СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО НАСОСА И ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК F04D15/00 H02P7/46 

Изобретение относится к управлению гидравлическими центробежными погружными насосами и может быть использовано преимущественно в области добычи воды, нефти и иных сред с помощью глубинных и т.п. насосов.

Уровень техники в данной области характеризуется тем, что известен способ регулирования скорости асинхронного двигателя гидравлического насоса и трехфазный преобразователь напряжения, в которых управляют скоростью двигателя с помощью цепей обратной связи [1].

Недостатком известных способа и преобразователя является большая пульсация момента, передаваемого двигателем на насос.

Известен также способ регулирования скорости асинхронного двигателя, при котором формируют выпрямленное напряжение и с помощью инвертора преобразуют его в трехфазное для накачки двигателя, причем частоту и последовательность переключений ключей инвертора задают с помощью стартовых импульсов блока управления, а также осуществляют периодическое шунтирование инвертора с помощью шунтирующего ключа, замыкаемого на заданное время с частотой, кратной частоте на выходе инвертора. Известен трехфазный преобразователь напряжения, содержащий выпрямитель и блок управления, подключенные к управляемому шунтирующему ключу и включенному параллельно последнему инвертору, имеющему диоды и ключи и связанному с обмотками двигателя для его накачки.

Техническими недостатками известных способа и преобразователя являются узость диапазона применения, т.к. они не применены для двигателей с короткозамкнутым ротором, большая пульсация момента, передаваемого двигателем на вал центробежного погружного насоса с соответствующими колебаниями потока перекачиваемой (добываемой) среды, а также низкий cosϕ , существенные помехи (гармоники), вносимые в сеть.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона применения для использования двигателей как с короткозамкнутым, так и с фазным ротором, упрощение логики и уменьшение пульсаций момента, передаваемого двигателем на вал насоса, а также повышение cosϕ до единицы и снижение помех (гармоник), вносимых в сеть.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе регулирования скорости асинхронного двигателя, при котором формируют выпрямленное напряжение и с помощью инвертора преобразуют его в трехфазное для накачки двигателя, причем частоту и последовательность переключений ключей инвертора задают с помощью стартовых импульсов блока управления, а также осуществляют периодическое шунтирование инвертора с помощью шунтирующего ключа. Замыкаемого на заданное время с частотой, кратной частоте на выходе инвертора, по сигналам блока управления, осуществляют фильтрацию напряжения и широтно-импульсную модуляцию накачки двигателя с помощью ключа накачки, включенного в цепь питания инвертора и коммутирующего по сигналам блока управления цепь питания синхронно с ключами инвертора, а шунтирование последнего осуществляют в паузах между включениями ключа накачки, обмотку двигателя при этом одновременно закорачивают диодами инвертора и шунтирующим ключом с обеспечением непрерывности тока, накопленного в индуктивностях этих обмоток. Кроме того, формируют выпрямленное напряжение с помощью неуправляемого выпрямителя, на вход которого подают сетевое напряжение, например, напряжение промысловой сети, формируют отфильтрованное напряжение с помощью фильтра при постоянном напряжении на его емкости, обеспечивают постоянство отношения эффективного линейного напряжения двигателя к частоте напряжения на выходе инвертора путем пропорционального увеличения длительности импульсов накачки, т.е. времени замыкания ключа накачки и частоты переключений ключей.

Сущность изобретения заключается также в том, что трехфазный преобразователь напряжения, содержащий выпрямитель напряжения и блок управления, подключенные к управляемому шунтирующему ключу и к включенному параллельно последнему инвертору, имеющему диоды и ключи и связанному с обмотками двигателя для его накачки, снабжен фильтром напряжения и включенным в цепь питания инвертора управляемым ключом накачки, связанным с блоком управления, а последний выполнен с возможностью формирования сигналов попеременного замыкания ключа накачки и шунтирующего ключа при замыкании и замыкании ключей инвертора соответственно, к выходам которого непосредственно подключены обмотки двигателя. Кроме того, выпрямитель подключен к промышленной сети, например, к промысловой сети, к выходам инвертора непосредственно подключены обмотки статора двигателя, а ротор выполнен короткозамкнутым и кинематически связан с валом гидравлического насоса с обеспечением постоянного передаваемого момента.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема трехфазного преобразователя напряжения; на фиг. 2 - схема преобразования с двигателем и насосом.

Преобразователь содержит выпрямитель 1, подключенный непосредственно к сети, например промысловой сети в районе нефтедобычи, фильтрующий дроссель 2, емкостной фильтр 3 напряжения, трансформатор 4 тока, блок 5 управления, управляемые шунтирующий ключ 6 и ключ 7 накачки, обратный диод 8, автономный инвертор 9, имеющий обратные диоды 10 - 15 и ключи 16 - 21. К выходам инвертора 9 непосредственно подключены обмотки статора двигателя 22, ротор которого выполнен, например, короткозамкнутым. Блок 5 подключен к ключам 6, 7 и выполнен с возможностью формирования сигналов попеременного замыкания ключа 7 накачки и шунтирующего ключа 6 при замыкании и размыкании ключей 16 - 21 инвертора 9 соответственно. Ключ 6 выполнен включенным параллельно инвертору 9. Ротор (не изображен) двигателя 11 кинематически связан с валом 23 гидравлического, например, центробежного насоса 24 (фиг. 2). На фиг. 2 преобразователь, представленный на фиг. 1, изображен как блок-схема 25, с которой связан блок 26 контроля текущих параметров, определяющих расход и давление перекачиваемой среды на выходе насоса 24. Линии управления изображения пунктирно, стрелками указаны управляемые элементы преобразователя.

Способ регулирования скорости асинхронного двигателя гидравлического насоса и работа трехфазного преобразователя напряжения осуществляются следующим образом.

Выпрямленное выпрямителем 1 сетевое напряжение снимается с емкостного фильтра 3 и подается на обмотки двигателя 22 через инвертор 9 и ключ 7. Ключи 16 - 21 инвертора 9 замыкаются по три в последовательности, задаваемой стартовыми импульсами блока 5, тем самым выпрямленное напряжение преобразуется в трехфазное, причем осуществляют широтно-импульсную модуляцию накачки двигателя 22 с помощью ключа 7, коммутирующего по сигналам блока 5 цепь питания синхронно с ключами 16 - 21, и периодическое шунтирование инвертора 9 с помощью ключа 6, замыкаемого на заданное время с частотой, кратной частоте на выходе инвертора 9, по сигналам блокам5 в паузах между включениями ключа 7, т.е. импульсами накачки двигателя 22, обмотки которого при этом одновременно закорачивают диодами 10 - 15 и ключом 6.

Последовательность работы ключей 16 - 21 можно разделить на два цикла:
цикл накачки, во время которого в обмотках двигателя 22 происходят восстановлением амплитуды и поворот вектора магнитной индукции B_m. При этом ключ 7 замкнут, ключ 6 разомкнут, одновременно замкнута какая-либо тройка из ключей 16 - 21,
цикл коммутации инвертора 9, при котором сохраняется без изменения направление токов в обмотках статора двигателя 22, инвертор 9 закорачивается ключом 6, а ключ 7 разомкнут. Токи в обмотке протекают через ту же ройку ключей (16 - 21) инвертора 9, которые были включены в цикле накачки, или обратные диоды 10 - 15, или ключ 6 в зависимости от режима работы двигателя 22.

В конце цикла коммутации ключ 6 размыкается как и ключи инвертора 9, включенные в предыдущем цикле накачки. Преобразователь (фиг. 1) переходит в новый цикл накачки, при котором замыкаются ключ 7 и другие три ключа (из 16 - 21) инвертора 9. Очередность и последовательность замыкания ключей 16 - 21 определяют направлением вращения двигателя 22. За время включения одной тройки ключей (16 - 21) может быть осуществлено несколько циклов накачки-коммутации с обеспечением непрерывности тока, накопленного в индуктивностях обмоток двигателя 22.

Так как выпрямитель 1 неуправляемый и напряжение фильтра 3 постоянно, т. е. U_ф = Const, то время замыкания ключа 7 за один цикл накачки обратно пропорционально частоте циклов накачки и обеспечивается постоянство отношения эффективного линейного напряжения двигателя 22 к частоте D напряжения на выходе инвертор 9 за счет пропорционального увеличения длительности импульсов накачки ( τ накачки), т.е. . Этим обусловлено сохранение магнитных свойств железа двигателя 22 в линейном диапазоне. Поскольку вращающийся вектор магнитной индукции статора B^m создается током I намагничивания двигателя 22, величина которого определяется I намагничивания , где T - период изменения U линейного; ; к - коэффициент пропорциональности, имеет место

где
L_обм. - индуктивность обмоток двигателя 22, следовательно B_m = Const.

Тем самым отсутствие регулировки напряжения на фильтре 3 влечет за собой незначительность гармоник (помех), вносимых в сесть, сохранение cosϕ = 1 и сравнительно небольшую емкость и стоимость фильтра 3, т.к. энергия A, накапливаемая на фильтре 3 составляет
,
где
C_ф - емкость.

При этом выпрямитель 1 выполнен на неуправляемых диодах. В паузах между импульсами накачки передаваемой вращающий момент на вал 23 насоса 24 сохраняется, т. к. в это время обмотки статора двигателя 22 закорочены диодами 10 - 15 и ключом 6, причем ток, накопленный и индуктивностях обмоток статора, не прерывается и продолжает взаимодействовать с током короткозамкнутого ротора.

При скачкообразном изменении нагрузки на валу 23 насоса 24 обеспечивается практически мгновенное изменение вращающегося момента двигателя 22.

Предложенные способы и преобразователь могут применяться для управления двигателями как с фазным, так и с короткозамкнутым ротором. Поскольку парк последних гораздо больше, диапазон использования изобретения значительно шире, чем у известных технических решений.

Проведенные испытания опытных образцов подтвердили достижение указанного технического результата и правильность выбора принципиальной схемы.

Изобретение предназначено для управления скоростью двигателей центробежных гидравлических насосов. В способе регулирвоания скорости асинхронного двигателя формируют выпрямленное и отфильтрованное напряжение и с помощью инвертора преобразуют его в трехфазное для накачки двигателя. Частоту и последовательность переключений ключей инвертора задают с помощью стартовых импульсов блока управления, а также осуществляют периодическое шунтирование инвертора с помощью шунтирующего ключа. Широтно-импульсную модуляцию накачки двигателя осуществляют с помощью ключа накачки, включенного в цепь питания инвертора и коммутирующего по сигналам блока управления цепь питания инвертора синхронно с ключами инвертора, а шунтирование последнего осуществляют в паузах между включениями ключа накачки. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя, при котором формируют выпрямленное напряжение и с помощью инвертора преобразуют его в трехфазное для накачки двигателя, причем частоту и последовательность переключений ключей инвертора задают с помощью стартовых импульсов блока управления, а также осуществляют периодическое шунтирование инвертора с помощью шунтирующего ключа, замыкаемого на заданное время с частотой, кратной частоте на выходе инвертора, по сигналам блока управления, отличающийся тем, что осуществляют фильтрацию напряжения и широтно-импульсную модуляцию накачки двигателя с помощью ключа накачки, включенного в цепь питания инвертора и коммутирующего по сигналам блока управления цепь питания синхронно с ключами инвертора, с шунтированием последнего осуществляют в паузах между включениями ключа накачки, обмотки двигателя при этом одновременно закорачивают диодами инвертора и шунтирующим ключом с обеспечением непрерывности тока, накопленного в индуктивностях этих обмоток. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют выпрямленное напряжение с помощью неуправляемого выпрямителя, на вход которого подают сетевое напряжение, например напряжение промысловой сети. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что формируют отфильтрованное напряжение с помощью фильтра при постоянном напряжении на его емкости. 4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что обеспечивают постоянство отношения эффективного линейного напряжения двигателя к частоте напряжения на выходе инвертора путем пропорционального увеличения длительности импульсов накачки, т.е. времени замыкания ключа накачки и частоты переключений ключей. 5. Трехфазный преобразователь напряжения для регулирования скорости асинхронного двигателя, содержащий выпрямитель напряжения и блок управления, подключенные к управляемому шунтирующему ключу и к включенному параллельно последнему инвертору, имеющему диоды и ключи и связанному с обмотками двигателя для его накачки, отличающийся тем, что он снабжен фильтром напряжения и включенным в цепь питания инвертора управляемым ключом накачки, связанным с блоком управления, а последний выполнен с возможностью формирования сигналов попеременного замыкания ключа накачки и шунтирующего ключа при замыкании и размыкании ключей инвертора соответственно, к выходам которого непосредственно подключены обмотки двигателя. 6. Преобразователь по п.5, отличающийся тем, что выпрямитель подключен к промышленной сети, например к промысловой сети. 7. Преобразователь по п. 5 или 6, отличающийся тем, что к выходам инвертора непосредственно подключены обмотки статора двигателя, а ротор выполнен короткозамкнутым. 8. Преобразователь по одному из пп.5 - 7, отличающийся тем, что ротор двигателя кинематически связан с валом гидравлического насоса с обеспечением постоянного передаваемого момента.