Вестник МГТУ. 2020, Т. 23. №4.

Вестник МГТУ. 2020. Т. 23, № 4. С. 364-375. DOI: 10.21443/1560-9278-2020-23-4-364-375 Введение При разработке и конструировании электроприводов для станков-качалок нефти, применяемых в составе штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ), возникает проблема разработки аналитических и экспериментальных методов и аппаратно-программных средств контроля работоспособности электроприводов на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами в нормальных и аварийных (критических) режимах работы. Одним из возможных путей решения данной проблемы являются длительные полевые испытания на действующих установках, что ведет за собой необходимость в привлечении значительных материальных ресурсов и большого количества специалистов, занимающихся настройками отдельных систем, входящих в состав электропривода. В качестве альтернативного пути решения предлагается проведение исследований и испытаний электроприводов на экспериментальных стендах. Такие стенды позволяют приблизить условия работы к реальным полевым испытаниям за счет создания нагружающих устройств с автоматизированными системами управления, обеспечивающими изменение момента (угловой скорости вращения) выходного вала испытуемого электродвигателя в зависимости от вида и характеристик динамограмм и ваттметрограмм для нормального и несбалансированного режимов работы станка-качалки, а также для режимов работы в условиях возникновения отказов (неисправностей) в наземном или в погружном механическом оборудовании скважины (Tsvetkov et al., 2020; Корнилов и др., 2017; Gracheva et al., 2019). Основное назначение стенда - проверка соответствия техническим требованиям синхронного вентильного электродвигателя (СВЭД) и станции управления как составных частей электропривода, проведение исследовательских, приемо-сдаточных и периодических испытаний, настройки и отладки программного обеспечения составных частей электропривода, проверки нагрузочных характеристик СВЭД, проверки и подтверждения выбранных конструктивно-схемных решений. К разрабатываемому стенду предъявляются довольно жесткие требования: - создаваемый стендом переменный момент нагрузки на валу испытуемого двигателя должен регулироваться в пределах от 0 до 1000 Нм при оборотах вала от 0 до 1 500 об/мин; - стенд должен обеспечивать имитацию динамических нагрузочных характеристик погружного насоса станка-качалки; - иметь возможность нагружать шкаф электропривода заданным током с целью проверки защит; - имитировать сигналы датчиков станка-качалки; - формировать динамограммы; - отправлять и принимать команды диспетчеризации и мониторинга куста скважин и центра управления (Tsvetkov et al., 2019; Ковшов и др., 2005). Материалы и методы Особенности стенда Реализация требований, предъявляемых к стенду, стала возможной благодаря применению новых научно-технических решений и разработке аппаратно-программного комплекса управления стендом. Обзор разрабатываемых ранее стендов показал, что традиционно было принято применять в качестве нагрузочного органа электродвигатель постоянного тока с системой питания, построенной на изменении напряжения. Данный способ нагружения обладает рядом недостатков, основные из которых - это отсутствие момента на валу двигателя при нулевых скоростях и сложность создания переменного момента при изменяющихся скоростях вращения (Мазеин и др., 2016; Burkov et al., 2014; Dong et al., 2015). Разработанная система нагружения приводного электродвигателя учитывает опыт известных работ по исследованию динамических нагрузок в элементах механической и электрической частей станка-качалки (Ishikawa et al., 2014; Караулов и др., 2019; Толпаров и др., 2007; Хакимьянов и др., 2011; Kostyukov, 2010; Зубаиров, 2011; Завьялов, 2012), поэтому лишена вышеуказанных недостатков и позволяет создавать определенную величину переменного момента на любых скоростях вращения, в том числе и при нулевой скорости, это дает возможность создания условий тяжелого пуска двигателя электропривода. Функциональная схема стенда показана на рис. 1. В процессе испытаний исследуемый электродвигатель крепится на раме соосно с нагрузочным двигателем и соединяется при помощи переходных муфт. Стенд имеет несколько режимов работы: 1) испытание СВЭД - двигатель питается через встроенный в стенд преобразователь частоты, 2 ) испытание станции управления - двигатель питается через преобразователь частоты, входящий в состав станции, и 3) испытание электропривода. В состав стенда входят система управления и система нагружения. Система нагружения стенда состоит из двух частей: силовая часть испытуемого двигателя и силовая часть нагрузочного двигателя. Напряжение питания подается сначала на регулятор напряжения 1, который предназначен для создания условий отклонения напряжения питания, затем через сетевой фильтр 2 на преобразователь частоты в режиме испытания СВЭД или станцию управления 3 в режиме испытания станции или электропривода. После этого питание подается на испытуемый двигатель 9 через сглаживающие дроссели 10, позволяющие подобрать оптимальный режим работы привода. Параллельно запитана и вторая 365