СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОГРУЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ И СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Область техники, к которой относится группа полезных моделей
Группа полезных моделей относится к области электротехники, в частности, к системам электропривода погружных насосных установок, используемых при нефтедобыче, и к станциям управления такими установками.
Уровень техники
Из уровня техники известны системы электропривода погружных насосных установок, используемых при нефтедобыче, включающие погружной асинхронный электродвигатель, подключенный к источнику переменного тока через последовательно соединенные станцию управления, повышающий трансформатор и кабельную линию (А.А.Богданов "Погружные центробежные насосы для добычи нефти", Москва, изд. "Недра", 1968, стр.226-243, рис.169, 172, 173, 174).
Недостатком данных систем электропривода является то, что при их использовании сложно создать погружную насосную установку, режим работы которой мог бы подстраиваться под возможности конкретной скважины. В асинхронном электродвигателе скорость вращения вала всегда меньше частоты питания на величину скольжения, которая в свою очередь зависит от тока нагрузки, а следовательно по частоте питания нельзя однозначно судить о скорости вращения электродвигателя. В асинхронном электродвигателе момент и cosφ имеют ярко выраженный нелинейный характер, поэтому для определения нагрузки и мощности на валу требуется создание математических моделей, в которых возможный разброс длины кабеля и передаточного отношения трансформатора может привести к значительной погрешности. Управление электродвигателем в таких системах осуществляется от источника напряжения на базе электролитических конденсаторов, а необходимый закон управления напряжением на электродвигателе обеспечивается инвертором с широтно-импульсной модуляцией силовыми ключами, поэтому такая система требует установки фильтров во входных и выходных цепях станции управления.
Наиболее близким аналогом заявленной системы электропривода и станции управления электроприводом является система электропривода погружной насосной установки включающая погружной вентильный электродвигатель, подключенный к источнику переменного тока через последовательно соединенные согласующий трансформатор, выпрямитель,
сглаживающий фильтр, транзисторный защитный ключ, инвертор с широтно-импульсной модуляцией, повышающий трансформатор и кабельную линию. При этом станции управления электроприводом включает в себя последовательно соединенные блок ввода с коммутационной арматурой и согласующим трансформатором, выпрямитель, сглаживающий фильтр, транзисторный защитный ключ и инвертор (см. патент RU 367750 U1 кл. Н 02 М 5/12 публ. 20.03.2004).
Недостатком этой системы электропривода является то, что, несмотря на использование вентильного электродвигателя, управление электродвигателем осуществляется как и у асинхронных электродвигателе при помощи источника напряжения,  а  необходимый  закон  управления  электродвигателем обеспечивается инвертором с широтно-импульсной модуляцией силовыми ключами и эта   система тоже требует использования дополнительных элементов  (согласующего  трансформатора,  сглаживающего  фильтра, защитного ключа) в цепях станции управления.
Задача, на решение которой направлены предлагаемые полезные модели, заключается в создании системы электропривода погружных насосных установок, используемых при нефтедобыче, которая бы обладала регулировочными   характеристиками,   обеспечивающими   управление погружной насосной установкой с адаптацией режима ее работы к реальным возможностям пласта.
Сущность полезных моделей
Технический результат, достигаемый системой электропривода, заключается в получении оптимальных регулировочных характеристик этой системы, а технический результат, достигаемый станцией управления, заключается в упрощении ее конструкции.
Указанные технические результаты достигается за счет того, что система электропривода погружной насосной установки включающая погружной вентильный электродвигатель, подключенный к источнику переменного тока через последовательно соединенные выпрямитель, инвертор, повышающий трансформатор и кабельную линию,  снабжена установленным между выпрямителем и инвертором управляемым по скорости вращения электродвигателя импульсным стабилизатором постоянного тока с индуктивным фильтром, а станция управления электроприводом включающая последовательно соединенные блок ввода с коммутационной арматурой, выпрямитель и инвертор снабжена установленным между выпрямителем и инвертором    управляемым по скорости вращения электродвигателя импульсным стабилизатором постоянного тока с индуктивным фильтром.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
На   рисунке   представлена   принципиальная   схема   системы электропривода и диаграммы тока в различных ее частях.
Системы электропривода погружной насосной установки состоит из погружного вентильного электродвигателя 6, который подключен к источнику
переменного тока (на схеме не показан) через последовательно соединенные полупроводниковый выпрямитель 1, управляемый по скорости вращения электродвигателя импульсный стабилизатор постоянного тока 2 с индуктивным фильтром, инвертор 3, повышающий трансформатор 4 и кабельную линию 5. Станция управления электроприводом 7 включает в себя последовательно соединенные блок ввода с коммутационной арматурой (на схеме не показан), полупроводниковый выпрямитель 1, управляемый по скорости вращения электродвигателя импульсный стабилизатор постоянного тока 2 с индуктивным фильтром и инвертор 3.
Как видно из приведенных на рисунке диаграмм, основанных на реальных осциллограммах, токи в заявляемой системе электропривода постоянны по амплитуде, как и в коллекторной машине постоянного тока, чем и обусловлены ее преимущества. Поскольку во входной и выходной цепи управления протекают токи постоянные по амплитуде не требуется установка дополнительных фильтров, а питание электродвигателя постоянным по амплитуде током обеспечивает получение наилучших регулировочных характеристик системы.
Экспериментально установлено, что частота питания электродвигателя и скорость вращения вала совпадают во всем диапазоне нагрузок поэтому, замеряя частоту переключения фаз, можно однозначно определить скорость вращения вала электродвигателя.
В вентильном электродвигателе величина момента (Мдв) определяется известным уравнением:
Мдв=К*Фдв*Iдв
где: К - коэффициент пропорциональности;
Фдв - поток, создаваемый магнитами;
Iдв - ток якоря.
Из этого уравнения следует, что момент на валу электродвигателя пропорционален току (Iдв). Экспериментальное определение момента на валу электродвигателя при изменении тока (от тока холостого хода - 2,4 А до номинального тока - 25 А), показало, что поток (Фдв) практически не зависит от реакции тока якоря (Iдв) и момент имеет линейную зависимость от тока. Величина тока может быть зафиксирована станцией управления с точностью 0,1 А, а следовательно момент может быть зарегистрирован с погрешностью не превышающей 0,4%.
Экспериментальное определение зависимости мощности и cosφ от тока нагрузки у заявляемой системы электропривода показало, что cosφ у близок к 1 и на характеристику мощности практически не влияет. Мощность двигателя, пропорциональная произведению момента и скорости вала двигателя, имеет тот же характер зависимости от тока нагрузки, что и момент. Поскольку момент имеет линейную зависимость от тока, то и величина мощности на валу электродвигателя имеет линейную зависимости от тока и может быть точно определена по току нагрузки и скорости вращения вала электродвигателя.
Испытания погружных установок с центробежными и винтовыми насосами, оснащенных заявляемой системой электропривода и анализ их работы показал, что наличие трансформатора и кабельной линии не приводит к искажению формы тока электродвигателя и позволяет по величине тока и скорости довольно точно определить момент и мощность на валу двигателя, а следовательно и мощность на валу насоса.
Изменение мощности на валу насоса является первой реакцией системы на изменение характеристики пласт-насос, а следовательно изменение тока и мощности на валу электродвигателя, служит самым первым сигналом об изменении условий работы пласта. Задача адаптации погружной насосной установки к новым условиям работы пласта может быть решена за счет изменения частоты вращения электродвигателя или за счет изменения времени включения и отключения установки. Возможность плавного изменения частоты вращения и разгона вентильного электродвигателя и неограниченные возможности полупроводниковых ключей по количеству пусков и остановов электродвигателя, позволяют с помощью станции управления подобрать режим, который обеспечивает максимальный отбор пластовой жидкости, исходя из реальных возможностей пласта.