СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ

Полезная модель относится к области электротехнического оборудования и оборудования для добычи нефти, а именно к станциям управления асинхронными электродвигателями погружных центробежных насосных агрегатов для добычи нефти.
Известна станция управления погружными электродвигателями, описанная в патенте RU 37577 U1 2004.04.27 H 02 В 1/00, содержащая силовой отсек, отсек органов управления и отсек ввода-вывода силовых кабелей. В силовом отсеке станции размещен силовой модуль, выполненный на съемном основании и включающий в себя транзисторные модули частотного преобразователя и тиристорные модули регулируемого выпрямителя, а также радиатор, предназначенный для охлаждения упомянутых транзисторных и тиристорных модулей.
Указанное техническое решение принято за прототип.
Основным недостатком прототипа является невозможность существенного увеличения мощности подключаемого оборудования (погружного электродвигателя) без перехода на элементную базу с более высокими характеристиками, что приводит к повышению себестоимости станции, увеличению ее габаритов и т. д.
Таким образом, задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании станции управления погружными электродвигателями повышенной мощности без повышения требований к элементной базе.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в обеспечении возможности увеличения мощности подключаемого оборудования (погружного электродвигателя) без повышения требований к элементной базе, на которой строится станция, в уменьшении времени проведения монтажных, пусконаладочных и ремонтных работ за счет обеспечения удобства монтажа (демонтажа) оборудования силового отсека, а также в обеспечении надежной и эффективной работы системы охлаждения станции управления.
Станция управления погружными электродвигателями содержит силовой отсек, отсек органов управления и отсек ввода-вывода силовых кабелей, в силовом отсеке размещен силовой модуль, выполненный на съемном основании и включающий в себя транзисторные модули частотного преобразователя и тиристорные модули регулируемого выпрямителя, а также радиатор, предназначенный для охлаждения упомянутых транзисторных и тиристорных модулей. При этом в отличии от прототипа в силовом отсеке размещены два силовых модуля, подключенных таким образом, что обеспечивается их параллельная работа, при этом силовые модули установлены таким образом, что их радиаторы образуют часть боковой стенки одного из воздуховодов единой системы охлаждения силовых модулей, а, по крайней мере, одно
из оснований установлено с возможностью поворота для обеспечения двустороннего доступа к каждому из силовых модулей.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, основание силового модуля может быть выполнено в виде пластины, при этом транзисторные модули частотного преобразователя и тиристорные модули регулируемого выпрямителя, могут быть расположены с одной стороны основания, а на противоположной стороне основания может быть размещен радиатор.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, транзисторные и тиристорные модули могут быть закреплены непосредственно на радиаторе, который может быть установлен над соответствующей прорезью, выполненной в основании силового модуля.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, каждый из силовых модулей может включать в себя конденсаторы емкостного накопителя, объединенные в два модуля, между которыми могут быть размещены транзисторные и тиристорные модули, а также платы драйверов управления, соответственно, транзисторными и тиристорными модулями, при этом конденсаторы в каждом из модуле емкостного накопителя могут быть расположены в два ряда, а транзисторные модули частотного преобразователя соединены с конденсаторами емкостного накопителя плоскими расположенными одна за другой плюсовой и минусовой шинами, между которыми должна быть расположена электроизоляционная прокладка.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, плата драйверов управления транзисторными модулями частотного преобразователя
может быть установлена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, проходящей вблизи ее нижней кромки.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, основание может быть установлено с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, проходящей вблизи его боковой кромки.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, радиаторы силовых модулей могут быть обращены друг к другу и образовывать противоположные боковые стенки вертикально ориентированного основного воздуховода единой системы охлаждения силовых модулей, верхний конец которого, посредством горизонтального выходного воздуховода системы охлаждения может быть сообщен с окружающей средой, а нижний конец основного воздуховода может быть сообщен с вентиляторным отсеком, соединенным с окружающей средой посредством отверстий в дне корпуса силового отсека станции, в вентиляторном отсеке может быть размещен, по крайней мере, один напорный вентилятор для подачи воздуха в основной воздуховод.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в вентиляторном отсеке могут быть размещены два напорных вентилятора.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в силовом отсеке может быть размещен контроллер управления электродвигателем, силовой автоматический выключатель, входные трансформаторы тока, два силовых дросселя, каждый из которых предназначен для сглаживания зарядного тока емкостного накопителя одного из силовых модулей, контроллер управления драйверами силовых модулей, источник питания, датчики
выходного тока, разрядное устройство, делитель канала измерения сопротивления изоляции и делитель измерения входного и выходного напряжения.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в силовом отсеке может быть размещен нагревательный элемент с биметаллическим терморегулятором и вентилятор для обеспечения движения потока нагретого воздуха.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, нагревательный элемент может быть представлять собой, по крайней мере, один оребренный теплоэлектронагреватель.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, в отсеке ввода-вывода силовых кабелей могут быть размещены клеммы для подключения силового питания станции, первичной обмотки и нулевого провода повышающего трансформатора.
Модульный принцип построения станции, при котором она содержит два работающих параллельно силовых модуля, позволяет увеличивать мощность подключаемого оборудования без повышения требований к элементной базе, на которой строится станция, при этом модульный принцип может быть применен и в случае перехода на элементную базу с более высокими характеристиками. Силовые модули в целом и все соответствующие элементы отдельных модулей полностью взаимозаменяемы, что повышает удобство эксплуатации таких станций на нефтепромысле.
Расположение силовых модулей таким образом, что их радиаторы образуют две боковые стенки воздуховода единой системы охлаждения силовых
модулей, позволяет обеспечить высокую эффективность системы охлаждения, избежав ее усложнения, и добиться снижения массогабаритных характеристик системы охлаждения.
Выполнение каждого модуля на отдельном съемном основании позволяет собирать или ремонтировать силовые модули вне станции и, при необходимости, полностью заменять силовой модуль с минимальным количеством монтажных операций, осуществляемых непосредственно в шкафу станции, при этом установка одного из силовых модулей с возможностью поворота вокруг вертикальной оси обеспечивает двухсторонний доступ к обоим силовым модулям при монтаже и техническом обслуживании станции, что существенно повышает удобство ее эксплуатации.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается примером реализации станции управления погружными электродвигателями, выполненной в соответствии с настоящей полезной моделью, сопровождаемое графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг.1 представлен вид спереди станции управления с закрытой передней дверью.
На Фиг.2 представлен вид сзади станции управления с закрытой задней дверью и дверью отсека ввода-вывода кабелей.
На Фиг.3 представлен вид сбоку станции управления.
На Фиг.4 представлен вид спереди станции управления с открытой передней дверью.
На Фиг.5 представлен фрагмент вида сзади станции управления с открытой дверью отсека ввода-вывода кабелей.
На Фиг.6 представлен разрез А-А по Фиг.4.
На Фиг.7 представлен вентиляторный отсек в разрезе.
На Фиг.8 представлен отсек управления.
На Фиг.9-12 представлена схема системы охлаждения станции управления.
Станция 1 предназначена для управления, защиты и регулирования частоты вращения погружных электродвигателей (ПЭД) мощностью до 120 кВт, предназначенных для привода погружных электронасосов добычи нефти и представляющих собой трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.
Станция предназначена для работы на открытом воздухе при температуре окружающей среды от минус 60 до плюс 50°С (степень защиты станции от воздействия окружающей среды IP43 по ГОСТ 14254-80).
Электропитание станции осуществляется от трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В частоты 50 Гц. Номинальный ток силовой цепи не более 400 А.
Станция обеспечивает эффективное значение выходного трехфазного переменного тока 400 А с регулированием частоты в диапазоне от 3 до 75 Гц. Питание электродвигателя насосной установки осуществляется через силовой повышающий трансформатор типа ТМПН, входящий в состав штатного наземного оборудования скважины.
Станция обеспечивает защиту оборудования скважины при перегрузках и недогрузках по току, при повышенном и пониженном напряжении силового питания, при дисбалансе по напряжению и току, при пониженном сопротивлении изоляции, при перегреве обмоток электродвигателя, при повышенной вибрации насосной установки и др.
Кроме функций управления и защиты, станция, благодаря частотному преобразователю, осуществляет следующие функции: плавный разгон и торможение двигателя; плавный пуск при обратном вращении путем перехвата частоты вращения, с последующим остановом и разгоном до заданной частоты; возможность оптимизации режима работы скважины по сигналам подземной телеметрии, или без нее по специальной программе; автоматическое удаление газовых пробок в насосной установке; вывод на заданную частоту по программе.
Силовая часть станции выполнена по схеме двухступенчатого преобразователя энергии сети трехфазного переменного тока в энергию трехфазного тока с регулируемыми частотой и напряжением. Элементы схемы преобразователя объединены в силовой модуль, при этом станция построена по модульному принципу и содержит два параллельно включенных силовых модуля, что позволяет практически удвоить мощность подключаемого оборудования без повышения требований к элементной базе.
Станция выполнена в металлическом шкафу 2 двухстороннего обслуживания. Двери 3, 4 и 5 шкафа закрываются на специальные замки и имеют герметичные уплотнения, а также ограничители, фиксирующие их в открытом
положении. Передняя дверь 3, открывающая доступ в силовой отсек 6, имеет электрическую блокировку, отключающую питание погружного двигателя при ее открывании. Оборудование, размещенное с задней стороны станции, защищено задней дверью 4 с двумя поворотными замками. На внешней стороне задней двери установлен блок зажимов 11 для фиксации силовых кабелей, подходящих к станции.
С задней стороны шкафа в его верхней части расположен отсек 7 ввода-вывода кабелей с отдельной дверью 5, размещенный под общей крышей 31 с силовым отсеком 6. В отсеке 7 размещены входные 8 и выходные 9 клеммы для подключения силового питания станции и первичной обмотки повышающего трансформатора, соответственно, а также имеется клемма 10 для подключения нулевого провода повышающего трансформатора, предназначенного для измерения сопротивления изоляции силовой цепи: вторичная обмотка ТМПН, погружной кабель и электродвигатель. Элементы, которые могут находиться под напряжением, закрыты предохранительными экранами с предупреждающими знаками. Отсек 7 снабжен резиновыми уплотнительными губками, которые закреплены на двери 5 и задней стенке отсека. При закрывании двери 5 губки обжимают силой кабель, чем обеспечивают герметизацию отсека 7.
На передней двери 3 расположена дополнительная коробка отсека управления 12, закрываемая отдельной дверью 13. В отсеке управления 12 размещены органы индикации режимов работы ПЭД («СТОП», «ОЖИДАНИЕ», «РАБОТА»), 4-х строчный жидкокристаллический дисплей 40, на
который выводятся сообщения о режимах работы станции, причинах ее отключения, состоянии оборудования скважины, розетка «220 В» 41, выключатели 47, переключатель режимов работы 42 и кнопка «ПУСК» 48. В двери 13 отсека управления выполнены закрытые прозрачным стеклом отверстия 49 для наблюдения органов индикации без открывания двери.
В правом верхнем углу силового отсека 6 станции установлены автоматический выключатель 50, предназначенный для оперативных переключений и защиты силовой цепи от токов короткого замыкания. Рычаг 14 автоматического выключателя выходит через соответствующее отверстие двери 3 в отсек управления 12. Кроме того, выключатель 50 оборудован независимым расцепителем, обеспечивающим по команде с контроллера управления электродвигателем отключение силовой цепи при превышении входным линейным напряжением питающей сети допустимой величины. В правом верхнем углу силового отсека также размещены три трансформатора тока 15, предназначенные для преобразования входного силового тока и потенциального разделения силовых цепей от цепей управления, при этом на выводах вторичных обмоток трансформаторов тока установлены нагрузочные резисторы, с которых снимаются сигналы, пропорциональные входному току станции.
В левой верхней части силового отсека 6 расположены три датчика Холла 16, предназначенные для формирования сигналов, соответствующих фазным токам на выходе станции (на первичной обмотке ТМПН), который пропорционален току на обмотках погружного электродвигателя.
В центре верхней части силового отсека 6 расположена плата 17
делителей канала измерения сопротивления изоляции, предназначенная для формирования сигнала, пропорционального сопротивлению изоляции цепи: вторичная обмотка ТМПН - погружной кабель - электродвигатель, высоковольтные цепи которой закрыты изоляционной крышкой.
В левой нижней части силового отсека 6 расположены нагревательный элемент 18 и вентилятор 19, предназначенные для обогрева внутреннего пространства станции в зимнее время.
На левой внутренней стенке силового отсека 6 на съемной панели установлены: контроллер 20 управления драйверами силовых модулей станции, плата делителей напряжения 21, формирующая сигналы, пропорциональные фазовым напряжениям питающей сети, и сигналы, пропорциональные выходным линейным напряжениям станции, реле включения подогрева радиаторов с платой демпферов, сетевой фильтр, а также плата питания 22, обеспечивающая формирование напряжений питания собственных нужд станции. В левой нижней части съемной панели установлена также плата блока грозозащиты.
На правой стенке силового отсека 6 установлен разрядный узел 23, предназначенный для быстрого разряда емкостных накопителей силовых модулей после выключения станции. Кроме того, на правой стенке размещены твердотельное реле включения независимого разъединителя автоматического выключателя 13 и плата защиты вентиляторов системы охлаждения станции.
В центре силового отсека 6 на раме 24 установлены два силовых модуля 25а и 25b, выполненных на отдельном для каждого модуля съемном
основании 26 в виде стальной пластины. Это позволяет собирать или ремонтировать силовые модули вне станции и при необходимости заменять силовой модуль целиком.
На основании 26 каждого силового модуля установлены двадцать четыре конденсатора емкостного накопителя 27 с платами балластных резисторов, предназначенных для выравнивания напряжения на последовательно соединенных группах конденсаторов, разряда конденсаторов накопителя после выключения станции, а также защиты электролитических конденсаторов от напряжения обратной полярности. Конденсаторы емкостного накопителя 27 образуют два модуля 27а и 27b по двенадцать конденсаторов в каждом, распложенные в шесть рядов по два в ряд. Для получения запаса по напряжению, конденсаторы в секциях включены параллельно последовательно.
Между модулями 27а и 27b размещены три тиристорных модуля 28 регулируемого шестифазного выпрямителя (см. Фиг.9), предназначенного для преобразования силового напряжения питающей сети в постоянное регулируемое напряжение. Над модулями 28 расположены шесть транзисторных модулей 29 частотного преобразователя (инвертора), который преобразует постоянное напряжение накопителя 27 в трехфазное напряжение с регулируемой частотой.
Соединения конденсаторов накопителя 27 и выводов транзисторных модулей 29 выполнены двумя плоскими медными шинами 30а и 30b (плюсовой и минусовой), которые расположены одна за другой и разделены слоем изолятора. Применение бифилярной шинной разводки питания обеспечивает
снижение уровня высокочастотных помех от коммутационных процессов сети и уменьшение коммутационных перенапряжений на транзисторных полумостах частотного преобразователя, что приводит к повышению надежности работы станции управления.
На внешней поверхности шин 30а и 30b размещена плата 34 драйверов тиристорных модулей 28, обеспечивающая фазовое управление выпрямителем. Между верхними и нижними транзисторными модулями установлены скобы, на которых закреплена плата 32 драйверов транзисторных модулей, которые формируют двухполярные импульсы для управления цепей затворов модулей 29, установленная с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси 33 для повышения удобства монтажа и ремонта. Согласованная работа драйверов силового модуля обеспечивается контроллером управления драйверами 20, при этом станция снабжена специальной платой коммутации, предназначенной для распределения сигналов управления драйверами транзисторных модулей 29 на два силовых модуля.
Модули 28 и 29 установлены на оребренном алюминиевом радиаторе 35, закрепленным над соответствующей прорезью основания.
Силовые модули 25а и 25b, расположены параллельно друг другу радиаторами внутрь таким образом, что радиаторы 35 силовых модулей образуют две боковые стенки центрального воздуховода единой системы охлаждения силовых модулей.
Кроме того, силовой модуль 25а установлен на раме 24 с возможностью поворота вокруг вертикальной оси 36, что обеспечивает двухсторонний
доступ к обоим силовым модулям при монтаже и техническом обслуживании станции.
На днище отсека установлены два силовых дросселя 37 и 38, предназначенных для ограничения зарядного тока соответствующего емкостного накопителя и защиты силовой сети от высших гармоник преобразователя.
Таким образом силовая цепь станции состоит из узла ввода 8 трехфазного напряжения сети 380 В 50 Гц, вводного автоматического выключателя 50, трансформаторов тока 15, трехфазного дросселя 37 (38), силового модуля 25а (25b), датчиков выходного тока 16 и узла вывода 9 выходного трехфазного напряжения регулируемой частоты. В процессе работы станции силовое напряжение питающей сети преобразуется в постоянное регулируемое напряжение с помощью шестифазных регулируемых выпрямителей силовых модулей 25а (25b). Выпрямленное напряжение сглаживается с помощью фильтра, состоящего из трехфазного дросселя 37 (38) и емкостных накопителей 27. Частотные преобразователи (инверторы) силовых модулей преобразуют постоянное напряжение накопителя в трехфазное напряжение с регулируемой частотой, которое через датчики тока 16 и узел вывода 9 выходного трехфазного напряжения подается на первичную обмотку повышающего трансформатора.
Управление станцией осуществляется при помощи контроллеров 20 и 43.
Контроллер 43 управления электродвигателем насосной установки расположен на задней стороне передней двери 3 станции за отсеком управления
12 (см. Фиг.8). Контроллер 43 управляет включением-выключением электродвигателя, определяет частоту и направление его вращения («ПРЯМОЕ» или «РЕВЕРС»), а также величину пускового момента («ФОРСАЖ» или «НОРМА»), на основании команд и сигналов, приходящих на станцию как извне (внешний запрет, контактный манометр), так и формируемых в самой станции. После обработки входных сигналов контроллер 43 формирует соответствующие команды управления.
Элементы контроллера 43 расположены в герметичном корпусе, защищенном изнутри слоем теплоизоляции. Контроллер имеет автоматическую систему подогрева, поддерживающую внутри корпуса рабочую температуру не ниже минус 4°С. На передней панели контроллера расположены: дисплей 40, индикатор включения нагревателя и интерфейсный разъем типа СОМ-порт. На боковых стенках контроллера расположены разъемы для подключения платы делителей напряжения 21, датчиков линейного входного тока, платы питания 22, контроллера управления драйверами 20 и платы коммутации, а также разъемы для подключения к органам управления (переключатель режимов, кнопка "ПУСК", концевой выключатель двери) и к светодиодам органов индикации режимов работы («СТОП», «ОЖИДАНИЕ», «РАБОТА»). На контроллере 43 имеется также разъемы для подключения термоманометрической системы (ТМС) УЭЦН через контроллер управления драйверами 20 и для программирования контроллера.
Контроллер управления драйверами 20 формирует импульсы запуска таким образом, чтобы отношение напряжения на обмотках погружного
электродвигателя к частоте было неизменным во всем диапазоне частот вращения электродвигателя, а также увеличивает или уменьшает это отношение при получении от контроллера 43 соответствующих команд («ФОРСАЖ» или «НОРМА»). По окончании работы контроллер 20 снимает импульсы запуска с драйверов 34 транзисторных модулей 29 инвертора и включает разрядный узел 23 для снятия напряжения с модулей емкостных накопителей.
Единая система охлаждения силовых модулей (см. Фиг 9-11) включает в себя вентиляторный отсек 44 с двумя напорными вентиляторами 45а и 45b, при этом наличие двух вентиляторов позволяет обеспечить высокую эффективность охлаждения без повышения требований к характеристикам вентиляторов, а также позволяет повысить надежность системы охлаждения. Система охлаждения также включает в себя центральный воздуховод 46, две боковые стенки которого образованы радиаторами 35 силовых модулей 25а и 25b, а также выходной воздуховод 39.
В процессе работы станции забор наружного воздуха происходит через закрытые сеткой вентиляционные отверстия в дне силового отсека шкафа, вентиляторы 45а и 45b нагнетают охлаждающий воздух в центральный воздуховод 46, обеспечивая охлаждение радиаторов 35, а нагретый воздух через выходной воздуховод 39 отводится в правую и левую стороны станции.