Станция частотного управления электродвигателем

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к станциям частотного управления и защиты электродвигателей погружных насосных установок.
С целью повышения эффективности и продления срока службы электродвигателей, а также их адаптации к условиям технологических процессов производства, в технике применяют частотно управляемые электродвигатели.
Для управления электродвигателями номинальной мощностью от 50 до 1000 кВт, такими как электродвигатели погружных насосных установок для нефтедобычи применяются станции управления электродвигателями шкафного исполнения, обеспечивающие реализацию различных режимов работы установки в зависимости задания.
Из уровня техники известны станции управления погружных насосных установок приведенных в патентных документах (1-3).
В патенте РФ (1) 2520571 описана станция управления насосной установки, которая включает шкаф, состоящий из первого, второго и двух дополнительных объемов. Размещение вентиляторов, посредством которых происходит циркуляция охлаждающего воздуха, во втором дополнительном объеме позволила объединить гидравлическую часть систем охлаждения инвертора, выпрямителя и второго объема шкафа с реактивными элементами станции управления погружной насосной установкой. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет использовать второй дополнительный объем для размещения в нем элементов станции управления, требующих дополнительного охлаждения. Датчики температуры системы охлаждения реактивных элементов устанавливаются на поверхности реактивных элементов. Вентиляторы системы принудительного охлаждения радиаторов преобразователя частоты располагаются во втором дополнительном объеме, который гидравлически связан со вторым объемом с реактивными элементами станции управления погружной насосной установкой посредством отверстий в стенке второго объема, а второй объем гидравлически связан с атмосферой посредством отверстий в днище, причем второй дополнительный объем расположен между первым и дополнительным объемами над вторым объемом.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести то, что конструкция шкафа выполнена рамной, что увеличивает металлоемкость изделия, также использование гидравлической связи охлаждающих контуров усложняет конструкцию устройства и снижает возможности ее эксплуатации в сложных климатических условиях.
Из документа (2) известна станция управления, содержащая шкаф, в отсеке управления которого размещены средства управления и индикации, в силовом отсеке размещена силовая аппаратура, а на задней стенке расположена секция ввода кабелей с люками для ввода кабелей. СУ снабжена системой терморегулирования, включающей блок вентиляции, установленный на задней стенке шкафа и соединенный с воздуховодом, расположенным между боковыми стенками шкафа, в которых выполнены отверстия для выпуска воздуха, а также радиатор, встроенный в воздуховод поверхностью, на которой выполнены ребра, и контактирующий другой поверхностью с силовой аппаратурой. Блок вентиляции содержит, по меньшей мере, один вентилятор. Система терморегулирования снабжена нагревательным элементом, установленным на радиаторе со стороны силовой аппаратуры. Входное отверстие блока вентиляции и отверстия воздуховода для выпуска воздуха снабжены защитными сетками.
Шкаф выполнен с дополнительным отсеком для размещения силового дросселя, расположенным под силовым отсеком.
Система терморегулирования дополнительно содержит, по меньшей мере, один вентилятор, размещенный в силовом отсеке.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести то, что блок подключений кабелей выполнен в верхней части шкафа СУ, также расположение подающего вентилятора в средней части корпуса снижает эффективность системы охлаждения и требует повышения мощности вентилятора, связанное с разделение потока охлаждающего воздуха.
Из документа (3) известно техническое решение, приятое за ближайший аналог. Шкаф станции управления погружными электронасосами, представляет собой металлический корпус с герметично закрывающимися дверью и дверцей, имеющими замки. Содержит строповочные петли, силовой разъем с механизмом блокировки, рукоятку рубильника механической блокировки двери, элементы заземления, скобы для крепления кабеля, опоры-стойки, устройство управления и индикации, имеющее панель управления и индикации, силовую и коммутационную аппаратуру, блок ввода-вывода кабелей коробчатой формы с кабельными люками. Корпус содержит вентиляционные отверстия, защищенные коробчатыми кожухами, опоры-стойки соединены по периметру, верхняя панель корпуса выполнена наклонной с нависанием, блок ввода-вывода кабелей пространственно объединен с корпусом. Устройство управления и индикации установлено с внутренней стороны двери, панель управления и индикации расположена на выступе двери за герметично закрывающейся дверцей, которая откидывается и фиксируется в горизонтальной плоскости. Места примыкания корпуса к двери, дверце и дверке снабжены желобами для стока воды, расположенными по периметру проема, заходная часть замков двери, дверцы и дверки выполнена в виде канала, расположенного в двух плоскостях, причем размеры каналов замков двери и дверки идентичны, а дверцы - отличны от них.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести расположение отсека подключений в верхней части шкафа СУ, также выполнение шкафа рамной конструкции существенно увеличивает металлоемкость конструкции и себестоимость устройства.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, решение является создание станции частотного управления электродвигателем с повышенной функциональностью и эффективностью, а также оптимизированной по габаритным показателям, повышенной технологичностью изготовления, сниженной металлоемкостью.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении технологичности конструкции станции частотного управления электродвигателем.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что корпус СУ преимущественно выполнен из листов металла соединенных в стык, при этом стыкуемые торцы – загнуты, образуя ребра жесткости. Передняя панель содержит, по меньшей мере, одну дверь обеспечения доступа к элементам системы управления, включающей блок питания с контроллерами верхнего и нижнего уровней, наземному блоку системы телеметрии, элементам систем обогрева/вентиляции, а также к силовому блоку. Силовой блок включает конденсаторы с диодно-транзисторным устройством ЗПТ и биполярные транзисторы IGBT, причем дроссель ЗПТ установлен внутрь воздуховода СУ, устроенного в стенке, за которой размещен отсек силовых подключений, доступ к которому обеспечен с обратной стороны СУ. В нижней части корпуса установлены реакторы синусного фильтра, конденсаторы которого вынесены в отсек подключений.
СУ содержит трансформатор напряжения собственных нужд, выполненный с возможностью питания внутреннего оборудования станции от напряжения 220 В, при наличии изолированного нейтрального кабеля.
Место под установку наземного блока системы телеметрии оснащено унифицированными элементами крепления под установку блоков различных типоразмеров.
В отсеке подключений установлен нагнетающий вентилятор системы вентиляции, при этом отсек содержащий силовой блок – оснащен, по меньшей мере, одним рециркуляционным вентилятором.
Согласно предпочтительному варианту реализации полезной модели на каждую фазу входящего напряжения установлены, по меньшей мере, два биполярных транзистора IGBT. Также по выходу вводных автоматов установлены ограничители перенапряжения. Указанные вводные автоматы оснащены поворотным включателем, вынесенным на лицевую панель СУ.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – общий вид станции частотного управления электродвигателем;
фиг.2 – станция частотного управления электродвигателем, вид спереди;
фиг.3 – станция частотного управления электродвигателем, вид сзади;
фиг.4 – станция  частотного управления электродвигателем, в разрезе;
Изложенное в описании и отображенное на чертежах техническое решение является одним из возможных вариантов реализации заявляемой полезной модели, согласно которому станция частотного управления (СУ) электродвигателем состоит из корпуса 1 шкафного исполнения установленного на рамном основании 2, с предусмотренным петлями 3 для монтажа/демонтажа и отбойниками 4, защищающими корпус станции от повреждений при транспортировке.
Корпус СУ преимущественно выполнен из листов металла соединенных в стык, при этом стыкуемые торцы – загнуты, образуя ребра 5 жесткости (показаны на фиг.4).
Корпус СУ разделен на отсек подключений 6, и отсек 7 силового электрооборудования и элементы системы управления СУ. Каждый из отсеков закрыт, по меньшей мере, одной дверью, в частности дверями передней лицевой панели 8 и дверями 9 отсека подключений. Также внутри отсеков может быть установлено защитное стекло (на изображениях не показано), обеспечивающее дополнительную защиту от поражения током обслуживающего персонала.
Передняя панель содержит, по меньшей мере, одну дверь 8. В двери установлен микропроцессорный контроллер 10 верхнего уровня с возможностью доступа через открываемую панель 11 в верхней части двери, который связан с блоком питания и контроллерами нижнего уровня формируя систему интеллектуального управления, также за указанной панелью установлен поворотный включатель 12 вводных автоматов, что позволяет убрать из конструкции выносные рычаги и другие подобные устройства со сложной механической передачей. По выходу вводных автоматов установлены ограничители перенапряжения, обеспечивающие защиту от удара молнии.
Через дверь 8 также обеспечивается доступ к наземному блоку системы телеметрии, место под установку которого, оснащено унифицированными элементами крепления позволяющими, применять блоки  различных типоразмеров.
Также указанный отсек 7 содержит элементы систем обогрева/вентиляции, в частности термоэлектрический нагреватель 13 и рециркуляционный вентилятор 14, обеспечивающий эффективную циркуляцию воздуха внутри замкнутого контура. Отсек 7 может быть оснащен термоэлектрическим устройством осушения воздуха при эксплуатации в условиях повышенной влажности (на изображениях не показано).
Согласно одному из возможных вариантов реализации, устройство содержит трансформатор 15 напряжения собственных нужд, выполненный с возможностью питания внутреннего оборудования станции от напряжения 220В, данное решение используется при наличии изолированного нейтрального кабеля. В случае с заземленной нейтралью питающее напряжения для внутреннего оборудования, может браться из общественной сети.
Основное пространство в отсеке 7 занимают элементы силового блока, в частности, конденсаторы 16 с диодно-транзисторным устройством ЗПТ и биполярные транзисторы IGBT 17, по два на каждую фазу входящего напряжения. Дроссель 18 ЗПТ установлен внутрь воздуховода 19 СУ, что позволяет компактно разместить элементы силовой части устройства внутри корпуса и повысить эффективность системы охлаждения. Воздуховод 19 устроен в стенке, за которой размещен отсек 6 силовых подключений, доступ к которому обеспечен с обратной стороны СУ.
Отсек подключений 6 закрыт дверью с датчиками контроля открывания и предусмотренным вентиляционными отверстиями, защищенными от попадания воды, песка и пыли посредством защитной решетки и кожуха 20. Отсек 6 одержит нагнетающий вентилятор 21 системы вентиляции, планки 22, 23 с входными 24 и выходными 25 клеммами подключений, разнесенными по высоте. Подвод проводов осуществляется снизу с фиксацией посредством зажимов 26, через герметические вводы 27 либо щеточный фильтр в зависимости от регламентированной степени защиты оболочки от влаги. Также отсек подключений содержит конденсаторы 28 синусного фильтра, реакторы 29 которого установлены в нижней части корпуса повышая, таким образом, устойчивость СУ, с возможностью продува набегающим потоком охлаждающего воздуха.
На боковые стенки шкафа СУ вынесен отсек 30 внешних подключений и отсек 31 для установки счетчика электричества. Оба отсека закрыты герметичными дверцами.
Конструктивное выполнение, а также применяемые электротехнические компоненты и алгоритмы интеллектуальной системы управления позволяют осуществлять управление всеми типами электродвигателей номинальной мощностью до 550 кВт.
По меньшей мере, в одном из возможных вариантов реализации полезной модели станция управления погружным электродвигателем (ПЭД) выполняет следующие функции, реализованные посредством применения интеллектуальной системы управления основанной на программируемом микропроцессорном контроллере верхнего уровня:
включение и отключение электродвигателя;
работу погружного электродвигателя (ПЭД) в режимах «Ручной» (без возможности автоматического повторного включения ПЭД после срабатывания защит), «Автоматический» с возможностью автоматического повторного включения ПЭД и «Автоматический» по задаваемой временной программе;
торможение двигателя при наличии турбинного вращения с последующим запуском;
режим оптимизации по току при достижении заданной частоты вращения двигателя;
работу по задаваемой временной программе с отдельно программируемыми временами включенного и отключенного состояния ПЭД;
ручное управление частотой вращения двигателя от контроллера УМКА-03 и дистанционное с диспетчерского пульта управления;
автоматическое изменение выходной частоты по задаваемой временной программе;
плавный разгон и торможение ПЭД с заданным темпом;
реверсирование электродвигателя;
автоматическое включение электродвигателя с регулируемой выдержкой времени при подаче напряжения питания;
автоматическое поддержание заданного значения технологических параметров (давления, тока);
режимы пуска электродвигателя: с раскачкой, толчковый (могут быть использованы для расклинивания погружной насосной установки), плавный с синхронизацией. Расклинивание происходит с обеспечением максимального момента двигателя на низкой частоте вращения;
непрерывный контроль сопротивления изоляции системы «Кабель-ПЭД» (погружной электродвигатель) с отключением ПЭД при его недопустимом снижении сопротивления изоляции;
измерение и отображение на встроенном жидкокристаллическом индикаторе текущих параметров электропривода и погружной установки;
возможность дистанционного управления электродвигателем, контроля параметров, просмотра и изменения параметров срабатывания защит через систему телеметрии по интерфейсу RS485 либо систему удаленного мониторинга с интеллектуальным управлением технологическим процессом;
запись информации о причинах включений и отключений ПЭД, а также запись текущих параметров при работе во встроенную энергонезависимую память контроллера верхнего уровня;
регистрацию изменения эксплуатационных параметров с отображением в журнале событий и фиксацией с указанием даты и времени изменения параметра;
наружную световую сигнализацию о состоянии установки (работа, ожидание, останов);
возможность управления электродвигателем от погружного устройства (датчика);
возможность вывода информации об открытии дверей станции управления по системе телеметрии на диспетчерский пункт;
измерение потребляемой электроэнергии;
непрерывный контроль наличия трех фаз напряжения электропитания, отключение или запрет включения ПЭД при отсутствии одной из фаз.
Реализация заявляемого технического решения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая уменьшение габаритов СУ за счет компактного расположения компонентов, снижение металлоемкости конструкции и повышение технологичности ее производства, посредством применения бескаркасной технологии изготовления шкафа СУ, а также в расширении функциональности и повышении эффективности управления электродвигателями в широком частотном диапазоне, 1.5-200 Гц, посредством применения интеллектуальной системы управления основанной на программируемом микропроцессорном контроллере.