Search

Актуальность. Определение основных электрических параметров нефтепогружных кабелей связано с необходимостью создания точных математических моделей станции управления системами - нефтепогружной кабель - погружной электродвигатель, в которых необходимо учитывать волновые процессы в протяженной кабельной линии, возникающие в связи с формой импульсов, генерируемых преобразователями частоты, входящими в состав современных пультов управления. Электрические параметры, такие как линейная емкость и индуктивность, не стандартизированы в технической литературе и не указываются в технических характеристиках производителями кабелей. Однако, очевидно, что создание систем управления и идентификация режимов работы ПЭД требует решения систем дифференциальных уравнений, включающих в качестве параметров заданные характеристики. Кроме того, современные концепции частотного регулирования электродвигателей, в частности погружных, указывают на то, что при работе преобразователей частоты на базе IGBTтранзисторов в сигнале питания ПЭД возникают высокочастотные перенапряжения, приводящие к появлению частичных разрядов в обмотках статора моторов. Этот факт будет усугубляться развитием более cильных полей с увеличением длины кабеля и, соответственно, большим влиянием волновых процессов на форму сигнала, подаваемого на ПЭД. Цель исследования заключается в разработке методики определения погонных электротехнических параметров нефтепогружного кабеля любых конструкций и используемых материалов. Методы: методы решения дифференциальных уравнений, полевых задач, численное конечно-элементное моделирование. Результаты. Разработана методика определения погонных ёмкостей и погонных индуктивностей жил и брони нефтепогружного кабеля, основанная на решении дифференциальных уравнений для эталонной «справочной» модели и численном моделировании идентичной конструкции в COMSOL Multiphysics® Version 5.5a. Указано, что конечно-элементное моделирование в COMSOL Multiphysics® Version 5.5a корректно и с достаточной точностью (ошибка менее 5 %) совпадает с результатами решения уравнений, приведённых в справочной литературе. Определены погонные значения ёмкостей и индуктивностей для наиболее распространённых конструкций нефтепогружных кабелей. The relevance. Determination of the main electrical parameters of oil submersible cables is associated with the need to create accurate mathematical models of the systems control station - oil submersible cable - submersible motor, in which it is necessary to take into account wave processes in a long cable line arising in connection with the shape pulses generated by frequency converters included in the set of modern control stations. Electrical parameters such as linear capacities and inductances are not standardized in the technical literature and are not indicated in the technical specifications by cable manufacturers. However, it is obvious that the creation of control systems and identification of the SEM operation modes requires the solution of systems of differential equations, which include the specified characteristics as parameters. In addition, modern concepts of frequency control of electric motors, in particular submersible, indicate that during operation of frequency converters based on IGBT transistors, high-frequency overvoltages arise in the SEM supply signal, leading to the appearance of partial discharges in the stator windings of the motors. This fact will be aggravated by the development of deeper fields, with a longer cable length and, accordingly, a greater influence of wave processes on the shape of the signal supplied to the SEM. The main aim of the research consists in development of a method for determining the linear electrical parameters of the submersible cable of any designs and materials used. Methods: methods for solving differential equations, field problems, numerical finite element modeling, and a physical experiment. Results. A method was developed for determining the linear capacities and inductances of conductors and armor of an oil-submersible cable, based on solving differential equations for a «reference» model, numerical modeling of an identical design in COMSOL Multiphysics® Version 5.5a, comparison of the obtained values with experimental data. It is indicated that the finite element modeling in COMSOL Multiphysics® Version 5.5a is correct and with sufficient accuracy (error less than 5 %) coincides with the results of solving the equations given in the reference literature. The linear values of capacities and inductances have been determined for the most common designs of oil-submersible cables.

Одной из основных проблем в процессе эксплуатации скважин, оборудованных установками электрических центробежных насосов, является определение технического состояния погружного электрооборудования и предотвращение его отказов. Среди различных подходов к решению данной задачи можно выделить метод определения технического состояния установки электроцентробежных насосов с использованием полной настраиваемой математической модели установки, включающей модель погружного электродвигателя. Рассмотрен подход к определению и восстановлению необходимых параметров для настройки модели погружного электродвигателя на основании данных, приведённых в протоколе испытаний погружного электродвигателя. Цель: разработка методики по восстановлению параметров схемы замещения для погружного электродвигателя на основании типовых данных, содержащихся в протоколе приёмо-сдаточных испытаний. Методы. Предложенный подход основан на совместном использовании настраиваемой динамической модели асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и алгоритмом дифференциальной эволюции. Фактически решение задачи по определению параметров схемы замещения погружного электродвигателя сводится к решению задачи глобальной оптимизации, т. е. к задаче на поиск глобального (наилучшего) минимума функции. Результаты. Разработан подход для восстановления параметров схемы замещения погружного электродвигателя, который позволяет устанавливать приемлемые для практики значения параметров схемы замещения для погружного электродвигателя по результатам испытаний; проверена работоспособность разработанного подхода идентификации с применением методов глобальной оптимизации и математического моделирования погружных асинхронных электродвигателей; полученные оценки являются устойчивыми для всех параметров схемы замещения кроме параметра механической подсистемы. One of the main problems in operation of wells equipped with installations of electric centrifugal pumps is determining the technical condition of submersible electrical equipment and preventing its failures. Among the various approaches to solving this problem, one can single out a method for determining the technical state of an installation of electric centrifugal pumps using a complete customizable mathematical model of the installation, including a model of a submersible induction motor. This article discusses an approach to determining and restoring the necessary parameters for tuning a submersible induction motor model based on the data given in the submersible induction motor test report. The main aim of the research is to develop a methodology for restoring the parameters of the equivalent circuit for submersible induction motor on the basis of typical data contained in the acceptance test report. Methods. The proposed approach is based on the combined use of a tunable dynamic model of a squirrel-cage induction motor and a differential evolution algorithm. The actual solution to determine the parameters of submersible induction motor damage is reduced to solving the global optimization problem, i. e. to the problem of finding the global (best) minimum of a function. Results. The authors have developed an approach for restoring the parameters of the submersible induction motor equivalent circuit, which allows setting the values of the equivalent circuit parameters for the submersible induction motor, acceptable for practice, according to the test results; the performance of the developed identification approach was tested using global optimization methods and mathematical modeling of submersible induction motors; the obtained estimates are stable for all parameters of the equivalent circuit except for the parameter of the mechanical subsystem.

Актуальность. Доля электроэнергии, вырабатываемой установками на основе возобновляемой энергии, постоянно растет, в связи с чем потребность в развитии систем питания и автоматического управления электрическими машинами, лежащими в основе ветро- и гидрогенераторов, не теряет актуальности. В составе таких генераторных установок переменного тока применяют синхронные электрические машины, асинхронные машины с фазным и короткозамкнутым ротором. Преобразователи частоты, устанавливаемые в статорные и роторные цепи асинхронных машин переменного тока, позволяют управлять процессами их возбуждения, однако для начала генерации требуется использовать дополнительные внешние источники питания. Благодаря остаточному намагничиванию в магнитопроводе можно обеспечить процесс гарантированного самовозбуждения асинхронной машины c короткозамкнутым ротором с помощью подключения батарей конденсаторов к ее статорным обмоткам без применения дополнительного внешнего источника питания. Предложенный способ нестационарного конденсаторного возбуждения позволяет обеспечить адаптацию генераторной установки к изменению режимов работы в условиях децентрализованного электроснабжения. Цель: исследовать предложенную систему стабилизации напряжения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с варьируемым конденсаторным возбуждением в составе источника возобновляемой энергии. Методы: теоретические - теория дифференциальных уравнений, методы численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений, теория электропривода, теория электрических машин, численные методы аппроксимации данных, и экспериментальные - проведение испытаний асинхронной электрической машины с нестационарным конденсаторным возбуждением на разработанном испытательном стенде с целью получения нагрузочных характеристик и осциллограмм напряжений на обмотках статора асинхронных машин с короткозамкнутым ротором в различных режимах работы, методы исследования. Результаты. Разработана и изготовлена оригинальная экспериментальная установка с узлом, имитирующим работу турбины. Электромеханический преобразователь энергии выполнен в виде асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с нестационарным конденсаторным возбуждением. Блок управления установкой выполнен в виде интегрированного с силовым блоком гальванически развязанного модуля во влагостойком исполнении с применением беспроводного интерфейса связи Bluetooth. Описан и протестирован способ коммутации батарей конденсаторов с применением тиристоров в качестве управляемого ключа с двухсторонней проводимостью. Анализ полученных нагрузочных характеристик показывает принципиальную возможность обеспечить гарантированную выработку электроэнергии со стабилизацией напряжения в допустимых пределах изменения мощности нагрузки. Примененная в составе экспериментальной установки система автоматической коммутации конденсаторов с варьируемой в зависимости от потребляемой мощности емкостью позволила обеспечить приемлемое время динамической реакции на возмущающее воздействие при нестационарной нагрузке. The relevance. The share of electricity generated by installations based on renewable energy is constantly growing, and therefore the need for the development of power supply systems and automatic control of electrical machines underlying wind and hydro generators is still relevant. As part of such alternating current generator sets, synchronous electric machines, induction generator with phase and squirrel-cage rotor are used. Frequency converters installed in the stator and rotor circuits of induction generators make it possible to control their excitation, however, to start generation, additional external power sources must be used. Due to the residual magnetization in the magnetic circuit, it is possible to ensure the process of guaranteed self-excitation of the induction generator by connecting the capacitor banks to the electrical circuit of its stator without using an additional external power source. The proposed method of non-stationary capacitor excitation makes it possible to ensure the adaptation of the generator set to the change in operating modes under conditions of decentralized power supply. The main aim of the research is to study the proposed voltage stabilization system of squirrel-cage induction generator with a short-circuit rotor with variable capacitor excitation as part of a renewable energy source. Methods. To achieve the goal of the study, theoretical and experimental research methods were used. Theoretical research methods include the theory of differential equations, methods for the numerical solution of ordinary differential equations, the theory of electric drives, the theory of electrical machines, numerical methods for approximating data. The basis of experimental research is testing an induction generator with non-stationary capacitor excitation on a developed test bench in order to obtain load characteristics and oscillograms of voltages on the stator windings self-excitation of squirrel-cage induction generator rotor in different operating modes. Results. An original experimental setup with a unit imitating the operation of a turbine, an electromechanical energy converter in the form of squirrel-cage induction generator with non-stationary capacitor excitation has been developed and manufactured. The control system is made in the form of a galvanically isolated module integrated with the power unit in a moisture-resistant design using a wireless Bluetooth communication interface. A method for switching capacitor banks using thyristors as a controlled switch with two-way conduction is described and tested. The analysis of the obtained load characteristics shows the fundamental possibility of ensuring a guaranteed generation of electricity with voltage stabilization within the limits of load power variation. The system of automatic switching of capacitors with a capacitance varying depending on the power consumption applied as part of the experimental setup made it possible to provide an acceptable time for dynamic response to a disturbing effect under nonstationary load.

Актуальность. В районах добычи нефти и газа в связи с интенсивным развитием распределенной энергетики можно прогнозировать появление активных потребителей, использующих работающие на попутном нефтяном газе газотурбинные установки. При этом представляется недостаточно изученным вопрос переходных процессов, возникающих при подключении активного потребителя к системе электроснабжения нефтегазодобывающего предприятия. При сильных возмущениях режима при условии наличия нелинейных элементов переходные процессы могут завершиться устойчивыми хаотическими колебаниями - аварийным режимом работы электросистемы. Таким образом, существует необходимость изучения подключения активного потребителя к централизованным системам электроснабжения в районах добычи нефти и газа. Цель: рассмотрение переходных процессов, возникающих при включении электрических систем активного потребителя и нефтегазодобывающего предприятия на параллельную работу. Объекты: электрические системы активного потребителя и нефтегазодобывающего предприятия. Методы. Переходные процессы в электрических системах активного потребителя и нефтегазодобывающего предприятия исследуются путем компьютерного моделирования в программном пакете Simscape Power Systems (Matlab). В компьютерной модели при построении структурных схем электросистем, выборе мощности элементов и уровня напряжений использованы основы электроснабжения промышленных предприятий. Расчет значений параметров элементов электросистем выполнен на основе теории электрических машин и теоретических основ электротехники. Результаты моделирования показывают при включении методом точной синхронизации генератора активного потребителя на параллельную работу с внешней системой нормальный переходный режим длительностью 4 секунды. При несинхронном включении генератора в электросистеме возникают устойчивые хаотические колебания. На хаотические колебания указывает апериодический характер изменения во времени значений частоты, напряжения и мощности, а также нестранный хаотический аттрактор напряжения с положительным показателем Ляпунова 0,44. При хаотическом режиме работы на шинах промысловой подстанции диапазон изменений значений активной мощности составляет 18 кВт, частоты - 1,5 Гц, напряжения - 400 В. Relevance of the research. In the areas of oil and gas production in relation to the intensive development of distributed generation, it is possible to predict the emergence of prosumers using gas turbine units running on associated petroleum gas. At the same time, the question of transient processes arising when a prosumer is connected to the power supply system of an oil and gas production enterprise seems to be little studied. As a result of the non-synchronous activation of the gas turbine installation of a prosumer, transients can turn into steady chaotic oscillations - electrical system emergency state. Thus, there is a need to study the connection of a prosumer to centralized power supply systems in oil and gas production areas. The aim of the research is to investigate the transient processes occurring when connecting a prosumer electrical system in parallel operation with oil and gas production enterprise electrical system. Objects: electrical systems of the oil and gas production enterprise and the prosumer. Methods. Transient processes in electrical power systems of a prosumer and an oil and gas production enterprise are investigated by computer simulation in the software package Simscape Power Systems (Matlab). Theoretical foundations of power supply for industrial enterprises were used in developing the circuit diagrams of electrical systems and determining the power of elements and voltage levels. Theoretical foundations of electrical engineering and electrical-machine theory were used in determining the system component parameter values. Results. The simulation results show a normal transitional mode lasting 4 s when the prosumer generator is switched on by the precision synchronization method for parallel operation with an outside system. When the generator is switched on asynchronously, the electrical system shows steady chaotic oscillations. Chaotic oscillations are indicated by the aperiodic nature of the change in time of the values of frequency, voltage, and power, as well as the non-strange chaotic attractor with a positive Lyapunov exponent of 0,44. Chaotic operating regime shows the field substation bus power range 18 kW, frequency range 1,5 Hz, voltage range 400 V.

Актуальность. В технологиях, связанных с подготовкой буровых растворов и разжижением высоковязких нефтепродуктов, перспективно применение вибрационных электромагнитных активаторов. Вибрационные электромагнитные активаторы, работающие на околорезонансных частотах в предельных безударных режимах с настройкой на максимальную энергоэффективность, требуют определения индуктивности катушек при фиксированных значениях магнитного зазора. Одним из наиболее перспективных способов определения индуктивности является предварительная идентификация параметров настраиваемой модели по кривым затухания тока. Цель: разработать способ идентификации индуктивности катушки вибрационного электромагнитного активатора при фиксированной величие магнитного зазора на основе регрессионного анализа свободной составляющей тока. Методы: обыкновенные дифференциальные уравнения, прямое преобразование Лапласа при ненулевых начальных условиях, передаточные функции, импульсные переходные характеристики, регрессионный анализ, методы решения дифференциальных уравнений, метод Ньютона, теория оптимизации, минимизация на основе суммы квадратов невязок целевой функции. Результаты. Показан способ предварительной идентификации индуктивности катушек вибрационного электромагнитного активатора на основе регрессионного анализа кривой затухания тока. Выведено выражение для целевой функции и составлено нелинейное алгебраическое уравнение относительно ее производной по оцениваемому параметру. При существенном отклонении априорных значений оцениваемой величины от истинного как в большую, так и в меньшую сторону продемонстрирована работоспособность, быстрота сходимости и динамика изменения погрешности разработанного способа. При использовании 10-разрядного аналогово-цифрового преобразователя для вхождения в зону нечувствительности алгоритму предварительной идентификации индуктивности потребуется не более 11 циклов расчета, а при использовании 12 разрядного аналогово-цифрового преобразователя – не более 13 циклов расчета. The relevance. In technologies related to preparation of drilling fluids and thinning down of highly viscous oil products, it is promisingly to use the vibration electromagnetic activators. Vibration electromagnetic activators, operating at near-resonant frequencies in limit shockfree modes with the maximum energy efficiency, requires the determination of the coil inductance at fixed values of the magnetic gap. One of the most promising methods for determining inductance is the preliminary identification of the parameters of adaptive model by falling current curve. The main aim of the research is to develop a method of identification the inductance of a vibration electromagnetic activator coil with a fixed value of the magnetic gap based on regression analysis of the free component of the current. Methods: ordinary differential equations, Laplace transform with zero initial conditions, transfer function impulse response, regression analysis, the methods of differential equations solving, Newton method, theory of optimization, minimization based on sum squares of residuals objective function. Results. The paper introduces the method for preliminary identification of the inductance of vibration electromagnetic activator coils based on a regression analysis of falling current curve. The authors have concocted out the formula for objective function and composed a nonlinear algebraic equation relative to its derivative with respect to the estimated argument. The paper demonstrates the operational integrity, speed of convergence and dynamics of changing the error in the developed method with a significant deviation of the a priori values of the estimated value from the true one, both up and down. When using a 10-bit analog-to-digital converter, the algorithm for рreliminary identification of inductance will require no more than 11 calculation cycles to enter the dead zone, and when using a 12-bit analog-to-digital converter, no more than 13 calculation cycles.