СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПУСКОМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОГРУЖНОГО НАСОСА
METHOD OF CONTROLLING START-UP OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR OF SUBMERSIBLE PUMP

Изобретение относится к управлению асинхронными электродвигателями погружных насосов для нефтедобычи.
В настоящее время широко применяется способ управления частотой вращения ротором трехфазных асинхронных электродвигателей погружных насосов с использованием низковольтных частотных преобразователей, которые через повышающий трансформатор управляют частотой вращения ротора электродвигателя (Станции управления Электон-05 ПЧ-ТТПТ-ХХ-380-50-1УХЛ1, Руководство по эксплуатации ЦТКД 065 РЭ, Версия 9.16, ЗАТО г. Радужный, Владимирской области. 2007).
Недостатком вышеописанного способа является невозможность управления электродвигателем при отказе частотного преобразователя и невозможность запуска электродвигателя с использованием частотного преобразователя при заклинивании ротора электродвигателя. Известно, что одними из основных причин отказов (67%) погружных насосов на месторождениях Западной Сибири являются солеотложение и засорение рабочих органов механическими примесями. При этом происходит увеличение момента нагрузки на валу погружного насоса вплоть до его полного заклинивания. В технологических регламентах нефтяных компаний предусматриваются не более трех расклинивающих пусков (Ведерников В.А., Лысова О.А., Лопатин P.P. «Исследование и анализ процесса «расклинивания» погружных насосов установок добычи нефти» Вестник кибернетики, 2010). В случае неразворота вала погружных насосов выполняются дорогостоящие спускоподъемные операции по замене погружного оборудования.
Устранению вышеуказанных недостатков предназначен способ управления трехфазным асинхронным электродвигателем погружного насоса, взятый за аналог и приведенный в патенте РФ №2308144 «Способ управления трехфазным асинхронным электродвигателем погружного насоса и система управления электродвигателем погружных насосов». В нормальном режиме работы система управления электродвигателем погружного насоса обеспечивает управление электродвигателем с использованием частотного преобразователя. При возникновении аварийного режима, например при отказе частотного преобразователя или заклинивании ротора электродвигателя, при помощи переключателя режима управления задают режим прямого пуска от электрической сети. В этом режиме передача электроэнергии на электродвигатель происходит, минуя частотный преобразователь (трехфазная электрическая сеть, повышающий трансформатор напряжения, трехфазный асинхронный электродвигатель). При таком способе управления пуском возникающие в статорной цепи свободные составляющие тока приводят к возникновению значительных более чем 10-кратных бросков тока, знакопеременным ударным моментам, которые не способствуют расклиниванию ротора, но могут привести к выходу из строя электродвигателя и тем самым снижению надежности погружных насосов. Применение повышающего трансформатора, выходного синусоидального фильтра приводит к увеличенным массогабаритным показателям и снижению КПД всей системы управления более 8% (Павленко В., Климов В., Климов И. «Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности», Силовая электроника 2010. №3), и тем самым к снижению энергетической эффективности. Для улучшения переходных процессов и уменьшения потерь электродвигателя рекомендуют (Федотов А.В., Хомченко В.Г., Жильцов В.В., Компанейц А.Н., Скабкин Н.Г. «Моделирование привода погружного насоса интеллектуальной скважины» Омск, Издательство ОмГТУ, 2012) перенос повышающего трансформатора на вход частотного преобразователя. Применение многоуровневых инверторов напряжения, так как в этом случае отпадает необходимость в выходном синусоидальном фильтре, в качестве высоковольтного частотного преобразователя с непосредственным подключением к нему электродвигателя позволяет повысить КПД системы управления. Однако ввиду низкой перегрузочной способности частотных преобразователей не удается решить вопрос расклинивания ротора электродвигателя.
В настоящее время ЗАО «ЧЭАЗ» (http://www.cheaz.ru) поставляет комплектные трансформаторные подстанции серии БМ КТП ПН для погружных насосов, которые предназначены для приема электрической энергии трехфазного напряжения 6 кВ, ее преобразования и питания, управления и защиты погружных электродвигателей мощностью до 500 кВт. БМ КТП ПН состоит в основном из ячейки высоковольтного ввода, трансформатора ТМПНГ-1000/6 и устройства плавного пуска высоковольтных электродвигателей УППВЭ1 ПН. Трехфазные масляные трансформаторы ТМПНГ служат для преобразования электрической энергии сетевого напряжения в необходимое выходное напряжение для электродвигателя погружного насоса путем ступенчатого регулирования, которое через трансформаторы тока ТА1 подается на вход УППВЭ1 ПН, схема которого приведена на фиг. 1.
Устройство плавного пуска погружного насоса УППВЭ1 ПН предназначено для обеспечения плавного, безударного пуска высоковольтного электродвигателя погружного насоса. В шкафу Е1 для УППВЭ1 ПН размещены вводной высоковольтный вакуумный контактор QF1, шунтирующий высоковольтный вакуумный контактор К1, три блока силовых модулей БСМ, состоящих из нескольких последовательно соединенных против параллельно соединенных пар тиристоров, трансформатор напряжения Т1 и контроллер станции управления с встроенным пультом управления. Плавный пуск электродвигателя M1 достигается формированием заданного темпа нарастания напряжения на двигателе от нуля до номинального значения. Регулирование напряжения на двигателе обеспечивается путем фазового управления тиристорами устройства плавного пуска по заданной токовой диаграмме. Пуск электродвигателя до номинальной скорости осуществляется контроллером станции управления. По окончании пуска электродвигателя до номинальной скорости контроллер станции управления выдает команду на включение шунтирующего высоковольтного вакуумного контактора К1 и двигатель M1 напрямую подключается к сетевому трансформатору. Устройства плавного пуска УППВЭ1 ПН позволяют ограничить пусковые токи электродвигателя, существенно снижать ударные механические нагрузки на подшипники электродвигателя и насосные установки. Непосредственное подключение электродвигателя к сетевому трансформатору позволяет значительно повысить КПД системы управления.
Фазовое управление тиристорами устройства плавного пуска приводит к увеличению высших гармонических составляющих тока, протекающих в статорной обмотке электродвигателя. Высшие гармонические составляющие тока и магнитного потока приводят к появлению вращающих и тормозящих моментов от взаимодействия токов и потоков одного порядка, а также колебательных моментов (Вольдек А.И. Электрические машины, 1978) от взаимодействия между собой гармонических разных порядков. Направления вращения магнитных полей, созданных высшими гармоническими тока, различны, что приводят к уменьшению величины пускового момента и снижению надежности расклинивания ротора электродвигателя, а высшие гармонические составляющие тока ухудшают энергетическую эффективность всей системы во время пуска.
Техническая сущность предлагаемого способа заключается в повышении надежности и энергетической эффективности систем управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса.
В предлагаемом способе управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса первоначально подают команду на включение блоков силового модуля двух фаз в амплитуде линейного напряжения, после чего подают команду на включение третьего блока силового модуля в амплитуде фазного напряжения и на включение вакуумного высоковольтного шунтирующего контактора.
Применение такого способа управления пуском асинхронных электродвигателей погружных насосов обеспечивает отсутствие свободных составляющих тока в статорных обмотках электродвигателя и тем самым отсутствие значительных колебаний моментов. Поскольку блоки силового модуля находятся под 5-кратным током не более 50 мс, а остальное время они зашунтированы, то массогабаритные показатели БСМ будут тоже незначительными. При таком способе управления отпадает необходимость в блоке силового модуля в одной фазе, в этом случае стоимость и габариты устройства будут в 1.5 раза дешевле и меньше.
Отношение пускового момента к номинальному моменту погружных электродвигателей составляет значительную величину. Электродвигатели типа ЭДТ-80-103М1 ОАО «АЛНАС» при 5-кратном токе развивают 3-кратный пусковой момент. Использование предложенного способа управления пуском асинхронных электродвигателей погружных насосов позволяет расклинивать ротор электродвигателя. Трансформатор типа ТМПНГ, входящий в состав БМ КТП ПН, позволяет регулировать выходное напряжение и необходимый пусковой момент электродвигателя погружного насоса.
Ограниченный объем пространства внутри обсадных колонн промысловых скважин требует свои отличительные особенности к конструкции погружных электродвигателей, чем по отношению к электродвигателям общепромышленного исполнения. Погружные двигатели имеют «большое» отношение своей длины к диаметру. «Малые» диаметральные габариты приводят к тому, что погружные двигатели имеют относительно меньший объем стали, меньшее количество зубцов статора и ротора. Все это приводит к тому, что погружные электродвигатели имеют более высокий уровень насыщения стали, заметное наличие зубцовых гармоник и трудно поддаются математическому моделированию.
На фигурах 2 и 3 приведены осциллограммы пуска асинхронного электродвигателя общепромышленного исполнения типа 4A160S4Y3, которые получены путем моделирования с учетом активного сопротивления погружного кабеля равной по величине 0,3 Ом. Осциллограммы пуска асинхронного электродвигателя на фиг. 3 получены при увеличении сетевого напряжения на 15% от сетевого напряжения, взятого при моделировании осциллограмм, приведенных на фиг. 2. При увеличении сетевого напряжения на 15% пусковой момент увеличивается в 1.3 раза, время пуска уменьшается в 1.3 раза.
Использование предложенного способа позволяет регулировать пусковой момент погружных электродвигателей, при 4.6-кратном токе достигается 3-кратный пусковой момент, что повышает надежность пуска и расклинивания ротора погружного электродвигателя.
Применение предложенного способа позволяет исключить влияние высших гармонических составляющих тока, связанных с ними тормозных моментов и электрических потерь как в электродвигателе, так и в сети во время пуска, и тем самым повысить энергетическую эффективность системы управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса.