21115

۲۱۱۱۵

طراحي و بهينه‌سازي موتور الكتريكي پمپ چاه با هدف بهبود راندمان و كارآيي

دكتراي تخصصي

قدرت - ماشين هاي الكتريكي

۱۳۹۱

۱۳۹۸/۴/۲۴

دكتر ابوالفضل واحدي

برق

يكي از مهم‌ترين روش‌هاي فرازآوري مصنوعي نفت و گاز استفاده از پمپ‌هاي الكتريكي درون‌چاهي است. اين پمپ‌ها به همراه موتور الكتريكي خود درون چاه و در نزديكي مخازن نفت و گاز قرار مي‌گيرند و در دماي زيادي كار مي‌كنند. با توجه به اين‌كه قطر چاه‌ها محدود است، جهت تأمين توان مورد نياز چون قطر محدود است لازم است موتور در راستاي طولي حجم مؤثر داشته باشد. افزايش طول موتورهاي الكتريكي باعث محدوديت‌هاي مكانيكي براي موتور مي‌شود. با توجه به اين شرايط تا حدود يك دهه قبل تنها موتورهاي القايي در پمپ‌هاي الكتريكي شناور استفاده مي‌شدند. با توسعه‌ي آهنرباهاي با قابليت دماي كار زياد، موتورهاي آهنرباي دائم نيز براي اين كاربرد در نظر گرفته شدند. در اين رساله تلاش شده است تا حد ممكن عوامل مؤثر بر طراحي موتور شارسوئيچ‌شونده به عنوان يك موتور آهنرباي دائم براي كاربرد در پمپ‌هاي الكتريكي درون‌چاهي مورد بررسي شود. بر اين اساس در فرآيند طراحي اين موتور قيودي مثل حداقل قطر شفت و حداكثر فاصله‌ي بين ياتاقان‌ها در نظر گرفته شده است، سپس براي بهينه‌سازي موتور شارسوئيچ‌شونده، مدل مناسب ارائه شده است. ويژگي اين مدل دقت زياد و قابليت استفاده از آن براي تمام تركيب‌هاي قطب‌هاي روتور و استاتور در ماشين‌هاي شار سوئيچ‌شونده است. با كمك مدل توسعه يافته و با استفاده از الگوريتم هوش مصنوعي تجمع ذرات، دو موتور با تركيب قطب‌هاي 10/12 و 14/12 بهينه‌سازي شده‌اند. سپس شبيه‌سازي‌هاي تحليل حساسيت، بررسي تأثير تغيير شكل دندانه‌ي روتور و مورب‌سازي پله‌اي مورد توجه قرار گرفته است. در گام بعد ضمن معرفي پديده‌ي پيچش شفت اين پديده در دو حالت پايدار و ديناميك براي موتور شار سوئيچ‌شونده مدل‌سازي شده و سپس تأثير تغييرات طول و قطر شفت بر اين پديده بررسي گرديده است. جهت بررسي فرآيند راه‌اندازي موتور تحت بار، با مدل‌سازي بار پمپ الكتريكي درون‌چاهي، شبيه‌سازي راه‌اندازي موتور صورت پذيرفته است. جهت بررسي كلي، تحليل حرارتي اين موتور انجام شده است. در نهايت تصديق صحت نتايج تحليل‌هاي اجزاي محدود يك نمونه آزمايشگاهي از موتور شارسوئيچ‌شونده ساخته شده و تحت شرايط ژنراتوري مورد آزمون قرار گرفته است. نتايج آزمون‌ها مؤيد صحت نتايج تحليل‌هاي اجزاي محدود بوده است.

1398/07/10

Design and Optimization of Electrical Motor for Submersible Pump to Improve Efficiency and Performance

7/14/2020 12:00:00 AM

One of the most important artificial petroleum lift methods is the electrical submersible pump. This kind of pump is placed in the well and near the gas and oil reservoir, and therefore, they operate in high temperature. Since the diameter of the well is limited, there is the same limit for the motor, hence, it is necessary to increase the length of the motor. The increment of the electrical motor length results in mechanical limits for the motor. According to these conditions, up to about one past decade just squirrel cage induction motors had been used. By the development of the permanent magnets with the high operational temperature, the permanent magnet motors become the candidate for the electrical submersible pumps. In this thesis, it is tried to investigate the effective parameters on design of the flux switching permanent magnet motor for electrical submersible applications. Accordingly, in the process of these motors constraints such as the minimum diameter of the shaft and the maximum of the distance between bearings are considered, then, the appropriate model of flux switching permanent magnet motor is developed for the optimization. The properties of this model is high accuracy and the capability of being utilized for all combination of the rotor and stator poles in flux switching machines. By the developed model and by the evolutionary computing algorithm of particle swarm optimization, for two motor with the pole combination of 10/12 and 14/12, the optimization is performed. Afterwards, the sensitivity analysis, study of the effect of the rotor tooth shape change, and rotor step-skewing is brought up. In the next step, besides introduction of the shaft twisting, this phenomena is modeled in flux switching permanent magnet motor for two states of steady-state and transient. After modeling this phenomena, the influence of the shaft length and diameter is study. In order to investigate the process of motor start under load, the electrical submersible pump load is modeled, and the motor starting is simulated under load condition. Then, for a general study, thermal analysis for this kind of motor is attended. Eventually, to verify the finite element model, a prototype of the flux switching motor is built and tested. The results show the finite element model validity.