СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления погружными электродвигателями, применяемых при нефтедобыче, а также в других областях народного хозяйства.
Известно устройство для плавного пуска асинхронного трехфазного электродвигателя [Патент на полезную модель №18027, U1, RU, МПК Н02Р 1/26, приоритет от 14.02.2001 г.], содержащее блок тиристорных коммутаторов фазных напряжений, фазные выходы которого подключены к входу асинхронного трехфазного электродвигателя, фазные входы - к соответствующим фазам сети питания, контроллер, предназначенный для осуществления плавного пуска асинхронного трехфазного электродвигателя путем подачи сигналов управления на управляющие электроды тиристоров блока тиристорных коммутаторов фазных напряжений, в котором контроллер также предназначен для формирования сигнала на включение контактора на станции управления и защиты насосной установки, короткозамыкающие контакты которого подключены параллельно блоку тиристорных коммутаторов фазных напряжений между его соответствующими фазными входами и фазными выходами, первый вход контроллера предназначен для приема сигнала команды "Пуск-С".
Структура данного устройства обеспечивает возможность плавного запуска погружного электродвигателя без значительного увеличения пусковых токов, что повышает надежность системы управления в целом.
Однако в указанном устройстве имеется недостаток, связанный с невозможностью частотного управления и реверса асинхронного электродвигателя.
Наиболее близким техническим решением является универсальная станция управления погружным электродвигателем [Патент №2430273 С1 RU, МПК F04D 13/10, F04D 15/00, приоритет от 15.09.2011 г.], содержащая микропроцессорный вычислитель, преобразователь частоты, состоящий из последовательно соединенных выпрямителя, фильтра звена постоянного тока, инвертора и выходного фильтра, формирователя сигналов управления ключами, входы которого подключены к выходу микропроцессорного вычислителя, первый блок датчиков тока и контроллер, выход которого подключен к входу задания частоты микропроцессорного вычислителя, причем вход выпрямителя подключен к силовому входу станции управления, выходной фильтр и второй блок датчиков тока, причем выход инвертора подключен через первый блок датчиков тока к входу выходного фильтра, выход которого через второй блок датчиков тока подключен к выходу станции управления, а информационный выход первого блока датчиков тока подключен к первому информационному входу микропроцессорного вычислителя, причем информационный выход второго блока датчиков тока подключен ко второму информационному входу микропроцессорного вычислителя.
Указанная станции управления за счет выходного фильтра уменьшает уровень коэффициента гармоник выходного тока и напряжения, обеспечивает возможность плавного пуска и частотного управления асинхронным двигателем.
Недостатками указанной станции управления при длительном режиме эксплуатации на номинальной частоте являются: довольно высокий - до 5%, коэффициент гармоник выходного тока и напряжения, что уменьшает надежность работы погружного электродвигателя, повышающего трансформатора, погружного кабеля и системы управления в целом, а также довольно низкий коэффициент полезного действия - до 95%, обусловленный потерями в инверторе и в выходном фильтре.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, выражается в повышении надежности погружного электродвигателя, повышающего трансформатора, погружного кабеля и системы управления в целом при длительном режиме эксплуатации на номинальной частоте и в повышении коэффициента полезного действия за счет подключения между соответствующими фазными силовыми входами и выходами станции управления первого электромагнитного контактора и второго электромагнитного контактора, отключающего канал преобразователя напряжения, содержащего последовательно соединенные выпрямитель, фильтр звена постоянного тока, инвертор и выходной фильтр, от силовых выходов станции управления.
Указанный технический результат достигается тем, что в станции управления погружным электродвигателем, содержащей последовательно соединенные по силовым цепям выпрямитель с фильтром звена постоянного тока, инвертор и выходной фильтр, а также блок датчиков тока и контроллер, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, к трем с фазным силовым входам станции управления присоединен своими входами главных контактов с первого по третий первый электромагнитный контактор, выходы которых с первого по третий соединены с фазными силовыми выходами станции управления, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, информационные входы контроллера с четвертого по шестой присоединены к выходам с первого по третий выходного фильтра, информационные входы контроллера с седьмого по девятый присоединены к выходам с первого по третий блока датчиков тока, при этом блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие фазные силовые выходы станции управления с первого по третий с выходами главных контактов с первого по третий второго электромагнитного контактора, входами главных контактов с первого по третий подключенного к выходам выходного фильтра, с первого по третий, соответственно, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора, управляющие выходы контроллера восьмой и девятый присоединены к соответствующим первому и второму входам блока управления электромагнитными контакторами, выходами первым и вторым подключенного соответственно к катушкам первого и второго электромагнитных контакторов.
Станция управления погружным электродвигателем, также может содержать третий реверсивный электромагнитный контактор, присоединенный входами главных контактов с первого по третий к силовым входам станции управления, а выходами главных контактов с первого по третий подключенный к фазным силовым выходам станции управления, таким образом, что порядок чередования двух фаз на выходах и на входах его главных контактов не совпадает с первым электромагнитным контактором, десятый управляющий выход контроллера соединен с третьим входом блока управления электромагнитными контакторами, третьим выходом подключенного к катушке третьего электромагнитного контактора.
Выполнение станции управления погружным электродвигателем, содержащей последовательно соединенные по силовым цепям выпрямитель с фильтром звена постоянного тока, инвертор и выходной фильтр, а также блок датчиков тока и контроллер, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, к трем с фазным силовым входам станции управления присоединен своими входами главных контактов с первого по третий первый электромагнитный контактор, выходы которых с первого по третий соединены с фазными силовыми выходами станции управления, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, информационные входы контроллера с четвертого по шестой присоединены к выходам с первого по третий выходного фильтра, информационные входы контроллера с седьмого по девятый присоединены к выходам с первого по третий блока датчиков тока, при этом блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие фазные силовые выходы станции управления с первого по третий с выходами главных контактов с первого по третий второго электромагнитного контактора, входами главных контактов с первого по третий подключенного к выходам выходного фильтра, с первого по третий, соответственно, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора, управляющие выходы контроллера восьмой и девятый присоединены к соответствующим первому и второму входам блока управления электромагнитными контакторами, выходами первым и вторым подключенного соответственно к катушкам первого и второго электромагнитных контакторов, при длительном режиме эксплуатации на номинальной частоте повышает надежность погружного электродвигателя, повышающего трансформатора, погружного кабеля и системы управления в целом и повышает коэффициент полезного действия станции управления за счет отключения преобразователя напряжения и соединения через главные контакты второго электромагнитного контактора фазных силовых входов с выходами станции управления.
Расширение функциональных возможностей в станции управления может достигаться также за счет того, что станция управления погружным электродвигателем, также может содержать третий реверсивный электромагнитный контактор, присоединенный входами главных контактов с первого по третий к силовым входам станции управления, а выходами главных контактов с первого по третий подключенный к фазным силовым выходам станции управления, таким образом, что порядок чередования двух фаз на выходах и на входах его главных контактов не совпадает с первым электромагнитным контактором, десятый управляющий выход контроллера соединен с третьим входом блока управления электромагнитными контакторами, третьим выходом подключенного к катушке третьего электромагнитного контактора.
На Фиг.1 приведена схема электрическая структурная станции управления погружным электродвигателем с двумя контакторами.
На Фиг.2 приведена схема электрическая структурная станции управления погружным электродвигателем с тремя контакторами.
На Фиг.3 приведена схема электрическая принципиальная инвертора.
На Фиг.4 приведена схема электрическая принципиальная выходного фильтра.
Станция управления погружным электродвигателем содержит (см. Фиг.1) последовательно соединенные по силовым цепям выпрямитель 1 с фильтром звена постоянного тока 2, инвертор 3 и выходной фильтр 4, а также блок датчиков тока 5 и контроллер 6, первый 7, второй 8 электромагнитные контакторы и блок управления электромагнитными контакторами 9.
Входы выпрямителя 1 с первого по третий подключены к силовым входам (А, В, С) станции управления, первый и второй выходы выпрямителя 1 соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока 2, соответственно. Первый и второй выходы фильтра звена постоянного тока 2 присоединены к восьмому (DC+) и девятому (DC-) силовым входам инвертора 3. С первого по третий выходы (U1, V1, W1) инвертора 3 соединены с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра 4.
К трем с фазным силовым входам (А, В, С) станции управления также присоединен своими входами главных контактов с первого по третий первый электромагнитный контактор 7, выходы которых с первого по третий соединены с фазными силовыми выходами станции управления (U, V, W).
Информационные входы контроллера 6 с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам (А, В, С) станции управления, информационные входы контроллера 6 с четвертого по шестой присоединены к выходам с первого по третий (U2, V2, W2) выходного фильтра 4. Информационные входы контроллера 6 с седьмого по девятый присоединены к выходам с первого по третий блока датчиков тока 5, при этом блок датчиков тока 5 может содержать два или три датчика тока. Через датчики тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие фазные силовые выходы станции управления (U, V, W) с первого по третий с выходами главных контактов с первого по третий второго электромагнитного контактора 8, входами главных контактов с первого по третий подключенного к выходам выходного фильтра 4, с первого по третий, соответственно. Управляющие выходы контроллера 6 с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора 3. Управляющие выходы контроллера 6 восьмой и девятый присоединены к соответствующим первому и второму входам блока управления электромагнитными контакторами 9, выходами первым и вторым подключенного соответственно к катушкам 1 первого 7 и второго 8 электромагнитных контакторов.
Станция управления погружным электродвигателем может содержать третий реверсивный электромагнитный контактор 10 (см. фиг.2), присоединенный входами главных контактов с первого по третий к силовым входам (А, В, С) станции управления, а выходами главных контактов с первого по третий подключенный к фазным силовым выходам станции управления (U, V, W), таким образом, что порядок чередования двух фаз на выходах и на входах его главных контактов не совпадает с первым контактором, а именно, выход первого главного контакта контактора 10 соединен с выходом третьего главного контакта контактора 7, а выход третьего главного контакта контактора 10 соединен с выходом первого главного контакта контактора 7. При этом десятый управляющий выход контроллера 6 соединен с третьим входом блока управления контакторами 9, третьим выходом подключенного к катушке 1 третьего электромагнитного контактора 10.
Заявляемое техническое решение станции управления погружным электродвигателем может быть изготовлено в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и стандартных технологий.
Станция управления погружным электродвигателем может быть выполнена на стандартных элементах, включенных в соответствии со стандартными схемами подключения, которые приведены в технической документации.
Выпрямитель 1 предназначен для выпрямления сетевого напряжения. Фильтр звена постоянного тока 2 предназначен для фильтрации выпрямленного выпрямителем 1 напряжения. Инвертор 3 предназначен для широтно-импульсного преобразования напряжения, выпрямленного выпрямителем 1, в трехфазную последовательность импульсов положительной и отрицательной полярности образующих на нагрузке - погружном электродвигателе, синусоидальный ток. Выходной фильтр 4 предназначен для подавления высших гармоник тока и напряжения с выхода инвертора 3. Блок датчиков тока 5 предназначен для выработки информационных сигналов, поступающих на входы 7…9 контроллера 6, пропорциональных токам на выходе станции управления. Контроллер 6 предназначен для преобразования напряжений и токов, поступающих на его управляющие входы с первого по девятый, в управляющие импульсы, поступающие на входы инвертора 3 и блока управления электромагнитными контакторами 9. Первый электромагнитный контактор 7 предназначен для подключения через главные контакты с первого по третий фазным силовых входов (А, В, С) станции управления с тремя фазными силовыми выходами ((U, V, W)) станции управления. Второй электромагнитный контактор 8 предназначен для подключения через главные контакты с первого по третий фазных силовых выходов (U2, V2, W2) преобразователя напряжения содержащего последовательно соединенные выпрямитель 1 с фильтром звена постоянного тока 2, инвертор 3 и выходной фильтр 4 с тремя фазными силовыми выходами ((U, V, W)) станции управления. Третий электромагнитный контактор 10 предназначен для реверса погружного электродвигателя.
Пример исполнения инвертора 3 приведен на фиг.3. В общем случае инвертор 3 содержит три канала коммутаторов 11…13, выполненных например на IGBT модулях, и драйверов 14…16 обеспечивающих согласование уровней управляющих сигналов на управляющих выводах (1,4) коммутаторов 11…13 и на входах 1…7 инвертора 3. Драйверы 14…16 могут быть использованы как стандартными специализированными для управления конкретным типом IGBT-модуля, поставляемыми заводами поставщиками IGBT-модулей, так и универсальными собственной разработки. Кроме того драйверы 14…16 обеспечивают надежное включение коммутаторов 11…13, исключающее одновременное включение их плеч. Коммутаторы 11…13 обеспечивают подключение напряжений DC+ и DC- (контакты 8 и 9 инвертора 3) в определенной последовательности к выходным клеммам 1…3 соответствующим выходам инвертора 3 (U1, V1, W1).
Пример исполнения выходного фильтра 4 приведен на фиг.4. Выходной фильтр 4 содержит в своем составе три дросселя 17…19 (L1, L2, L3), включенные между входными клеммами 1…3 (U1, V1, W1) и выходными клеммами 1…3 (U2, V2, W2), и три конденсатора 20…22 (C1, C2, С3), подключенные треугольником к выходными клеммами 1…3 выходного фильтра 4. Соотношение индуктивностей дросселей 17…19 и емкостей конденсаторов 20…22 определяется номинальными током и сопротивлением нагрузки станции управления.
Станция управления погружным электродвигателем работает следующим образом. Поступающее на входные клеммы (А, В, С) станции управления трехфазное напряжение питания (см. Фиг.1, 2) подается на силовые входы 1…3 выпрямителя 1 и на информационные входы 1…3 контроллера 6, который, за счет выработки соответствующих управляющих сигналов, осуществляет синхронизацию выходного и входного трехфазных напряжений. С выходов 1, 2 выпрямителя 1 выпрямленное пульсирующее напряжение подается на входы 1, 2 фильтра звена постоянного тока 2, фильтруется им и поступает на силовые входы 8, 9 инвертора 3.
На информационные входы контроллера 6 с первого по третий подаются фазные напряжения (А, В, С) питания станции управления. На информационные входы контроллера 6 с четвертого по шестой подаются фазные напряжения (U2, V2, W2) с выходов с первого по третий выходного фильтра 4. На информационные входы контроллера 6 с седьмого по девятый с блока датчиков тока 5 подаются аналоговые сигналы пропорциональные фазным токам на выходе выходного фильтра 4. При этом блок датчиков тока 5 может содержать два или три датчика тока, включенных в соответствующиее фазы. В случае использования в блоке датчиков тока двух датчиков тока, недостающие сигналы (амплитудные и фазовые) от третьих фаз вычисляются контроллером 6.
В контроллере 6 с помощью внутреннего программного обеспечения производится сравнение текущих сигналов, полученных на информационных входах с первого по девятый, с уставками и между собой. При сравнении сигналов на управляющих выходах контроллера 6 с первого по седьмой вырабатываются управляющие импульсы, изменяющие параметры широтно-импульсной модуляции инвертора 3 и обеспечивающие оптимальные выходные параметры станции управления, такие как стабильность амплитудных параметров, минимальный коэффициент гармонических и фазовых искажений тока и напряжения, а также защиту элементов станции управления при возникновении аварийных ситуаций, а именно: перенапряжениях питающей сети и выходе из строя силовых элементов (конденсаторов фильтра звена постоянного тока 2 и модулей инвертора 3).
Трехфазное напряжение с выходов 1…3 (U1, V1, W1) инвертора 3 подается на входы 1…3 выходного фильтра 4, фильтруется им, при этом подавляются высшие гармоники напряжения, и на выходах 1…3 выходного фильтра 4, подключенных через силовые контакты второго электромагнитного контактора 8 к выходным клеммам (U, V, W) станции управления, формируется трехфазное напряжение близкое к синусоидальному.
При работе преобразователя замкнут главные контакты второго электромагнитного контактора 8, а главные контакты первого 7 и третьего 10 электромагнитных контакторов разомкнуты. При работе преобразователя напряжения на частоте равной частоте входного питающего напряжения, номинально - 50 Гц, контроллер 6 синхронизирует по фазе выходное напряжение инвертора 3 и преобразователя в целом с фазой питающей сети для безударного переключения, затем, в зависимости от прямого или обратного чередования фаз выходного напряжения преобразователя, замыкает главные контакты электромагнитных контакторов первого 7 для прямого или третьего 10 для обратного вращения погружного электродвигателя. После чего отключается главные контакты второго электромагнитного контактора 8 и выключается преобразователь напряжения. Дальнейшая работа электродвигателя обеспечивается напряжением подаваемым через главные контакты первого 7 или третьего 10 электромагнитных контакторов. При изменении оператором желаемой выходной частоты преобразователя, отличной от частоты 50 Гц, контроллер 6 станции управления включает в работу преобразователь на частоту 50 Гц, синхронизирует выходное напряжение преобразователя с напряжением питающей сети и подключает через главные контакты второго электромагнитного контактора 8 выходы с первого по третий выходного фильтра 4 к выходам станции управления, после чего отключает главные контакты одного из электромагнитных контакторов 7 или 10, в зависимости от того, какой из контакторов был включен. Дальнейшая работа электродвигателя обеспечивается преобразователем частоты: увеличивается или уменьшается частота его вращения.
Предложенная станция управления асинхронным двигателем может применяться для управления как приводами погружных насосов, так и любыми другими приводами.
Подключение между соответствующими фазными силовыми входами (А, В, С) и выходами (U, V, W) станции управления первого электромагнитного контактора 7 и второго электромагнитного контактора 8, отключающего канал преобразователя напряжения, содержащего последовательно соединенные выпрямитель 1, фильтр звена постоянного тока 2, инвертор 3 и выходной фильтр 4, от силовых выходов (U, V, W) станции управления, при длительном режиме эксплуатации на номинальной частоте повышает надежность погружного электродвигателя, повышающего трансформатора, погружного кабеля и системы управления в целом и повышает коэффициент полезного действия.
Подключение между соответствующими фазными силовыми входами (А, В, С) и выходами (U, V, W) станции управления третьего электромагнитного контактора 10, таким образом, что порядок чередования двух фаз на выходах и на входах его главных контактов не совпадает с первым контактором 7, а именно, выход первого главного контакта контактора 10 соединен с выходом третьего главного контакта контактора 7, а выход третьего главного контакта контактора 10 соединен с выходом первого главного контакта контактора 7, расширяет функциональные возможности станции управления при длительном режиме эксплуатации на номинальной частоте за счет обеспечения обратного направления вращения погружного электродвигателя.