класса трехфазных электрических машин переменного тока, в том числе погружных асинхронных двигателей, является обмотка, защищенная патентом России, выданным Пермскому национальному исследовательскому политехническому университету [15]. Схема обмотки одной из фаз статора, для примера фазы двухполюсного погружного асинхронного двигателя, имеющего 18 пазов на статоре, приведена на рис. 4. Обмотка содержит 6 катушек, из которых образованы 3 группы по 2 катушки в группе. Катушки одной из групп, назовем ее первой, выполняются минимальной ширины, которая составляет 4 зубцовых деления статора. Катушки второй группы имеют ширину в 6 зубцовых делений, что на 2 зубцовых деления статора больше ширины катушек первой группы. Катушки третьей группы имеют максимальную ширину, которая на 2 зубцовых деления статора больше ширины катушек второй группы, т.е. составляет 8 зубцовых делений. Катушки, образующие первую группу, выполняются с минимальным количеством витков, которое рассчитывается по выражению , где - количество витков обмотки фазы. Количество витков в катушках второй группы находится по формуле . Катушки третьей группы образуются максимальным количеством витков: . Активные стороны катушек третьей группы, имеющие наибольшее количество витков, укладываются в пазы 5, 13 и 14, 4. Катушки, образующие вторую группу, размещаются в пазах 6, 12 и 15, 3, а катушки первой группы с наименьшим количеством витков - в пазах 7, 11 и 16, 2. По одной катушки различных групп на протяжении полюсного деления статора укладываются концентрично друг по отношению к другу. Так, катушки первой группы размещаются внутри катушек второй группы, которые сами располагаются внутри катушек третьей группы. Однако катушки одной и той же группы, размещаемые на соседних полюсных делениях, укладываются «вразвалку». Активные стороны всех катушек, образующих обмотку А-Х, размещаются в пазах статора в один слой, занимая различные части объема пазов. Наименее заполненными являются пазы, в которые укладываются катушки первой группы, несколько большую часть объема пазов занимают катушки второй группы, а наиболее заполненными оказываются пазы с катушками, относящимися к третьей группе. Обмотки фаз B-Y, C-Z формируются по аналогичному принципу. Размещение катушек обмоток фаз B-Y, C-Z в пазах статора необходимо осуществлять таким образом, чтобы пространственные углы между осями обмоток фаз B-Y, C-Z и осью обмотки фазы А-Х были равны соответственно 120 и 240 град. Выполнение данного условия становится возможным, когда в каждом пазу статора располагаются активные стороны катушек, принадлежащих двум однофазным обмоткам. При практической реализации данного условия приходится сталкиваться с двумя комбинациями распределения активных сторон катушек в пазах статора: активная сторона катушки с наибольшим количеством витков, относящейся к одной фазе, и активная сторона катушки с минимальным количеством витков, принадлежащей второй фазе; активные стороны катушек двух различных фаз с одинаковым количеством витков. В обоих вариантах размещения активных сторон катушек фаз обеспечивается полное заполнение всего объема пазов при равенстве количества витков по пазам. Электрическая схема соединения катушек обмотки фазы А-Х (см. рис. 4) обеспечивает одинаковое направление тока в проводниках активных сторон катушек, размещенных в пазах 2-7, а также одинаковое, но противоположное направление тока в проводниках активных сторон катушек, уложенных в пазах 11-16. Электрические схемы соединения катушек, образующих обмотки фаз B-Y, C-Z, повторяют схему соединения катушек обмотки фазы А-Х. Заключение Расчеты гармонического состава магнитодвижущих сил и величин амплитуд отдельных пространственных гармоник для погружных асинхронных двигателей серии ПЭД и погружного асинхронного двигателя, на статоре которого уложена обмотка, описание которой приводится в [15], выполнялись с использованием методики [16, 17]. Результаты расчета и их анализ показывают, что погружной асинхронный двигатель с обмоткой статора [15] обеспечивает уменьшение амплитуды третьей гармоники в 2,13 раза, амплитуды пятой гармоники - в 8,38 раза, амплитуды седьмой гармоники - в 3,50. Такие результаты достигаются благодаря тому, что в двигателе с обмоткой статора [15] распределение магнитодвижущей силы по окружности статора ближе к синусоиде по сравнению с распределением магнитодвижущей силы в двигателе серии ПЭД. Это приближение формы кривой магнитодвижущей силы к синусоиде способствовало уменьшению значений обмоточных коэффициентов для высших пространственных гармоник. Значительное ослабление высших пространственных гармоник магнитодвижущих сил и магнитного поля позволяет улучшить рабочие и эксплуатационные характеристики погружных асинхронных двигателей. В частности, увеличивается электромагнитный момент двигателей, особенно в зоне низких частот вращения ротора, уменьшаются потери и температура нагрева двигателей, снижаются шум и вибрации, сопровождающие работу погружных двигателей электроцентробежных насосов. К другим преимуществам обмотки статора [15] необходимо отнести сокращение при ее выполнении расхода меди и изоляционных материалов за счет уменьшения длины лобовых частей катушек. Снижение длины лобовых частей катушек приводит также к дополнительному уменьшению потерь и повышению КПД погружных двигателей. Схема обмотки универсальна и реализуется в погружных асинхронных двигателях с четным и нечетным числом пазов на полюс и фазу. Разработанная схема обмотки статора рекомендуется к использованию на предприятиях, осуществляющих серийное производство электрических машин трехфазного переменного тока, в том числе погружных асинхронных двигателей для нефтяной отрасли.

About the authors

Evgenii F. Beliaev

Perm National Research Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: pcpn@pstu.ru
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation

Doctor of Engineering, Professor at the Department of Electrical and Mechanical Engineering

Pavel N. Tcylev

Perm National Research Polytechnic University

Email: pcpn@pstu.ru
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation

PhD in Engineering, Associate Professor at the Department of Mining Electronics and Mechanics

Irina N. Shchapova

Perm National Research Polytechnic University

Email: irina.shchapova@gmail.com
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation

PhD in Engineering, Associate Professor at the Department of Mining Electronics and Mechanics

Vladislav A. Shchapov

Perm National Research Polytechnic University; Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shchapov@icmm.ru
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation; 1 Academic Korolev st., Perm, 614013, Russian Federation

Associate Professor at the Department of Information Technologies and Automated Systems, Junior Researcher

References

Statistics

Views

Abstract - 254

PDF (Russian) - 207

Refbacks

• There are currently no refbacks.