ШКАФ ДЛЯ СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ Российский патент 2004 года по МПК H02B1/56 H05K7/20 

Изобретение относится к несущим конструктивным устройствам и может быть использовано для станций управления электродвигателями погружных электронасосов, применяемых для нефтедобычи. Шкаф предназначен для наружной установки.

Известен шкаф станции управления погружными электронасосами (выпускаемой Харьковским электромеханическим заводом), содержащий высоковольтный отсек, переднюю панель органов управления и индикации, расположенную на основной двери шкафа; малую дверь, открывающую доступ к передней панели органов управления и индикации; нижняя стенка шкафа снабжена кабельными люками [Устройства комплектные серии ШГС 5805 Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИНБЮ.674791.001 ТО, 1985 г.].

Конструкция шкафа не обеспечивает возможность регулирования температурного режима работы силовых элементов.

Наиболее близким техническим решением является шкаф станции управления погружными электронасосами, содержащий корпус в виде вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда, выполненный с возможностью размещения в нем средств управления, индикации и элементов силовой аппаратуры, при этом передняя стенка корпуса выполнена с возможностью доступа к внутренней полости шкафа. Шкаф содержит секцию ввода кабелей с кабельными люками, установленную на задней стенке корпуса в его верхней части. Кроме того, на задней панели корпуса станции размещены: отсек с клеммной колодкой, предназначенной для подключения системы телемеханики и внешних датчиков; отсек для подключения к нулевой точке вторичной обмотки внешнего повышающего трансформатора, выполненные, например, в виде параллелепипеда, в нижней части которого находится кабельный люк, задняя панель совпадает с задней панелью корпуса станции, а передняя выполнена открывающейся и снабжена замком [Описание полезной модели №23912, кл. Е 21 В 43/00, Н 05 К 5/00].

Станции управления погружными электронасосами, содержащие в своем составе частотные преобразователи, предназначенные для управления электронасосами с электродвигателями мощностью свыше 100 кВт, при КПД преобразования, равном 0,97, рассеивают в своем внутреннем объеме свыше 3 кВт тепловой мощности. При этом увеличение мощности, потребляемой электродвигателем, при обеспечении нормальных тепловых режимов работы силовых элементов станции управления вызывает необходимость значительного увеличения габаритов шкафа. Известная конструкция шкафа не обеспечивает интенсивный отвод тепла при нагреве внутреннего объема в результате работы силовой аппаратуры.

Технический результат выражается в расширении функциональных возможностей шкафа за счет обеспечения возможности эффективного теплоотвода из внутреннего объема корпуса шкафа, что позволяет использовать шкаф для производства станций управления с частотным регулированием для электродвигателей погружных электронасосов мощностью свыше 100 кВт.

Указанный технический результат достигается тем, что шкаф для станции управления электродвигателями, содержащий корпус в виде вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда, выполненный с возможностью размещения в нем средств управления, индикации и элементов силовой аппаратуры, при этом передняя стенка корпуса выполнена с возможностью доступа к внутренней полости шкафа, секцию ввода кабелей с кабельными люками, установленную на верхней части задней стенки корпуса, снабжен устройством теплоотвода, содержащим воздуховод, например, прямоугольного сечения, расположенный горизонтально внутри корпуса между его боковыми стенками, по крайней мере, одна из которых имеет окно, предназначенное для выхода охлаждающего воздуха из воздуховода; одна из вертикальных стенок воздуховода содержит радиатор, встроенный в воздуховод поверхностью, содержащей элементы, рассеивающие тепло, а внешняя поверхность радиатора предназначена для размещения элементов силовой аппаратуры, при этом противоположная радиатору стенка воздуховода является частью задней стенки корпуса, на которой расположен отсек с блоком вентиляции, сообщающийся с воздуховодом через отверстие, выполненное в стенке корпуса. При этом воздуховод может содержать на каждой боковой стенке корпуса окна для выхода охлаждающего воздуха. Целесообразно кабельные люки выполнить на нижней стенке секции ввода кабелей, а наружное отверстие отсека с блоком вентиляции и окна воздуховода, предназначенные для прохода воздуха, снабдить защитными сетками. Шкаф может быть снабжен отсеком для подключения к нулевой точке вторичной обмотки внешнего повышающего трансформатора, расположенным на задней стенке корпуса ниже секции ввода кабелей, а также снабжен отсеком для подключения внешних датчиков и средств телемеханики, расположенным на задней стенке корпуса ниже секции ввода кабелей, причем отсеки для подключения могут быть выполнены, например, в виде параллелепипедов, на нижней стенке которых находятся кабельные люки, задние стенки совпадают с задней стенкой корпуса, передние - выполнены открывающимися и снабжены замками, отсеки сообщаются с внутренним объемом корпуса через переходные отверстия. Шкаф может содержать в основании отсек для размещения силового дросселя, закрытый спереди и сзади крышками с перфорацией. В предпочтительном варианте исполнения корпус имеет два отсека: отсек управления, расположенный в верхней части корпуса и содержащий панель для размещения средств управления и индикации, и силовой отсек, размещенный в нижней части корпуса. В других вариантах исполнения корпус содержит два отсека: отсек управления, расположенный в правой части корпуса и содержащий панель для размещения средств управления и индикации, и силовой отсек, размещенный в левой части корпуса; или наоборот: отсек управления, расположенный в левой части корпуса и содержащий панель для размещения средств управления и индикации, и силовой отсек, размещенный в правой части корпуса.

Расширение функциональных возможностей шкафа достигается за счет обеспечения требуемого температурного режима во внутреннем объеме при работе элементов силовой аппаратуры посредством интенсивного отвода тепла. Размещение воздуховода между боковыми стенками шкафа, в которых выполнены окна, являющиеся выходами воздуховода, и размещение отсека с блоком вентиляции на задней стенке корпуса напротив центральной части поверхности радиатора, рассеивающей тепло, и сообщающегося с воздуховодом через отверстие, выполненное в стенке корпуса, обеспечивает максимальную теплоотдачу радиатора за счет турбулентности потоков охлаждающего воздуха при максимальной скорости прохождения воздушного потока. Турбулентность потока обеспечивается расположением вентилятора в непосредственной близости от поверхности радиатора, рассеивающей тепло, а максимальная скорость потока достигается за счет обеспечения минимального сопротивления воздуховода путем разделения воздушного потока на две равные части.

Причем при норме расхода охлаждающего воздуха 300 м³/ч на 1 кВт рассеиваемой мощности исходя из оптимального соотношения "габариты шкафа - рассеиваемая мощность" размеры элементов конструкции воздуховода, отсека для размещения блока вентиляции и радиатора определяются из следующего соотношения:

где А1 - ширина выходного окна воздуховода; А2 - ширина воздуховода; A3 - высота элементов (ребер) радиатора, рассеивающих тепло; А4 - расстояние от выходного отверстия отсека для размещения блока вентиляции до поверхности радиатора.

На Фиг.1 приведена фронтальная проекция шкафа. На Фиг.2 приведена профильная проекция шкафа. На Фиг.3 приведен вид шкафа спереди со снятыми дверьми. На Фиг.4 приведен вид сзади шкафа. На Фиг.5 приведен вид спереди шкафа со снятыми дверьми отсека управления и силового отсека. На Фиг.6 приведен вид сзади шкафа со снятыми дверьми секции ввода кабелей, отсека для подключения к нулевой точке вторичной обмотки повышающего трансформатора, отсека подключения системы телемеханики и внешних датчиков с размещением элементов станции.

Шкаф для станции управления электродвигателями конструктивно состоит из следующих основных узлов (см. Фиг.1): металлического корпуса 1, являющегося несущей конструкцией, выполненного в виде вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда, разделенного на два отсека, смонтированного на основании 2, содержащем отсек 3 для размещения силового дросселя (см. Фиг.2), закрытый спереди и сзади крышками 4 с перфорацией 5; основной двери 6 силового отсека, открывающей доступ к силовому оборудованию станции; малой двери 7, открывающей доступ в отсек управления станции; секции 8 ввода кабелей (см. Фиг.2), корпус которой выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, установленного на верхней части задней стенки корпуса 1 шкафа станции и имеющего дверь 9 (см. Фиг.4). Внутри корпуса 1 размещено устройство теплоотвода, содержащее воздуховод прямоугольного сечения, одной вертикальной стенкой которого является задняя стенка корпуса, а противоположной ей стенкой - поверхность радиатора 10 (см. Фиг.3), на которой выполнены ребра. Воздуховод выполнен между боковыми стенками корпуса 1. В отверстии, выполненном на задней стенке корпуса 1 напротив центра поверхности радиатора 10, встроен отсек 11 с блоком вентиляции таким образом, что выходное отверстие отсека 11, являющееся входом воздуховода, отстоит от поверхности радиатора, рассеивающей тепло, на расстоянии, определяемом из соотношения (1). Вход отсека 11 и выходы воздуховода, выполненные в виде окон на боковых стенках шкафа 1, закрыты защитной сеткой 12. Нижняя стенка секции 8 ввода кабелей имеет кабельные люки для ввода кабелей питающей сети и нагрузки. На задней стенке корпуса шкафа (см. Фиг.2, 3, 4) ниже секции 8 ввода кабелей размещены также отсек 13 для подключения к нулевой точке вторичной обмотки внешнего повышающего трансформатора, отсек 14 для подключения внешних датчиков и средств телемеханики, зажимы 15 для крепления силовых кабелей и элементы 16 заземления (см. Фиг.6). Отсеки 13, 14 выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов, имеют передние стенки в виде герметичных дверок 17, 18, снабженных замками 19, и нижние стенки с кабельными люками для ввода кабелей. Каждая из дверей 6, 7 и 9 (см. Фиг.1, 4) имеет по два замка 19 и снабжена герметичным уплотнением.

Пример применения шкафа для размещения элементов станции управления электродвигателями погружных насосов с регулированием частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

В отсеке управления (см. Фиг.5) размещаются: устройство управления, представляющее собой цифровой контроллер 20 и переднюю панель 21 органов управления и индикации, выполненную в виде дверки, при открывании которой обеспечивается доступ к электромонтажу и разъемам контроллера 20. Панель контроллера 20 с жидкокристаллическим дисплеем 22 и пленочной клавиатурой 23 размещена на панели 21 органов управления и индикации, на которой также закреплен и корпус контроллера 20. На панели 21 органов управления и индикации установлены: вводной автоматический выключатель 24, автоматический выключатель 25 напряжения системы управления и розетка 26. На задней стенке отсека управления закреплен блок коммутации и питания.

В силовом отсеке (см. Фиг.5) размещена система терморегулирования, содержащая: радиатор 10, два вентилятора 27, например, типа 1,25ЭВ-2,8-6, нагревательные элементы 28. Система терморегулирования, в состав которой входят также датчики температуры, управляется контроллером 20. На плоской поверхности радиатора 10 размещена силовая аппаратура, в состав которой входят: управляемый выпрямитель, содержащий плату 29 управления выпрямителем, плату 30 зарядно-разрядных цепей и управляемые вентили 31; инвертор напряжения, содержащий драйверы 32, управляемые контроллером 20, и IGBT-модули 33. Один из датчиков температуры, например типа НП305.38.460.220, установлен на плоской поверхности радиатора 10, рядом с IGBT-модулями, а другой, например типа ТМР36 GT, - внутри корпуса контроллера 20. В состав силовой аппаратуры входит также фильтр, содержащий конденсаторы 34 (см. Фиг.5), размещенные сверху и снизу воздуховода и обдуваемые при работе станции вентиляторами 27. На верхней стенке воздуховода на высоковольтном изоляторе 35 закреплена плата 36 устройства контроля сопротивления изоляции. На нижней стенке силового отсека установлен концевой выключатель 37 электрической блокировки двери 6. Дверь 9 секции ввода кабелей (см. Фиг.4, 6) открывает доступ к клеммам 38 подключения и планкам 39 с элементами крепления кабелей питающей сети и нагрузки. Секция 8 ввода кабелей соединена с отсеком управления, а через него - с силовым отсеком, переходным отверстием. В отсеке 13 для подключения к нулевой точке вторичной обмотки внешнего повышающего трансформатора размещен опорный изолятор 40, связанный со входом платы 36 устройства контроля сопротивления изоляции. В отсеке 14 для подключения внешних датчиков и средств телемеханики размещена клеммная колодка 41, связанная со входом контроллера 20. В отсеке 3 (см. Фиг.2) размещен силовой дроссель 42. В отсеке 11 (см. Фиг.3) размещены два вентилятора 43, например, типа ВК11-1,6-2-1, обдувающие поверхность радиатора 10 потоком воздуха.

Электрические функциональные связи между электрическими элементами, расположенными внутри шкафа, могут быть выполнены, например, в соответствии со схемой полезной модели №22843.

Сборку станции осуществляют следующим образом. После предварительной сборки корпуса шкафа функционально законченные узлы и стандартные комплектующие изделия монтируют в отсеках корпуса 1. Контроллер 20 вставляют в установочное отверстие на передней панели 21 и крепят его винтами. В левой верхней части отсека управления устанавливают кронштейны с закрепленными на них элементами: вводным автоматом 24, автоматическим выключателем 25 и розеткой 26. На задней стенке отсека управления на стойках закрепляют блок коммутации и питания. На радиаторе 10 монтируют: нагреватели 28, над ними - драйверы 32; управляемые вентили 31, над ними - плату управления выпрямителем 29 и плату зарядно-разрядных цепей 30; IGBT-модули 33. На задней стенке силового отсека монтируют кронштейны с конденсаторами 34, а на верхней и нижней стенках воздуховода монтируют вентиляторы 27. На верхней стенке воздуховода монтируют высоковольтный изолятор 35 и закрепляют на нем плату 36 устройства контроля сопротивления изоляции. К нижней стенке силового отсека крепят выключатель 37 концевой электрической блокировки двери. На задней стенке секции 8 ввода кабелей на изоляторах устанавливают клеммы 38 для подключения кабелей питающей сети и нагрузки. На задней стенке корпуса 1 станции управления в отсеке 14 подключения внешних датчиков и средств телемеханики устанавливают клеммную колодку 41 для подключения системы телемеханики и внешних датчиков. В отсеке 13 ввода нулевого провода устанавливают опорный высоковольтный изолятор 40. На нижней части задней стенки корпуса 1 устанавливают две скобы 15 с элементами крепления кабелей. В отсеке 3, выполненном в основании шкафа, на кронштейнах устанавливают силовой дроссель 42.

Монтаж станции управления осуществляют в два этапа.

На первом этапе производят внутренний монтаж станции в производственных условиях завода-изготовителя. Связанные жгуты прокладывают по станции, затем проводят распайку и подключение проводов.

На втором этапе производят подключение станции непосредственно на месторождении нефти к внешнему источнику питания и к электроприводу погружного насоса. Подключение производят через секцию 8 ввода кабелей.

Кабели вводят в кабельные люки, фиксируют и закрепляют в зажимах 15 и на планках 39. Нулевой провод вторичной обмотки повышающего трансформатора электропривода погружного насоса подключают кабелем через кабельный люк в отсеке 13 к клемме, установленной на изоляторе 40. Средства телемеханики и внешние датчики подключают к клеммной колодке 41, размещенной в отсеке 14 подключения внешних датчиков и средств телемеханики.

При необходимости проведения ремонтных работ вышедший из строя узел демонтируют, и ремонт производят в производственных условиях. Демонтаж станции осуществляется в обратной последовательности.

Заявляемое техническое решение шкафа для станции управления электродвигателями может изготавливаться в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и технологий.

Размещение в силовом отсеке шкафа элементов устройства теплоотвода обеспечивает возможность создания требуемого температурного режима силовой аппаратуры, что позволяет использовать шкаф для производства станций управления с частотным регулированием для электродвигателей погружных электронасосов мощностью свыше 100 кВт.

Изобретение относится к несущим конструктивным устройствам и может быть использовано для станций управления погружными электронасосами нефтяных скважин. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Шкаф для станции управления электродвигателями, представляющий собой корпус в виде вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда, выполнен с возможностью размещения средств управления, индикации и элементов силовой аппаратуры. Передняя стенка выполнена с возможностью доступа к внутренней полости шкафа. На задней стенке шкафа расположена секция ввода кабелей. Шкаф снабжен устройством теплоотвода, содержащим воздуховод, расположенный между боковыми стенками корпуса, имеющими окна для прохода охлаждающего воздуха, радиатор, встроенный в воздуховод поверхностью, рассеивающей тепло, отсек с блоком вентиляторов. Снабжение корпуса шкафа устройством теплоотвода обеспечивает возможность создания требуемого температурного режима элементов силовой аппаратуры. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Шкаф для станции управления электродвигателями, содержащий корпус в виде вертикально ориентированного прямоугольного параллелепипеда, выполненный с возможностью размещения в нем средств управления, индикации и элементов силовой аппаратуры, при этом передняя стенка корпуса выполнена с возможностью доступа к внутренней полости шкафа, секцию ввода кабелей с кабельными люками, установленную на верхней части задней стенки корпуса, отличающийся тем, что он снабжен устройством теплоотвода, содержащим воздуховод прямоугольного сечения, расположенный горизонтально внутри корпуса между его боковыми стенками, по крайней мере, одна из которых имеет окно, предназначенное для выхода охлаждающего воздуха из воздуховода, причем одна из вертикальных стенок воздуховода содержит радиатор, встроенный в воздуховод поверхностью, содержащей элементы, рассеивающие тепло, а внешняя поверхность радиатора предназначена для размещения элементов силовой аппаратуры, при этом противоположная радиатору стенка воздуховода является частью задней стенки корпуса, на которой расположен отсек с блоком вентиляции, сообщающийся с воздуховодом через отверстие, выполненное в стенке корпуса.2. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что воздуховод имеет на каждой боковой стенке корпуса окна для выхода охлаждающего воздуха.3. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что кабельные люки выполнены на нижней стенке секции ввода кабелей.4. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что наружное отверстие отсека с блоком вентиляции и окна воздуховода, предназначенные для прохода воздуха, снабжены защитными сетками.5. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что он снабжен отсеком для подключения к нулевой точке вторичной обмотки внешнего повышающего трансформатора и отсеком для подключения внешних датчиков и средств телемеханики.6. Шкаф по п.5, отличающийся тем, что отсеки расположены на задней стенке корпуса ниже секции ввода кабелей.7. Шкаф по п.5, отличающийся тем, что каждый из отсеков выполнен, например, в виде параллелепипеда, на нижней стенке которого находится кабельный люк, задняя стенка совпадает с задней стенкой корпуса, передняя выполнена открывающейся и снабжена замком, а отсек сообщается с внутренним объемом корпуса через переходное отверстие.8. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что он содержит в основании отсек для размещения силового дросселя, закрытый спереди и сзади крышками с перфорацией.9. Шкаф по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет два отсека: отсек управления, содержащий панель для размещения средств управления и индикации, и силовой отсек.10. Шкаф по п.9, отличающийся тем, что отсек управления расположен в верхней части корпуса, а силовой отсек - в нижней.11. Шкаф по п.9, отличающийся тем, что отсек управления расположен в правой части корпуса, а силовой отсек - в левой.12. Шкаф по п.9, отличающийся тем, что отсек управления расположен в левой части корпуса, а силовой отсек - в правой.