Повышение качества электроэнергии и надежности системы электроснабжения буровой установки с регулируемым электроприводом
Введение
Развитие электроэнергетической отрасли в последнее время характеризуется активной реализацией электронных аппаратов в системах релейной и режимной защиты, а также в системах противоаварийной защиты. Однако электронные аппараты обычно очень чувствительные к изменениям, которые возникают во вторичной цепи, источником которых могут быть коммутаторы, молниеносные удары, короткие замыкания, и так далее. Внедрение новых технологий и техники способствует усугублению показателей ПКЭ качества, что влечет за собой снижение надежности электронного оборудования и резкое увеличение отказов от работы или ложных сработок.
Под надежностью понимается свойство объекта выполнять заданные свойства в заданном объеме при определенных условиях эксплуатации [1].
При выполнении магистерской диссертации рассматриваются следующие компетенции:
- способность применять методы создания и анализа моделей, позволяющих прогнозировать свойства и поведение объектов профессиональной деятельности;
- способность к проверке технического состояния и остаточного ресурса оборудования и организации профилактических осмотров и текущего ремонта;
- способность принимать решения в области электроэнергетики и электротехники с учетом энерго- и ресурсосбережения;
- способность применять современные методы исследования, оценивать и представлять результаты выполненной работы.
Актуальность работы.
Обусловлено массовым ремонтом и модернизациями электроприводов, основанных на использовании алгоритмов регулирования частоты и необходимости поддержания высоких эксплуатационных характеристик электродвигателей.
Значительное повышение числа потребителей нелинейных электроэнергий приводит к значительным искажению формы синусоидального напряжения в сети, а также к увеличению потребляемой реактивной энергии. Повышение напряжения в сетях приводит к уменьшению потерь электричества и снижению срока эксплуатации электрооборудования, уменьшению погрешностей приборов измерения, нарушению работы системы управления, коммуникаций. Увеличение расхода реактивных мощностей приводит к увеличению потерь в сети питания, а также к дополнительному отклонению напряжения.
К нелинейным потребителям, ухудшающим качество электроэнергии, относятся электротехнические комплексы буровых установок для разведочного и эксплуатационного бурения, для главных технологических механизмов которых – насосов, лебёдки и ротора, применяется частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) переменного тока.
Содержание
Введение.................................................................................................................. 4
1 Состояние вопроса и задачи исследования......................................................... 8
1.1 Анализ аварийности на предприятиях из-за ухудшения технического состояния электродвигателя................................................................................................. 8
1.2 Анализ электромагнитной обстановки в системе электроснабжения с электродвигательной нагрузкой....................................................................... 10
1.3 Математическая модель насоса и электродвигателя.................................. 15
1.4 Выводы по главе......................................................................................... 26
2 Исследование влияния системы управления электроприводом буровой установки на качество электроэнергии системы электроснабжения.......................................... 27
2.1 Влияние несинусоидальности напряжения на работу................................ 27
2.2 Влияние электропривода с полупроводниковыми преобразователями на электрическую сеть............................................................................................ 27
2.3 Улучшение качества электроэнергии при работе электропривода буровых установок с полупроводниковыми преобразователями................................... 30
2.4 Частотно-регулируемый электропривод переменного тока с активным выпрямителем напряжения............................................................................... 33
2.5 Выводы по главе......................................................................................... 34
3 Моделирование системы электроснабжения буровой установки в Simulink Matlab 35
3.1 Методические принципы исследования...................................................... 35
3.2 Описание программного продукта Simulink Matlab................................... 39
3.3 Модель системы электроснабжения буровой установки............................ 43
3.4 Описание системы управления электроприводом...................................... 43
3.5 Выводы по главе......................................................................................... 61
4 Разработка способа управления электроприводом буровой установки и повышение качества электроснабжения................................................................................... 62
4.1 Разработка системы управления электроприводом.................................... 62
4.2 Результаты моделирования системы электроснабжения буровой установки в Simulink............................................................................................................. 62
4.3 Выводы по главе......................................................................................... 77
Заключение............................................................................................................ 78
Список использованных источников................................................................... 80
Список использованных источников
1Диссертация: Разработка частотного метода обеспечения безопасной эксплуатации электроприводов машинных агрегатов нефтегазовых производств [Электронный ресурс]. – URL: http://www.dslib.net/ (дата обращения: 21.01.2021).
2Надежность [Электронный ресурс]. –– URL: http://www.opredeleniya.ru/ 2005.php (дата обращения: 26.02.2021).
3Никульчев, Е.В. Идентефикация систем в Matlab 6 / Е.В. Никульчев // Matlab [Электронный ресурс]. – URL: http://matlab.exponenta.ru/ systemidentific/book1/2.php (дата обращения: 23.02.2021).
4Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин. ‒ М.: Высшая школа, 2001. ‒ 327 с.
5Худяков, В.В. Школа Matlab / В.В. Худяков // Симметрон [Электронный ресурс]. – URL: http://www.power-e.ru/2005_01_108.php (дата обращения: 26.02.2021).
6Измерители показателей качества электрической энергии «Ресурс-UF2» / Руководство по эксплуатации ЭГТХ.4222252.009 РЭ, 2009. – 151 с.
7Пат. №2489797 (РФ). Электропривод постоянного тока для управления объектом с упругими связями / В.В. Тютиков, С.В. Тарарыкин. ИГЭУ, 2013.
8Миронова, И.С. Интегральные параметры для оценки технического состояния двигателей электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств промышленности / И.С. Миронова, М.Г. Баширов, Э.Ф. Касимова // Газовая промышленность [Электронный ресурс]: Электрон. журн. – 2011.- № 3. – URL: http://www.science-education.ru/97-4667 (дата обращения: 23.02.2021).
9Шевчук, В.А. Сравнение методов диагностики асинхронногодвигателя / В.А. Шевчук, А.С. Семенов // Технически науки [Электронный ресурс]. – URL: http://www.scienceforum.ru/2015/pdf/17937.pdf (дата обращения: 15.02.2021).
10Сидельников, Л.Г. Обзор методов контроля технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации / Л.Г. Сидельников, Д.О. Афанасьев // Нефтегазовое дело [Электронный ресурс]. – URL: http://www.neftegaz.ru/ref-201070.html (дата обращения: 15.02.2021).
В новом стандарте отклонения напряжения оцениваются посредством отрицательного δU(-) и положительного δU(+) отклонений напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии от номинального или согласованного значения, %.
В соответствии с ГОСТ 32144-2013 положительные и отрицательные откло- нения напряжения электропитания в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Его определение совпадает с определением коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения по ГОСТ 13109-97.
В соответствии с ГОСТ 32144-2013 для суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения установлены следующие нормы:
а) значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU не должны превышать значений, которые совпадают с нормально допустимыми значениями коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения по ГОСТ 13109-97, в течение 95 % времени интервала в одну неделю;
б) значения суммарных коэффициентов гармонических составляющих напряжения KU не должны превышать значений, которые совпадают с предельно допустимыми значениями коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения по ГОСТ 13109-97, в течение 100 % времени интервала в одну неделю.
Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения по ГОСТ 13109-97 в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением Uном=0,38 кВ равны соответственно 8 % и 12 %, а с номинальным напряжением Uном=6 - 20 кВ равны соответственно 5 % и 8 %.
Наличие высокой гармоники тока усугубляет проблему с компенсацией реактивных мощностей. В статье [30] проведен анализ существующих теоретических моделей реактивного потенциала для режимов несинусов. На основе проведенного в [30] анализа рекомендуется понимать мощность реактивности по основному гармонику 13 и компенсировать ее, а также осуществлять фильтрации высших гармоников. Таким образом, согласно рекомендациям [30], в этой работе под мощностью реактивности понимается мощность реактивности по основным гармоникам.
Для ЭТК БУ, оснащённых регулируемыми электроприводами с полупроводниковыми преобразователями, характерны следующие показатели КЭ, приведённые в таблице 2.1 [1, 4, 9].