ЭНЕРГЕТИКАТАТАРСТАНА

ISSN 1994-8697

NQ1(25) 2012

журналдля руководителейи специалистов

УРНАЛ ОСНОВАН В 2005 ГОДУУЧРЕДИТЕЛИО 0« Татэнерго»000 «КамЭнергоРемонт»000 «Редакция журнала «Энергетика Татараана»РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТСОПРЕДСЕДАТЕЛИ СОВЕТАФардиев И.Ш. - заместитель Премьер-министра РТ-министр энергетики РТМахянов Х.М. - генеральный директор 000 «УК "КЭР-Холдинг»ЧЛЕНЫ СОВЕТА:Абдуллазянов Э.Ю. - И.о. ректора КГЭУАрапов В.А. - генеральный директор 000 «КЭР-инжиниринг»Богаткин В.И. - главный редактор журнала «Энергетика Татараана»,заместитель генерального директора одо "ВНИПИэнергопром»Валеев И.М. - профессор КГЭУВаньков Ю.В. - профессор КГЭУГайфуллин И.Х. - генеральный директор одо "Татэнерго»Гильфанов к.х. - профессор КГЭУГуреев В.М. - начальник УНИР КНИТУ - КДИ им. А.Н. ТуполеваМарченко Г.Н. - профессор КГЭУМинуллин Р.Г.- профессор КГЭУНазирова Г.Р. - руководитель пресс-центра одо "Татэнерго»Садриева Г.Г. - начальник управления энергетики Министерстваэнергетики РТСафаев 3.М. - генеральный директор 000 "ИНВЭНТ»Сафиуллин Д.Х. - генеральный директор ОДО"Сетевая компания»Тухтаров Ф.х. - заместитель министра энергетики РТФахрутдинов А.Р. - первый заместитель министра энергетики РТШигапов А.Б. - профессор КГЭУШлычков В.В. - профессор, главный редактор журнала"Вестник экономики, социологии и права»

Главный редактор Богаткин В.И.РедакторыКоровин д.в., Мезиков д.к., Баданова Т.А.Разработка дизайна Банникова СМ.Компьютерная верстка Бойко Ю.Б.Корректор Кузьмина М.д.

000 "Редакция журнала "Энергетика Татарстана»420066, г. Казань, а/я 306Телефон/факс (843) 518-94-74 Е-таil: rget@rget.ru

Вжурнале использованыфотоматериалыиз РГАКФДг. Красногорска,архиваОАО"Татэнерго»,Канаева Е.А.,3иятдинова Н. и авторов.Свидетельство о регистрации ПИ N2ФС77-32847 от 15.08.2008 г.выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовыхкоммуникаций.© 000 «Редакция журнала "Энергетика Татарстана», 2011© Авторы аатей, 2011

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научныхжурналов и изданий (Решение Президиума ВАК Минобрнауки РФот 19 февраля 2010 года NQ6/6).

Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.За достоверность информации в статьях ответственность несутавторы. За содержание рекламных материалов, а также за наличиеразрешительных документов на рекламируемую деятельность ипродукцию ответственность несет рекламодатель. При перепечаткессылка на журнал «Энергетика Татарстана» обязательна.

Отпечатано в типографии 000 «Печатный двор»Г. Казань, ул. Мухамедьярова, 31, т./ф.: (843) 541-76-41, 541-76·51Лицензия серия ПД NQ7-0215 от 01.11.01 г. выдана Поволжскиммежрегиональным территориальным управлением МПТР РФ.3аказ N9 Ж·7135 от 23.03.12 г. Тираж 1550 ю.Подписано к печати 23.03.12 г. Цена свободная.

в номере:НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНО· ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ВЭНЕРГЕТИКЕ

3 Абдуллазянов З.Ю., 3арипова С.Н., Федотов А.И.,Ахметшин А.Р.Улучшение показателей качества электроэнергии враспределитеЛЬНblХ сетях напряжением 0,4·10 кВ

8 Луценко С.В.Автоматизация процесса сжигания искусственногокомпозиционного жидкого топлива

12 Чичирова Н.Д., Хамидуллин Т.И.ПерспеКТИВbI использования битумов и гудронов в качествеэнергетического топлива

16 Рябый В.А., Кравченко И.В., Ткаченко Д.П., Булаева М.Н.Применение Вblсокочастотного емкостного разряда дляплазменной поддержки горения

20 Нурбосынов Д.Н., Табачникова Т.В., Рюмин Е.В., Махт А.Д.Оптимизация энергетических пара метров в установившихсярежимах электротехнических комплексов отходящих линий,подключеННblХ к одному центру питания

24 Чабдаров Ш.М., Сафонов В.Л., Моряшов А.О.ВеРОЯТНОСТНblЙанализ корреляционного обнаруженияотражеННblХ отгололеда импульсов при негауссовости флуктуацийсигналов и помех

28 Володин Ю.Г., Марфина О.П., Цветкович М.С., Фардиев А.Ф.Теплоотдача и трение при пуске энергоустановок

ЗЗ Olaf Tebbenhoff, Dierk уоп Nordheim, Jochen Sa6,Ingo BalkowskiРазработка и ОПblТэксплуатации запорной и регулирующейарматуры, работающей в условиях ВblСОКИХтемператур

37 Сидоров И.Н., Савинов В.И., Семенова В.В.Методика и програММНblе средства для анализа попереЧНblХколебаний гибкого ротора на разгонно-балансировочном стенде

41 Вилданов Р.Р.,Тутубалина В.П.Оценка влияния индивидуаЛЬНblХ сеРНИСТblХсоединений настарение электротехнического картона и хлопчатобумажнойлеНТbI в трансформаторном масле

44 Шабанов В.А., Никулин О.В.Анализ аналитических зависимостей частотно-регулируемогосинхронного электродвигателя бурового насоса

ЭКОНОМИКА. УПРАВЛЕНИЕ. ПРАВО.50 Сабиров Б.Ф.

Организационная схема привлечения проеКТНblХ инвестиций врегиональную энергосистему

53 Садриева Г.Г., Нуруллина Л.А., Напойкина Е.А., 3иганшина А.Р.,Марченко Г.Н.Анализ рисков в системе управления ПРОМblшлеННblХ

предприятий, в том числе энергетического профиля59 Мансуров Р.Е.

ПредлагаеМblЙ подход к оценке интеллектуального капитала вэнергетике

63 Хазиахметова Г.А., Хазиахметов А.3.Интеллектуальная собственность: определение сущности и анализтенденций реализации прав на нее в Республике Татарстан

ИСТОРИЯ ЭНЕРГЕТИКИ68 Мингалиев 3.С.

История ВblСОКОВОЛЬТНblХВblключателей

Реклама в журнале:000 "Энергетическая арматура" . стр. 32000 "рве инжиниринг» . стр. 49

1 стр. обложки· ПС Макаровка4 стр. обложки· 3аинская ГРЭС, турБИННblЙцех

УДК 621.313; 622.692

В.А. Шабанов

О.В. Никулин

Ключевые слова:синхронный двигатель,электромагнитный момент,частотное управление,буровой насос.

1450062, Россия, РеспубликаБашкортостан, г. Уфа,ул. Космонавтов,Д. 12423450, Россия, РеспубликаТатарстан, г. Альметьевск,ул. Советская, Д. 186 б

44

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

В.А. Шабанов!,профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университетО.В. Никулин2,

инженер 000 «Бурение», г. Альметьевск

Анализ аналитическихзависимостей частотно-регулируемого синхронногоэлектродвигателя буровогонасосав статье на основе системы относительных единиц, при которойв качестве базисных значений используются номинальныезначения соответствующих величин, приведены выражения дляопределения энергетических параметров синхронных двигателейс явно выраженными полюсами. Приведены результаты расчетовосновных параметров синхронных двигателей серии СДБМбурового насоса при варьировании напряжения питания.

Внастоящее время для буровых насосов на~яду с нерегулируемым электропри-водом широко применяется регулируемыи электропривод постоянного тока,а в последние годы активно внедряется частотный электропривод. Однакоосновным видом привода буровых насосов во многих нефтяных компаниях рф

являются нерегулируемые синхронные электродвигатели (сД). В то же времясвойства частотно-регулируемого синхронного привода буровых насосов исследованынедостаточно.

Для привода буровых насосов применяются явнополюсные сд с бесщеточной системойвозбуждения типа СДБМ-99j42-8УХЛ2. Основные параметры такого электродвигателяприведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры электродвигателя СДБМ-99/42-8УХЛ2

Наименование параметра ЗначениеНоминальная мощность, кВт 560Номинальное напряжение, В 6000Номинальная (синхронная) частота вращения, об.lмин. 750Номинальный ток статора, А 63,5Коэффициент полезного действия, % 94,3Ток возбуждения, А 147Синхронное сопротивление по продольной оси xd, О.е. 1,606Синхронное сопротивление по поперечной оси xq, О.е. 0,907Индуктивное сопротивление взаимоиндукции xad, О.е. 1,5

ЕРГЕТИКА ТАТАРСТАНА I NQl-2012

Основные уравнения, связывающие напряжение, ток статора, ток возбуждения, угол нагрузки и момент, имеютзид [1-5]

и cos0 + Xd . 1d = Е/; (1) И . sin0 = xq . 1q; (2)

1d = 1 . sin(0 ± <р); (3) 1q = 1· cos(0 ± <р); (4)

1j=Ej; (5) ( Ixcos~ J0= arctg q . (6)xad И ±1 'xq ·sin<p

где перед углом <р знак «плюс»для режимов, когда ток опережает напряжение сети и знак «минус» - когда токотстает от напряжения.

Электромагнитный момент СД с явно выраженными полюсами

3·И· Е/. 3·и2 (1 1 J .М=----·sш0+--· --- ·sш20 ,0)0 . xd 2·0)0 xq xd

где 0)0 - синхронная частота вращения.

(7)

(8)

(9)

(10)

Выражения (1) ... (7) позволяют исследовать основные свойства СД. Представим эти выражения в системе отно-сительных единиц. При применении системы относительных единиц, используемой в [2-6], значения мощностинагрузки на валу и электромагнитного момента электродвигателя в номинальном режиме получаются равными0,9, а не единице. Это создает определенные неудобства при анализе. Поэтому в качестве базисных единицпримем номинальное фазное напряжение И6.=иН.' номинальный ток 16.=1н., номинальную частоту f6. =!н.'номинальную частоту вращения 0)6.=0)0' номинальную мощность Рб. =Рн. и номинальный момент Мб. =Мн ..Для тока возбуждения за базисное значение примем номинальный ток возбуждения 1jб. =/fH.' приведенный кобмотке статора. При принятых базисных величинах относительные значения напряжения U*, тока статора 1*,тока возбуждения 1f'" частотыj*, активной мощности Р* и момента М* принимают вид

И 1 1/И* =-' 1*=-' 1f" =--'

Ин. ' 1н. ' 1fil. '

где U, 1,f, 1/, М - текущие значения напряжения, тока, частоты, тока возбуждения, мощности и электро-магнитного момента соответственно.

Тогда, учитывая, что 0)0 и индуктивные сопротивления пропорциональны частоте сети, выразим момент в отно-сительных единицах. Для этого обе части выражения (7) разделим на номинальный момент Мн.=Рн/О)о. Послематематических преобразований, с учетом того что Рн. =3' ИН.-1н. ·COS<PH.'·Хн. =И,j 1н. И сопротивление в отно-сительных единицах Ха.е. =XjX

H., получим выражение электромагнитного момента в виде

И* ·1/* ·1/н . Xad. и?: (1 1 J .М*=-------·sш0+ 2 . --- ·sш20.Xd . f* ·1н .. COS<PH. 2·f* . COS<PH. xq xd

Ток возбуждения в номинальном режиме можно найти из выражения (1). Подставляя в него значение тока 1dизвыражения (3), ЭДС Е/из выражения (5) и решая относительно отношения тока возбуждения, получаем

1/н. cos0 + xd .sin(0+ <р)

1н. xad

с учетом введенных относительных единиц (8) выражения (3) ... (6) преобразуются к виду

И* ·cos0 + 1/*Xad . f*Е!" = И* . cos0 + xd-1d ; (11) 1d* = --------

Xd' f*(12)

45

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

46

(15)

(14)

(16)

(13)U* ·sin0

1 * -----q - Xq' f*

и* 0,rpaA lq,o.e. ld, О.е. 1,О.е. \{I, град <р, град cos<p, О.е. 01lред., град М ."акс. *, О.е. к.". *, О.е.

1,0 30,327 0,557 0,831 1 56,127 25,8 0,9 74,48 1,44 1,6

0,9 35,558 0,577 0,912 1,08 57,688 22,13 0,926 75,485 1,286 1,428

0,8 43,023 0,602 1,004 1,171 59,063 16,04 0,961 76,023 1,134 1,26

0,7 55,61 0,637 1,122 1,29 60,42 4,81 0,996 77,349 0,984 1,093

0,67 62,246 0,654 1,174 1,344 62,246 О 1 77,45 0,94 1,044

0,645 83,08 0,706 1,32 1,5 61,88 21,2 0,93 83,08 0,9 1

Подставляя это значение угла в уравнение момента (11), получим значение максимального момента в виде

_ И* . 1/" .1/11 . Х ad . U~ (1 1 J .MMaKC.*---------·sш0пред. +--2----· --- ·sш20пред.·Xd . f* ·1н.. COS<PH. 2· f* . COS<PH. xq xd

Полученные выражения (9).,,(16) позволяют исследовать свойства СД типа СДБМ как при частотном регулиро-вании, так и при отклонении напряжения, частоты или тока возбуждения от номинальных значений.В качестве примера выполним исследование влияния снижения напряжения при постоянной частоте (скорости)и постоянном токе возбуждения (U* = var, f* = const; 1/" = const). Для целей исследований целесообразнорассмотреть изменение напряжения на выходе преобразователя частоты в широком диапазоне, особенно учи-тывая, что после частотного преобразователя защиту минимального напряжения не устанавливают. Результатырасчетов приведены в табл. 2.Из приведенных расчетов видно, что при снижении напряжения увеличивается угол нагрузки 0 (табл. 2). При-ближенно, без учета второй составляющей электромагнитного момента в (9)

. sin0sш0 ~ Н. , (17)U*

Т.е.угол 0 = arcsin(sin0) изменяется примерно обратно пропорционально напряжению. Увеличение угла 0 приснижении напряжения приводит к уменьшению запаса устойчивости при постоянных значениях частоты, токавозбуждения и нагрузки на валу. Угол нагрузки электродвигателя СДБМ увеличивается до предельного значения,при котором максимальный момент снижается до номинального, при U*=О,645 (табл. 2).

Значение угла 0, при котором момент имеет максимальное значение, называют предельным углом 8пред. [4].При использовании относительных величин

Таблица 2. Результаты расчетов при (и* = var,j'* = const; Ifk = const)

При пониженном напряжении можно пренебречь реактивной составляющей момента, так как она уменьшаетсяпропорционально квадрату напряжения [4]. Тогда электромагнитный момент будет определяться только первымслагаемым правой части (9). При этом, учитывая, что в рассматриваемом режиме частота сетиf* = 1,0, выра-жение для максимального синхронного момента принимает вид

_ З·U*·1 /*·1/11 'xadМтах* ---------- (18)xd ·1н.. COS<PH.

Минимальное значение напряжения, при котором максимальный электромагнитный момент при номинальнойчастоте сети и токе возбуждения равен моменту сопротивления, может быть определено из (18)

ЧЕРГЕТИКА ТАТАРСТАНА I NQl-2012

М* ·Xd·1 ·cos<pИ - 11. 11.min* -

1/* ·1/11.,xad.(19)

и составляет для электродвигателя СДБМ Итiп* = 0,657 О.е., отличаясь от расчета, приведенного в табл. 2, неболее чем на 2%.

Как видно из расчетов, приведенных в табл. 2, угол <рмежду током и напряжением статора снижается, cos <рувеличивается и переходит через нуль, приобретая индуктивный характер. Коэффициент мощности становитсяравным единице при И* = 0,67 О.е.

Исследуем характер изменения реактивной мощности СД типа СДБМ при снижении напряжения. При номи-нальной нагрузке, номинальном токе возбуждения и номинальном напряжении реактивная мощность СД, еслипренебречь явнополюсностью машины, будет [6]

Еj*'ИII И;Q = - . ·cos8 +- (20)11. 11.xd xd

Первая составляющая выражения (20) представляет собой реактивную мощность, отдаваемую двигателем всеть. Вторая составляющая, пропорциональная квадрату напряжения, характеризует потребляемую синхроннымдвигателем реактивную мощность на намагничивание.Из (17) для случая неизменной нагрузки на валу имеем

cos8 = 1 (Sin811.)2 _ 1 ~и2 . 21:\

- --- _-о * -slП ~И* И* 11.

(21)

Подставляя (21) в (20), получаем дЛЯUl-Ин- u E/-I-Ej1i'

1 ( ~2. 2 2)Q*=-.-E/II•• И*-slП 811.+И*.Xd

(22)

Определим первую производную реактивной мощности выражения (22) по напряжению и приравняем ее нулю

dQ* -Е/II. ·2·И*----;=...---=---=--=-=-=-===+ 2 .И* = о . (23)

dИ* 2'~И; -sin2 811.

Решение уравнения (23) дает величину напряжения, при которой отдаваемая в сеть реактивная мощность имеетмаксимальное значение

Иmах = (Е /11.J2 + sin2 8

2 11.(24)

С учетом относительных величин выражение (24) преобразуется к виду

Иmах* = (1/*'XadJ2 ·2---- +SlП 8112 .

(25)

(26)1=

Величина Итах*, определяемая по (25), для исследуемого двигателя СДБМ составляет Итах* = 1,21. Так какИ тах* >1,0, то генерируемая реактивная мощность при снижении напряжения ниже номинального всегда сни-жается, становится равной нулю при И* = 0,67 О.е., и затем СД переходит в режим потребления реактивноймощности.Ток статора СД в относительных величинах можно определить по выражению

~2 . cos2 <РII.+ а2 . sin2 <РII.И;

где а и ~ - коэффициенты загрузки по активной и реактивной мощности соответственно.

47

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСI{ИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Результаты расчета по выражениям (17) ... (26) сведеныв табл. 2. Из табл. 2 следует, что угол нагрузки е и токстатора 1при снижении напряжения увеличиваются.Втабл. 2 приведены результаты расчета при номиналь-ной частоте. Расчеты при других значениях частотыпитающего напряжения по выражениям (17) ... (26) по-казали, что характер изменения исследуемых величинсохраняется.

Из исследований частотно-регулируемого электропри-вода буровых насосов [7, 8, 9] известно, что в про-цессе бурения может использоваться как совместноерегулирование рабочих параметров электропривода(напряжение, частота и ток возбуждения), так и раз-дельное. При этом регулирование частоты питающегонапряжения обеспечивает требуемую подачу насоса помере углубления скважины, регулирование напряжениястатора обеспечивает поддержание тока статора наноминальном уровне при постоянной частоте, и, на-конец, регулирование тока возбуждения обеспечиваетподдержание заданного угла <р или требуемое ограни-чение тока статора.

На основе результатов исследований были выполненырасчеты энергетической эффективности регулируемо-го синхронного электропривода на основе двигателяСДБМ-99j42 на примере эксплуатационной скважины,пробуренной Альметьевским УБР 000 "Бурение» [8, 9].При нерегулируемом электроприводе двигатель работаетв недогруженном режиме, и его коэффициент полезно-го действия ниже номинального. При этом недогрузкаэлектродвигателя приводит к потерям электроэнергии,которые достигают нескольких тысяч киловатт-часов наскважину [10]. При использовании частотно-регулируе-мого электропривода бурового насоса обеспечиваютсяусловия работы двигателя, близкие к номинальным. Приэтом двигатель полностью используется по мощности,что повышает его коэффициент полезного действия иснижает потери.

ВЫВОДЫ

1. Получены новые аналитические зависимости дляопределения основных энергетических параметровСД: активная и реактивная мощности, коэффи-циент мощности и электромагнитный момент СД.Для анализа введены относительные единицы,в которых значения параметров в номинальномрежиме равны 1. Это облегчает распространениеполученных результатовна аналогичные синхронныеэлектродвигатели.

2. Приведенные результаты расчетов основных энер-гетических пара метров СД серии СДБМ буровогонасоса позволяют произвести выбор законовизменения напряжения и тока возбуждения припостоянстве подачи насоса и частоты питающегонапряжения в частотно-регулируемом электропри-воде буровых насосов.

48

При подготовке статьииспользованы результаты ис-следований, выполненных при финансовой поддержкеМинистерства образования и науки Рф по программе"Разработка и организация серийного производствамощных высоковольтных частотно-регулируемых при-ВОДОВ (ВЧРП)>>(шифр 2010-218-02-051, договор NQ13.G25.31.0060).

ЛИТЕРАТУРА1. Каган д.В. Математическое моделирование в элек-

тромеханике. ч. 2: Письменные лекции. - СПб.: СЗТУ,

2002. -73 с.2. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Теория электропривода:

Учеб. пособие. - Минск: ЗАО "Техноперспектива", 2004. -527 с.

З. Вольдек д.И. Электрические машины. Учебник длястудентов высш. техн. учебн. заведений. - З-е изд.,перераб. - л.: Энергия, 1978. - 832 с.

4. Сыромятников И.д. Режимы работы синхронных иасинхронных электродвигателей. - м.: Госэнергоиздат,

1963. - 528 с.5. Гамазин С.И., Ставцев В.д., Цырук С.д. Переходные

процессы в системах промышленного электроснабже-ния, обусловленные электродвигательной нагрузкой.- м.: Издательство МЭИ, 1997. - 424 с.

6. Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита иавтоматика синхронных двигателей.: - м., "Энергия",

1977. - 216 с.7. Шабанов В.Д., Никулин О.В. Исследование режимов

частотного регулирования синхронного электропри-вода бурового насоса / / Проблемы строительногокомплекса России: материалы 14-й Международнойнаучно-технической конференции при 14-й специали-зированной выставке "Строительство. Коммунальноехозяйство. Энергосбережение». - 2010. С.59-60.

8. Шабанов В.Д., Никулин О.В. Энергосберегающийсинхронный частотно-регулируемый электроприводбурового насоса / / Энергоэффективность и энерго-безопасность на предприятиях промышленности ижилищно-коммунального хозяйства. Труды Всероссий-ского научно-практического семинара в г. Салават. -Уфа: "Гилем". 2010. - С. 213-217.

9. Шабанов В.Д., Никулин О.В., Чумаков Д.И. Эконо-мический эффект от внедрения синхронного частотно-регулируемого электропривода бурового насоса / /Академия энергетики. - 2010. - NQ2. - С.92-94.

10. Шабанов В.Д., Никулин О.В. Оценка эффективностиприменения частотно-регулируемого электроприводабуровых насосов в Азнакаевском УБР./ / ЭнергетикаТатарстана. - 2008. - NQ1(9). - С. 74-81.