Разработка наблюдателя угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу регулируемого синхронного двигателя с постоянными магнитами, питающегося через длинный кабель

Abstract

Актуальность. В настоящее время при эксплуатации погружных электродвигателей в установках центробежных электронасосов, находящихся в режиме циклической эксплуатации, наблюдается снижение межремонтного периода погружного оборудования, что связано со снижением периодов откачки нефти до нескольких минут. Вследствие этого происходит кратное увеличение пусковых токов и крутящего момента, что приводит к росту механических нагрузок на вал насоса и появлению резонансных явлений при разгоне электродвигателя, снижающих надежность гидрозащиты. Для решения данных проблем необходим синтез замкнутых систем векторного управления с контролем тока и электромагнитного момента в переходных процессах. В эксплуатации применяются разомкнутые скалярные системы управления электроприводов скважинной добычи нефти, что связано со сложностью получения сигналов обратной связи по угловой скорости ротора и моменту сопротивления на валу средствами погружной телеметрии. Данная проблема обуславливает актуальность и необходимость разработки наблюдателей для оценки угловой скорости и момента сопротивления на валу, учитывающих особенности технологического процесса установок центробежных электронасосов, в частности наличие длинного кабеля для питания погружного электродвигателя на базе синхронной машины с постоянными магнитами. Цель: разработка наблюдателя полного порядка угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу для динамической системы «длинный питающий кабель - синхронный двигатель с постоянными магнитами». Методы: методы системного анализа и идентификации динамических систем, методы построения наблюдателей Люенбергера, методы математического моделирования динамических систем, электропривода и электрических машин. Результаты и выводы. Предложена настраиваемая математическая модель наблюдателя полного порядка угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу для динамической системы «длинный питающий кабель - синхронный двигатель с постоянными магнитами». Исследована работоспособность наблюдателя при изменяющейся нагрузке на валу, рассогласовании ненулевых начальных условий, отклонении параметров схемы замещения наблюдателя и объекта в диапазоне от -20 до +20 % от номинальных значений

Relevance. Currently, when using submersible electric motors in centrifugal electric pump installations in cyclic operation mode, there is a reduction in the inter-repair period of submersible equipment, which is associated with a reduction in oil pumping periods to several minutes. As a result, there is a multiple increase in starting currents and torque, which leads to an increase in mechanical loads on the pump shaft and appearance of resonance phenomena during the electric motor acceleration, reducing the reliability of a seal protection. To solve these problems, it is necessary to synthesize closed-loop vector control systems with current and electromagnetic torque control in transient responses. Open-loop scalar control systems for electric drives of oil well production are used in operation, which is due to the complexity of obtaining feedback signals on the angular velocity of the rotor and the moment of resistance on the shaft by means of submersible telemetry. This problem determines the relevance and necessity of developing observers for rotor speed and load torque estimation, taking into account the features of the technological process of installing centrifugal electric pumps, in particular, the presence of a long cable for powering a submersible electric motor based on a synchronous machine with permanent magnets. Aim. To develop a full-order observer rotor speed and load torque for the dynamic system "long supply cable - synchronous motor with permanent magnets". Methods. System analysis and identification of dynamic systems, synthesis of Luenberger observers, mathematical modeling of dynamic systems, electric drives and electrical machines. Result and conclusions. The authors have proposed the mathematical model of a rotor speed and load torque full-order observer for the dynamic system "long supply cable - synchronous motor with permanent magnets". The performance of the observer was investigated under varying load on the shaft, mismatch of non-zero initial conditions, deviation of the parameters of the equivalent circuit of the observer and the object in the range from -20 to +20% of the nominal values