XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Благодаря изобретению погружного электродвигателя стало возможным изобретение погружного электроцентробежного насоса. Первый погружной электродвигатель был изобретен в Екатеринославе во время Первой мировой войны, первые ПЭД использовались в качестве привода бура для нужд армии.

Изготовление погружного электродвигателя велось по идее выпускника Петроградского политехнического института Армаиса Арутюнова. После Октябрьской революции 1917 г. Арутюнов Эмигрировал в Австрию, где на одном из насосных заводов начал работать над применением русского патента в качестве привода к погружным насосам для водоотлива в шахтах и на кораблях, для водоподъема из дренажных скважин. А затем, переехав в США, Арутюнов организовал в штате Калифорния небольшую мастерскую по изготовлению по выданному в 1926 г. ему патенту погружных электронасосов для добычи нефти. В 1927 г. нефтяная компания Филипс Петролиум, заинтересовавшись новой технологией подъёма жидкости из скважины, построила завод и создала фирму REDA Pumps Co (аббревиатура от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff) в г. Бартлсвилле (штат Оклахома), руководство которой было поручено А. С. Арутюнову. Первый погружной электродвигатель в составе установки погружного центробежного насоса был спущен в скважину в 1928 г.

В нашей стране работа по созданию погружных электроприводов для электробуров и погружных электронасосов было возобновлено в начале 30-х годов в бюро глубоководных электрических машин Гормашинпроекта, группой специалистов (А. П. Островским, Н. Г. Григоряном, И. В. Александровым, А. А. Богдановым и др.). Однако Великая Отечественная война 1941—1945 гг. не позволила довести работы до промышленного внедрения. И лишь после окончания Великой Отечественной войны в специально созданном в 1950 г. особом конструкторском бюро по конструированию, исследованию и внедрению глубинных бесштанговых насосов (ОКБ БН), удалось широко развернуть научно-исследовательские, конструкторские и другие работы по разработке, организации производства и внедрению погружных центробежных установок для добычи нефти, горнорудной промышленности и сельского водоснабжения. Основателем ОКБ БН был Богданов Александр Антонович. Армарис Арутюнов оказал большую помощь советским специалистам при создании ОКБ БН. Но применение ПЭД в составе УЭЦН в нефтедобывающей промышленности СССР началось во время Великой Отечественной войны в 1943 г., когда из США по ленд-лизу были получены 53 установки фирмы REDA. А первый отечественный погружной двигатель в составе УЭЦН был спущен 20 марта 1951 г. в скважину № 18/11 треста «Октябрьнефть» объединения «Грознефть». В настоящее время отечественными производителями погружных электродвигателей являются: «Лысьванефтемаш», «Новомет»-Пермь, «Алмаз»-Радужный, ООО «АЛНАС», БЭНЗ-Бугульма, Тюменские насосы Шлюмберже, РЭПН. Зарубежем крупнейшими производителями ПЭД являются: REDA, BAKER HUGHES, WG ESP.

Конструкция погружного электродвигателя

Погружной односекционный маслонаполненный трехфазный асинхронный электродвигатель конструктивно состоит из основных сборочных единиц:

головка с токовводом и упорным подшипником;

основание со встроенным фильтром тонкой очистки масла;

неподвижный статор;

вращающийся ротор.

Рисунок 1. Погружной электродвигатель

Головка находится в верхней части электродвигателя. В головке расположен токоввод и установлен упорный подшипник. Токоввод состоит из изоляционной колодки и деталей, обеспечивающих электрическое соединение питающего кабеля и обмотки электродвигателя. В головке установлен клапан для прокачки масла.

Основание расположено в нижней части электродвигателя. В основании установлены фильтр тонкой очистки масла, радиальная опора скольжения для нижней части вала ротора и клапан для закачки масла. По требованию Заказчика в основание может быть установлен погружной блок телеметрии, который контролирует в реальном времени такие параметры установки как сопротивление изоляции системы «двигатель – кабель», температуру нагрева обмотки и вибрацию двигателя, температуру пластовой жидкости. Головка и Основание герметично соединены с корпусом статора.

Статор состоит из магнитопровода с обмоткой, запрессованного в стальную трубу-корпус. Магнитопровод представляет собой пакет из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм с термостойким изоляционным покрытием. Применение тонких листов позволяет уменьшить нагрев пакета от токов Фуко, которые возникают в магнитных материалах, помещенных в переменное магнитное поле, и прямо пропорциональны объему магнитного материала. Три фазы обмотки статора выполнены медным обмоточным проводом, они расположены в пазах магнитопровода равномерно по окружности (ось каждой фазы находится под 120 ° друг к другу) и соединены электрически по схеме «звезда». В зависимости от модификации электродвигателя по теплостойкости обмотка может быть компаундированной (для работы в пластовой жидкости с температурой 140 и 160 °С) или пропитанной высокотемпературным изоляционным лаком (для работы в пластовой жидкости с температурой 120 °С). Назначение компаунда или лака – обеспечить дополнительную изоляцию обмоточного провода и создать лучшие условия для отвода тепла от обмотки в окружающую среду. Функциональное назначение статора – при подключении к источнику электропитания (трехфазный трансформатор) в результате прохождения переменного тока по трем фазам обмотки статора, расположенным под 120 ° по отношению друг к другу, создать в магнитопроводе вращающееся магнитное поле.

Ротор состоит из отдельных пакетов, установленных неподвижно на валу и радиальных опор скольжения, установленных на валу между пакетами.

Пакеты ротора также выполнены из листов электротехнической стали. В пазах листов ротора размещена обмотка пакета ротора в виде медных стержней с замыкающими их медными кольцами.

При включении обмотки статора в трехфазную сеть возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого n1. Вращающееся поле статора наводит в обмотке ротора ЭДС. Наведенная ЭДС создает токи в обмотке ротора. Взаимодействие этих токов с полем статора создает вращающий момент и ротор вращается в сторону вращения поля статора с частотой n2. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму. Направление вращения магнитного поля статора, следовательно, и вращение ротора зависят от порядка чередования фаз напряжения подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n2, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n1, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя. Разность вращения n1 и n2 называется скольжением и обозначается буквой S=(n1-n2)/n1 * 100 %. Скольжение зависит от нагрузки двигателя. В момент пуска S=1. С уменьшением нагрузки скольжение уменьшается. При n1=n2 S=0 и вращающего момента не будет. У большинства электродвигателей S = до 6 %. В процессе работы двигателя циркуляция масла обеспечивается либо специальной турбинкой, установленной в верхней части ротора, либо пятой, которая имеет радиальные отверстия. Масло поднимается снизу вверх по центральному каналу вала, через радиальные отверстия в валу поступает для смазки подшипников и разбрасывается турбинкой в верхней лобовой части статора. Затем по зазору между ротором и статором опускается в основание и через фильтр обратно в центральный канал вала. Для нормальной работы турбинки необходимо чтобы в верхний торец вала был установлен специальный винт, перекрывающий внутренний канал вала.

Вал предназначен для передачи вращающего момента на приводной механизм. Он изготовлен из специальной высокопрочной стали. Вал имеет продольный канал и радиальные отверстия для циркуляции масла и смазки радиальных опор скольжения (подшипников). Ротор установлен в статоре на радиальных опорах скольжения, которые состоят из корпуса и металлокерамических втулок. Корпус радиальных опор скольжения изготовлен из немагнитного материала с целью уменьшения его нагрева от токов Фуко.

Все стадии создания изделия, от проектирования до отгрузки потребителю, регламентируются нормативными документами. Это государственные стандарты, технические условия, инструкции и методики. Производство ведется по конструкторской и технологической документации, которая разрабатывается специалистами компании.

Основные характеристики двигателя

К основным техническим характеристикам трехфазного асинхронного электрического двигателя относятся:

мощность на валу или полезная мощность;

частота вращения;

коэффициент полезного действия;

коэффициент мощности;

скольжение;

отношение пускового и номинального моментов;

перегрузочная способность.

Есть и другие важные характеристики, которые определяются стандартами и устанавливают показатели надежности при эксплуатации у потребителя.

Задачей расчета асинхронного двигателя является определение главных размеров и обмоточных данных по заданной полезной мощности на валу. По результатам расчета определяются рабочие характеристики двигателя. Это зависимость потребляемого тока, подводимой мощности, кпд, коэффициента мощности и скольжения от мощности на валу. Соответствие рабочих характеристик расчетам подтверждается испытаниями.

Маршрут сборки ПЭД

Согласно технологическому процессу цех по сборке погружных электродвигателей целесообразно разделить на следующие участки:

участок шихтовки;

участок намотки;

участок лакировки;

участок сборки;

участок приемо-сдаточных испытаний.

Ниже описан техпроцесс производства погружного электродвигателя последовательно по участкам

Технологическая цепочка производства ПЭД.

Участок шихтовки

Операции технологического процесса

комплектовочная;

шихтовка;

запрессовка;

контрольная.

Комплектовочная

Заключается в комплектовке статора согласно комплектовочной ведомости и технического задания. Применяемая оснастка для шихтовки и проверки статора должна быть чистой, проверенной согласно графика. Детали и сборочные единицы должны быть чистыми, прошедшими входной контроль.

Шихтовка

На технологической оправке (штоке) выполняется сборка пакета статора из листов электротехнической стали толщиной 0,5мм.

Рисунок 2. Сборка пакета ротора

Запрессовка

Запрессовка происходит на горизонтальном гидропрессе. Конструкция гидропресса позволяет производить запрессовку статоров различных габаритов и длиной до 9000 мм. Максимальное усилие запрессовки 63 т•с

Рисунок 3. Гидропресс

Пакет статора вместе со штоком устанавливаются в корпус статора. Устанавливается стопорное кольцо в корпус статора с одной стороны, с противоположной стороны прикладывается усилие, которое зависит от габарита и длины двигателя. Усилие контролируется по манометру гидропресса. Измеряется расстояние от торца корпуса до крайнего листа

Добавляются или убираются листы статора, чтобы получить необходимый размер. Затем устанавливается стопорное кольцо и снимается давление. После чего выпрессовывается технологическая оснастка (шток)

Участок обмотки

Исходной продукцией на участке обмотки является статор шихтованный. В процессе выполнения всех операций технологического процесса появляется статор обмотанный – конечная продукция участка.

Операции технологического процесса

комплектовочная

установка пазовой изоляции, подготовка обмоточного провода

намотка статора

контрольная

Комплектовочная операция

Заключается в комплектовке статора согласно комплектовочной ведомости и технического задания. Применяемая оснастка, детали и сборочные единицы должны быть чистыми, материалы – прошедшими входной контроль.

Заполненная комплектовочная ведомость прикрепляется к технологическому паспорту на электродвигатель.

Операция установки пазовой изоляции и подготовка обмоточного провода

Выполняются параллельно.

Установка изоляции предполагает исключение контакта обмоточного провода с токопроводящими частями статора. Для этого, с обоих торцов магнитопровода, устанавливаются два изоляционных кольца. Место, где лобовая часть обмотки соприкасается с корпусом статора, изолируется прокладкой из стеклотекстолита. В пазы магнитопровода, с помощью специальной оправки (гильзы) устанавливается фторопластовая трубка. Конечным продуктом операции является статор гильзованный.

Все материалы выбираются в соответствии с условиями эксплуатации.

Для намотки статоров используются обмоточные теплостойкие провода с пленочной полиамидно-фторопластовой изоляцией. Изоляция применяется трех марок: пленка Каптон FWA, пленка PRCR и пленка Апикаль AF. Пленка имеет высокую диэлек­трическую прочность, выдерживают рабочую температуру до 204 °С.

Провода, выполненные с применением таких пленок, обладают уникальным сочетанием электрических, тепловых, химических, механических свойств, стойкостью к коронному разряду и долговечностью при высоких напряжениях.

Подготовка обмоточного провода происходит на стенде перемотки провода. Стенд автоматический измеряет длину провода для фазы и испытывает целостность изоляции провода пиковым значением испытательного напряжения 9 кВ постоянного тока.

Намотка статора

Производится на специальной обмоточной линии. Исходной продукцией для намотки является статор гильзованный и фазный провод. Конечным продуктом – статор обмотанный.

Намотка производится по схеме расположения проводников в пазу. Схема составляется на основе электрической схемы статора трехфазного двухполюсного двигателя и рассчитанных обмоточных данных. Для формирования заданного места расположения проводников в пазах статора используют технологические спицы. При поочередном удалении спиц паз заполняется проводниками. Этот способ лежит в основе намотки статоров.

Качество намотки достигается соблюдением технологии изготовления статора обмотанного:

технологические спицы должны соответствовать габариту двигателя и не должны иметь механических дефектов. Установка спиц в паз производится по схеме намотки;

используемый инструмент должен быть годным к работе;

лобовая часть обмотки бандажируется двойной изоляцией, обладающей высокой теплостойкостью и адгезией при пропитке ее лаком и компаундом;

фазы друг от друга в лобовых частях отделяются фазовым делителем, во избежание межфазного замыкания.

Погружные электродвигатели выходят из строя в большинстве случаев из-за повреждения обмоток. Поэтому контролю качества при подготовке и намотке обмоток уделяется большое внимание.

Участок пропитки

На участке пайки производятся следующие виды работ:

пайка схемы “звезда”;

пайка выводных проводов;

пайка наконечников;

пропитка статора обмотанного;

Пропитка статоров производится с целью повышения электрической и механической прочности изоляции обмотки статора и улучшения отвода тепла от обмоточного провода в окружающую среду.

Испытание электрической прочности изоляции обмотки статора электродвигателя проводится для проверки изоляции статора в процессе изготовления.

Пайка схемы «звезда»

отрезать обмоточные провода всех трех фаз на заданную длину.

зачистить концы обмоточных проводов от изоляции и залудить припоем.

паять «нулевой» провод к общей точке схемы «звезда».

изолировать место пайки тефлоновой лентой, затем - стеклолентой.

закрепить место пайки обмоточных проводов и «нулевого» провода к лобовым частям обмотки статора.

проверить качество укладки калибром.

отметить в технологическом паспорте на электродвигатель.

Пайка выводных проводов

отрезать обмоточные провода всех трех фаз на определенную длину.

зачистить концы обмоточных проводов от изоляции и лужение припоем.

-соединить пайкой выводные и обмоточные провода.

изолировать места пайки тефлоновой лентой, затем термоусаживаемой трубкой.

закрепить выводные провода к лобовым частям обмотки статора.

проверить качество укладки калибром.

отметить в технологическом паспорте на электродвигатель.

Пайка наконечников

отрезать выводные провода до определенной длины.

зачистить концы выводных проводов от изоляции и лудить припоем.

покрыть припоем отверстия под выводной провод в наконечниках.

паять наконечники к выводным проводам.

отметить в технологическом паспорте на электродвигатель.

Пропитка статора обмотанного

установить резиновый рукав в расточку статора

установить оснастку на верхнюю и нижнюю части статора. 

создать давление в резиновом рукаве для исключения проникновения лака в расточку статора в процессе пропитки.

подключить статор к шкафу токовой сушки и термопары на корпус статора для регулирования тока нагрева статора.

сушить статор при температуре статора 130 ⁰с в течение 1 часа

закачать лак в статор и откачать лишний лак из статора при температуре корпуса статора 80 ⁰c. откачка выполняется путем создания разряжения в статоре.

первая сушка лака в статоре при температуре 172 ⁰с в течение 4 часов.

повторно закачать и откачать лак при температуре корпуса статора 80 ⁰c путем создания разряжения в статоре; статор предварительно повернуть 180 ⁰ вокруг продольной оси.

вторая сушка лака в статоре при температуре 172 ⁰с в течение 12 часов.

охладить статор до температуры окружающей среды.

демонтировать оснастку с корпуса и резинового рукава из расточки статора.

проверить качество полимеризации лака.

проверить расточку статора калибром

отметить в технологическом паспорте на электродвигатель.

Испытать электрическую прочность изоляции обмотки статора установкой HIPOTRONICS.

После этого статор перемещается на сборочный стапель для сборки двигателя или на стеллаж для непродолжительного хранения.

Участок сборки

Операции технологического процесса сборки

комплектовочная

подготовительная

сборка ротора

сборка двигателя

контрольная

Комплектовочная

Заключается в подборе и выдаче на рабочее место сборщика деталей и сборочных единиц двигателя согласно комплектовочной ведомости и технического задания. Детали и сборочные единицы должны быть чистыми, прошедшими входной контроль. Применяемая оснастка для сборки и контроля должна быть чистой и проверенной согласно графика.

Подготовительная

все детали и сборочные единицы, кроме пакетов ротора подвергаются ультразвуковой мойке в специальном моющем растворе.

пакеты ротора подвергаются сушке в вакуумной печи.

осевое и радиальные отверстия вала промываются на специальном стенде c последующим контролем чистоты поверхности.

Сборка ротора

Сборка ротора производится на специальном стапеле.

На вал устанавливаются пакеты ротора и радиальные подшипники, которые фиксируются шпонкой.

Рисунок 4. Процесс сборки ротора.

В процессе сборки ротора контролируются тепловые зазоры.

Рисунок 5. Замер теплового зазора.

Сборка двигателя

В статор устанавливается ротор и присоединяются концевые детали. Концевые детали свинчиваются с корпусом статора с приложением крутящего момента 1000…1200 Н•м. Для предотвращения отворота концевых деталей на резьбовые соединения наносится герметик

Рисунок 6. Присоединение концевых деталей.

В головку двигателя устанавливаются радиальный и осевой подшипники скольжения.

Проводится проверка правильности чередования фаз обмотки статора (фазировка)

Устанавливается колодка токоввода с выводными проводами.

Контрольная проверка включает в себя:

контролируется размер вылета вала;

контролируется момент проворачивания вала;

контролируется торцевое и радиальное биение вала;

собранный двигатель перемещается на испытательный стенд для проведения приемо-сдаточных испытаний.

Список использованной литературы:

https://studfiles.net/preview/2652695/

http://jurnal.vniiem.ru/text/100/23.pdf

http://easpatents.com/5-20195-pogruzhnojj-elektrodvigatel.html?do=

http://ntehn.ru/products_submersible_motors.html

http://ntehn.ru/products_submersible_motors.html

http://промкаталог.рф/PublicDocuments/01-9211-01.pdf

Кагарманов И.И. Особенности эксплуатации УЭЦН. Самара. 2005г. 48 с.

Код для цитирования: Скопировать