СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ОТ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ СОИЗМЕРИМОЙ МОЩНОСТИ
METHOD FOR AUTOMATIC START-UP AND BRAKING OF ELECTRIC DRIVES OF INDEPENDENT ELECTRIC POWER SOURCE OF COMPARABLE POWER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, и может быть использовано для динамического торможения трехфазного асинхронного электродвигателя, а также для его дальнейшего пуска от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности.
Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее. В настоящее время известно, что применение систем с автономным источником электроэнергии, как правило, имеет сильные ограничения по мощности источника питания, по нагрузке в период пуска и восстановления после пуска и по тормозному моменту. Можно сказать, что большинство приемников в промышленности и быту имеют единичную мощность до 10 кВт и являются асинхронными приводами. Такие приводы построены на основе трехфазных асинхронных электродвигателей (АД) с короткозамкнутым ротором (АД с КЗ ротором).
Известен способ торможения короткозамкнутого асинхронного электродвигателя в аварийных ситуациях (патент РФ №2089037, кл. Н02Р 3/24), при котором при аварии отключают упомянутый электродвигатель от основного источника питания, подключенного к электродвигателю через преобразователь частоты, и одновременно подключают электродвигатель к независимому источнику питания, осуществляя его торможение, измеряют скорость вращения электродвигателя, дополнительно измеряют фазовый ток по меньшей мере в одной из фаз указанного электродвигателя, сравнивают скорость вращения с номинальным скольжением, а фазовый ток сравнивают с номинальным фазовым током намагничивания электродвигателя, аварийный сигнал подают в момент, когда скорость вращения превышает номинальное скольжение и измеренный фазовый ток меньше номинального фазового тока, а торможение короткозамкнутого асинхронного двигателя осуществляют постоянным током, формируемым в независимом источнике питания.
Устройство для торможения короткозамкнутого асинхронного электродвигателя содержит основной источник питания, подключенный к электродвигателю через преобразователь частоты и один из переключателей, независимый источник питания, подключенный к упомянутому электродвигателю через второй переключатель, измеритель скорости вращения асинхронного электродвигателя, формирователь аварийного сигнала, выходом подключенный к управляющим входам указанных переключателей, два блока сравнения, первый вход одного из которых соединен с выходом измерителя скорости, дополнительно введен измеритель тока по меньшей мере одной из фаз короткозамкнутого асинхронного электродвигателя, выходом подключенный к первому входу другого блока сравнения, вторые входы блоков сравнения подключены соответственно к задатчикам номинального скольжения и номинального тока намагничивания электродвигателя, выходы блоков сравнения соединены с входами формирователя аварийного сигнала, а независимый источник выполнен в виде источника постоянного тока.
Недостатком известного способа является низкая точность и низкая эффективность торможения, ограниченность применения устройства, так как оно применимо только для преобразователей частоты и аварийных ситуаций, в том числе без возможности запуска подключенного электродвигателя.
Наиболее близким по сущности является способ торможения электродвигателя переменного тока (патент РФ №2440663, кл. Н02Р 3/24), позволяющий повысить эффективность торможения и увеличить коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя в режиме торможения, при котором в обмотку статора электродвигателя дополнительно подают ток, наводимый электродвижущей силой (ЭДС) вращения ротора, величина которого (тока) контролируется датчиками тока и регулируется изменением угла проводимости дополнительных полупроводниковых элементов. Повышение КПД двигателя в режиме торможения достигается за счет использования электромагнитной энергии ротора в период торможения, причем подачу дополнительной энергии ротора осуществляют в момент равенства нулю однополупериодного выпрямленного тока, подаваемого в статорную обмотку из питающей сети. Согласно предлагаемому способу торможения в обесточенные обмотки статора подают вначале однополупериодный выпрямленный ток от питающей сети и в момент прохождения этого тока через нуль подают однополупериодный выпрямленный ток, наведенный от ЭДС вращения ротора, через дополнительный управляемый полупроводниковый элемент и сопротивление. Суммарный однополупериодный выпрямленный ток создает момент торможения, при этом величина тока, наведенного в статоре от ЭДС вращения ротора контролируется датчиками тока и регулируется изменением угла управления полупроводниковых элементов.
Недостатком всех вышеупомянутых способов является их ограниченность и применимость только в период динамического торможения двигателя переменного тока, однако известно, что в нефтегазодобывающей промышленности некоторые виды установок и их электродвигатели работают с резкопеременной нагрузкой, например станок-качалка (СК), осуществляющая подъем жидкости с 1000-2000 м глубины.
Также наиболее близким по сущности является устройство для пуска трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя от автономного источника соизмеримой мощности (патент РФ №2222094, кл. Н02Р 1/00), содержащее магнитный пускатель, через силовые контакты которого трехфазный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель подключен к автономному источнику энергии соизмеримой мощности. К первому выводу катушки магнитного пускателя подключены первые выводы катушки второго магнитного пускателя и катушки реле времени. Их вторые выводы соединены между собой и через замыкающий контакт токового реле и размыкающий контакт реле времени подключены к точке соединения кнопки "Пуск" и замыкающего блокировочного контакта второго магнитного пускателя. Первичная обмотка трансформатора тока включена в рассечку одной из фаз подключения электродвигателя к сети, а к его вторичной обмотке подключена катушка токового реле. Между силовыми контактами магнитного пускателя и выводами "а", "b", "с" электродвигателя через силовые контакты второго магнитного пускателя включен блок пусковых конденсаторов. Наличие блоков пусковых конденсаторов позволит при пуске обеспечить электродвигатель реактивной энергией для пуска от блоков, разгружая автономный источник электроэнергии. После разгона электродвигателя до заданной скорости токовое реле размыкает контакт в цепи катушек магнитного пускателя, что приводит к отключению блока конденсаторов от электродвигателя.
Также известна система пуска трехфазного АД с контактными кольцами в функции тока (Москаленко В.В. Электрический привод, Академия, 2000, с. 106-109), в котором при включении электродвигателя в сеть по статору протекает пусковой ток, величина которого ограничивается с помощью пускового реостата, включенного в цепь ротора через контактные кольца. В этом случае кратность тока включаемого электродвигателя и источника питания может быть значительно выше мощностей запуска.
Явным недостатком указанных схем являются следующие признаки: отсутствие возможности управляемого торможения с накоплением энергии в переходных и динамических режимах, что приводит к низкой эффективности известных способов в целом, нерациональные потери мощности в генераторном режиме трехфазного электродвигателя переменного тока, завышенная мощность приводного двигателя, например двигателя внутреннего сгорания - ДВС, значительные массогабаритные показатели источника питания, в электроприводе технологического процесса может быть использован только АД с контактными кольцами, что приводит к значительным потерям энергии в пусковом реостате. Отмеченные недостатки ограничивают область применения системы пуска и торможения и тип используемых в электроприводах электродвигателей.
Основной задачей изобретения является увеличение эффективности торможения электродвигателя переменного тока, повышение КПД всей системы за счет использования оставшейся энергии электродвигателя как в период торможения, так и в период пуска.
Улучшение пусковых и тормозных качеств и характеристик асинхронного электродвигателя, подключенного к автономному источнику переменного тока соизмеримой мощности возможно при кратковременном введении блоков конденсаторов, что позволит значительно снизить мощность источника питания и, как следствие, приведет к экономии ресурсов приводного двигателя (двигателя внутреннего сгорания) и энергосбережению в процессах пуска и торможения.
Следовательно, поставленная задача решается тем, что в систему с трехфазным АД с КЗ ротором, питающимся от автономного источника соизмеримой мощности, добавляются блоки конденсаторов (возможно включение других типов конденсаторов - ионисторов), подключенных к выводам электродвигателя через силовые контакты магнитного пускателя, при этом возбуждение АД осуществляется с помощью конденсаторов, подключаемых к статору. Определяющим фактором, от которого зависят вид и расположение характеристик АД в двигательном и генераторном квадрантах, а значит, интенсивность пуска и торможения, является емкость «С» включенных блоков конденсаторов.
Способ автоматического пуска и торможения электроприводов от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности заключается в том, что в момент поступления сигнала на устройство радиоинформационного обмена осуществляется подача напряжения на автономный источник соизмеримой мощности и программируемый логический контроллер осуществляет последовательное включение магнитных пускателей и подключает блок В конденсаторной установки и в зависимости от информации, поступающей с беспроводного датчика тока и напряжения, датчика нагрузки на штоке станка-качалки, программируемый логический контроллер осуществляет контроль блока управления конденсаторной установкой, который в свою очередь включает необходимое количество управляемых конденсаторов в цепь питания. В момент времени, когда значения пускового тока статора электродвигателя станут равными 1,4-1,6 от номинального его значения, программируемый логический контроллер осуществляет плавное отключение параллельных блоков управляемых конденсаторов, а затем и магнитного пускателя. Также, при значительных нагрузках, перегрузках, что фиксируется датчиком нагрузки на штоке СК, или снижении напряжения питания, программируемый логический контроллер осуществляет распознавание режимов работы СК, таких как подъем нефтяной эмульсии или спуск штока, распознавание перегрузок, переходных процессов, аварийных ситуаций, наличия повреждений в погружном или наземном оборудовании и на основе параметров и полученных данных осуществляет соответствующее последовательное подключение магнитного пускателя и параллельных блоков управляемых конденсаторов блока В посредством подачи управляющего воздействия на блок управления конденсаторной установкой и обеспечивает подзарядку блоков управляемых конденсаторов с помощью преобразования энергии торможения, в процессе движения штока СК вниз, в электрическую.
Способ автоматического пуска и торможения электроприводов от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена система автоматического пуска и торможения электроприводов от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности.
На фиг. 2 представлена таблица емкостей конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (U=380 В, 750…1500 об/мин).
Система включает: предполагаемая нагрузка - блок А: станок-качалка, состоящий из рамы 1, стойки 2, кривошипов 3, балансира 4, шатунов 5, редуктора 6, электродвигателя 7, противовесов 8, беспроводного датчика тока и напряжения 9, датчика нагрузки на штоке СК 16, блок В - конденсаторная установка, включающая блоки управляемых конденсаторов 10, 11 и 12, магнитные пускатели 13 и 14, блок управления конденсаторной установкой 15, программируемый логический контроллер 17, автономный источник соизмеримой мощности 18, устройство радиоинформационного обмена 19. При этом устройство радиоинформационного обмена 19, беспроводной датчик тока и напряжения 9 имеют положительную обратную связь с программируемым логическим контроллером 17, выход которого также соединен с входом блока управления конденсаторной установкой 15, а вход блока В соединен с выходом блока управления конденсаторной установкой 15.
Способ автоматического пуска и торможения электроприводов от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности осуществляется следующим образом.
При подаче напряжения на автономный источник соизмеримой мощности 18 и подаче сигнала на устройство радиоинформационного обмена 19, поступающего с удаленной станции оператора или мониторингового центра, программируемый логический контроллер 17 осуществляет последовательное включение магнитных пускателей 14, а затем 13, подключая тем самым блок В конденсаторной установки. При этом в зависимости от информации, поступающей с беспроводного датчика тока и напряжения 9, датчика нагрузки на штоке СК 16 и программируемого логического контроллера 17, осуществляется управляющее воздействие на блок управления конденсаторной установкой 15, который в свою очередь включает необходимое количество управляемых конденсаторов 10, 11 и 12 в цепь питания. В момент времени, когда значения пускового тока статора электродвигателя 7 станут равными 1,4-1,6 от номинального значения тока электродвигателя 7, программируемый логический контроллер 17 осуществляет плавное отключение параллельных блоков управляемых конденсаторов 10, 11 и 12, а затем и магнитного пускателя 13.
Однако на этом цикл осуществления способа не заканчивается. Так, в момент подъема жидкости, электродвигатель 7 испытывает значительные нагрузки, возможно снижение напряжения питания и полное отключение электродвигателя 7 в случае малой мощности автономного источника соизмеримой мощности 18, поэтому программируемый логический контроллер 17 осуществляет последовательное подключение магнитного пускателя 13 и параллельных блоков управляемых конденсаторов 10, 11 и 12 блока В посредством подачи управляющего воздействия на блок управления конденсаторной установкой 15. В свою очередь, датчик нагрузки на штоке СК 16 фиксирует состояние и рабочий режим СК, то есть в программируемом логическом контроллере 17 заложена программа, осуществляющая распознавание режимов работы СК, таких как подъем нефтяной эмульсии или спуск штока, распознавание перегрузок, переходных процессов, аварийных ситуаций, наличия повреждений в погружном или наземном оборудовании.
0
Известно, что для обеспечения работы блока В конденсаторной установки необходимо осуществлять предварительную подзарядку блоков управляемых конденсаторов 10, 11 и 12. Как правило, для этого расходуется дополнительная энергия электрической сети, в которую, в данном случае, преобразуется энергия торможения в процессе движения штока СК 16 вниз. Следовательно, благодаря программе распознавания режимов работы СК и датчику нагрузки на штоке СК 16, в системе появляется возможность осуществлять следующий энергосберегающий цикл: при движении штока СК 16 вниз, который движется под весом колонны штанг и приводит отключенный от сети асинхронный электродвигатель 7 во вращение (согласно принципу обратимости электрических машин) при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется электродвижущая сила, при этом программируемый логический контроллер 17 подает управляющее воздействие на магнитный пускатель 13, а также на блок управления конденсаторной установкой 15, который включает все параллельные блоки управляемых конденсаторов 10, 11 и 12 и в обмотках статора начинает протекать опережающий емкостный ток, который является в данном случае намагничивающим. Емкость «С» блока В конденсаторной установки должна превышать некоторое критическое значение С, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора.
Емкость подбирается в соответствии с равенством мощности при работе асинхронного электродвигателя 7 номинальному напряжению и мощности при его работе в генераторном режиме. Для определения реактивной мощности в соответствии с таблицей емкостей конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (фиг. 2) воспользуемся следующей формулой:
2
-6
Q=0,314·U·C·10,
где С - емкость конденсаторов, мкФ;
U - номинальное напряжение.
Согласно приведенным данным на фиг. 2, можно видеть, что в генераторном режиме и при колебаниях нагрузки на валу электродвигателя 7 снижается коэффициент мощности в питающей электросети, что вызывает необходимость увеличения числа включенных блоков управляемых конденсаторов 10, 11 и 12 посредством подачи управляющего воздействия с программируемого логического контроллера 17 на блок управления конденсаторной установкой 15.
Благодаря блоку управляемых конденсаторов 10, 11 и 12 и возможности их отдельного включения-отключения посредством блока управления конденсаторной установкой 15, появляется возможность подключения, при котором блоки управляемых конденсаторов 10, 11 и 12 подключаются раздельно к одной или двум обмоткам электродвигателя 7.
Предлагаемый способ также может быть использован при необходимости обеспечения работоспособности установки в аварийном режиме. При этом варианте включения возможно снижение необходимой рабочей емкости блока управляемых конденсаторов 10, 11 и 12, что позволяет снизить нагрузку на электродвигатель 7 в режиме холостого хода и повысить уровень энергосбережения.
Техническим результатом является то, что данная система позволила снизить соотношение мощности автономного источника трехфазного переменного тока с мощностью запускаемого от него методом прямого пуска трехфазного АД с КЗ ротором до 1,5-2,0 с вытекающими из этого положительными эффектами:
- снижается мощность приводного двигателя и генератора - источника электрической энергии;
- уменьшаются массогабаритные показатели источника питания;
- в электроприводе могут быть использованы трехфазные АД с КЗ ротором;
- исчезает необходимость применять пусковой реостат.
Следовательно, данный способ может быть использован для динамического торможения трехфазного асинхронного электродвигателя, а также для его дальнейшего пуска от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности, обеспечивая при этом компенсацию реактивной мощности, энергосбережение в процессах управления, уменьшение динамической нагрузки, исключение ударных пусковых режимов и простоев оборудования вследствие невозможности запуска.
Таким образом, у предлагаемого способа автоматического пуска и торможения электроприводов от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности есть возможность работать в сфере альтернативной энергетики и возобновляемых источников энергии, которые будут осуществлять питание добывающих удаленных скважин, что снизит затраты, так как не будет необходимости в построении дополнительной инфраструктуры электроснабжения удаленных объектов, таких как скважины станков-качалок, погружные электродвигатели, винтовые насосные установки и цепные приводы и другие объекты нефтегазодобычи.