Вестник МГТУ. 2020, Т. 23. №4.

Цветков А. Н. и др. Разработка стенда для исследования электроприводов станков-качалок УДК 621.31 Разработка стенда для исследования электроприводов станков-качалок А. Н. Цветков, В. Ю. Корнилов, А. Р. Сафин, Н. Е. Кувшинов, Т. И. Петров*, Р. Р. Гибадуллин *Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия; e-mail: tobac15@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8733-8914 Реферат В современной нефтедобывающей отрасли подавляющее большинство установок по добыче нефти представлены штанговыми скважинными насосными установками, приводимыми в действие в основном асинхронными электродвигателями без применения средств контроля, управления и регулирования. Исследования, проводимые на таких установках, показывают их невысокую энергетическую эффективность и надежность. Поэтому актуальным является вопрос разработки комплексных электроприводов нового поколения, основанных на применении синхронных вентильных электродвигателей, позволяющих существенно повысить энергоэффективность и надежность как отдельных установок, так и обеспечить создание "умных" систем управления месторождениями. В статье рассмотрены новые технические решения экспериментального стенда, позволяющего проводить исследования энергетических характеристик электроприводов на основе асинхронных и синхронных вентильных электродвигателей, а также создавать условия, максимально приближенные к реальным полевым, с имитацией работы станка-качалки. В существующих системах испытательного оборудования часто применяются устройства для создания механического нагружения на валу исследуемого электродвигателя. В качестве такого устройства предложена и реализована система "преобразователь частоты - нагрузочный асинхронный электродвигатель", которая прошла апробацию на испытательном стенде и зарекомендовала себя с лучшей стороны по сравнению с традиционными схемами с применением двигателей постоянного тока. Но применение в составе испытательного стенда нагрузочного асинхронного электродвигателя выявило ряд недостатков: перегрев данного электродвигателя, работающего в режиме противовключения, невысокая точность создания нагрузочного момента и скорость реакции системы. Проблема перегрева нагрузочного электродвигателя решена переводом преобразователя частоты в режим прямого управления моментом, при этом обнаружено значительное снижение тока двигателя и стабилизация температурного режима. Низкая точность и скорость реакции системы были увеличены путем введения в систему управления стендом обратной связи и ПИД-регулятора. Цветков А. Н. и др. Разработка стенда для исследования электроприводов станков-качалок. Вестник МГТУ. 2020. Т. 23, № 4. С. 364-375. DOI: 10.21443/1560-9278-2020-23-4-364-375. Development of a stand for researching electric drives of pumping units Alexey N. Tsvetkov, Vladimir Yu. Kornilov, Alfred R. Safin, Nikita E. Kuvshinov, Timur I. Petrov*, Ramil R. Gibadullin *Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia; e-mail: tobac15@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8733-8914 Abstract In the modem oil industry, the vast majority of oil production units are represented by sucker rod pumping units, driven mainly by asynchronous electric motors without using any monitoring, control and regulation means. Studies carried out on such installations show their low energy efficiency and reliability. Therefore, the issue of developing complex electric drives of a new generation based on the use of synchronous valve electric motors is relevant allowing to significantly increase the energy efficiency and reliability of both individual installations and to ensure the creation of "smart" oil field control systems. The paper discusses new technical solutions of the experimental stand which makes it possible to study the energy characteristics of electric drives based on asynchronous and synchronous valve electric motors, as well as allowing to create conditions as close as possible to real field conditions with imitation of the operation of an oil pumping unit of a sucker rod pumping unit. In modern test equipment systems, devices are often used to create a mechanical load on the shaft of the electric motor under study. The system proposed and implemented as such a device is "a frequency converter - load asynchronous electric motor", which has been tested on a stand and has proven to be the best in comparison with traditional circuits using DC motors. But using of a load asynchronous electric motor as part of the test stand has revealed a number of disadvantages: overheating of the electric motor operating in the opposing mode, low accuracy of creating the load torque and the speed of the system's response. The problem of overheating of the load electric motor has been solved by transferring the frequency converter to the direct torque control mode, while a significant decrease in the motor current and stabilization of the temperature regime have been detected. The low accuracy and response speed of the system have been increased by introducing feedback and a PID controller into the stand control system. Tsvetkov, A. N. et al. 2020. Development of a stand for researching electric drives of pumping units. Vestnik of MSTU, 23(4), pp. 364-375. (In Russ.) DOI: 10.21443/1560-9278-2020-23-4-364-375. Article info Received 22.09.2020; received in revised 12.11.2020 Key words: electric drive, synchronous valve motor, experimental stand, tests, hardware and software complex For citation Информация о статье Поступила в редакцию 22.09.2020; получена после доработки 12.11.2020 Ключевые слова: электропривод, синхронный вентильный электродвигатель, экспериментальный стенд, испытания, аппаратно­ программный комплекс Для цитирования 364