СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2014 года по МПК F04D15/00 F04D13/10 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления погружными электродвигателями как асинхронными, так и вентильными, применяемых при нефтедобыче, а также в других областях народного хозяйства.

Известна станция управления погружным электродвигателем [Патент №2303715 RU, МПК F04D 13/10, F04D 15/00, приоритет от 29.11.2005 г.], включающая преобразователь частоты с выпрямителем, соединенным с ним инвертором и системой управления, соединенной с инвертором, датчик положения ротора электродвигателя, соединенный с инвертором и системой управления, систему программного управления, соединенную с системой управления, снабженная повышающим трансформатором, установленным на выходе инвертора, при этом система управления выполнена в виде блока микропроцессора преобразователя частоты и соединенных с ним блока связи преобразователя частоты и блока формирования позиционных сигналов, соединенного с датчиком положения ротора электродвигателя и с выходом повышающего трансформатора, система программного управления выполнена в виде контроллера управления с блоком микропроцессора и соединенными с ним блоком связи, блоком данных и блоком измерения токов, соединенным с датчиком положения ротора электродвигателя, блок связи преобразователя частоты соединен с блоком связи контроллера управления, а датчик положения ротора электродвигателя выполнен в виде блока датчиков тока и установлен на выходе повышающего трансформатора. Структура станции управления позволяет управлять погружным электродвигателем через кабель большой длины.

Однако в указанной станции управления имеется недостаток, связанный с невозможностью управления асинхронным двигателем. Кроме этого, выходное напряжения станции управления имеет прямоугольную форму, что увеличивает потери в двигателе, вызывает пульсации вращающего момента на валу двигателя и приводит к возникновению перенапряжений в цепи «станция управления - повышающий трансформатор - погружной кабель - электродвигатель», вызывающих снижение надежности повышающего трансформатора, кабеля и электродвигателя.

Также недостатком станции управления является низкая надежность из-за отсутствия контроля входного питающего напряжения сети, а также потребляемого тока в силовой цепи после выпрямителя.

Наиболее близким техническим решением является универсальная станция управления погружным электродвигателем [Патент №2430273 C1 RU, МПК F04D 13/10, F04D 15/00, приоритет от 15.09.2011 г.], содержащая микропроцессорный вычислитель, преобразователь частоты, состоящий из последовательно соединенных выпрямителя, фильтра звена постоянного тока, инвертора и формирователя сигналов управления ключами, входы которого подключены к выходу микропроцессорного вычислителя, первый блок датчиков тока и контроллер, выход которого подключен к входу задания частоты микропроцессорного вычислителя, причем вход выпрямителя подключен к силовому входу станции управления, выходной фильтр и второй блок датчиков тока, причем выход инвертора подключен через первый блок датчиков тока к входу выходного фильтра, выход которого через второй блок датчиков тока подключен к выходу станции управления, а информационный выход первого блока датчиков тока подключен к первому информационному входу микропроцессорного вычислителя, причем информационный выход второго блока датчиков тока подключен ко второму информационному входу микропроцессорного вычислителя. Указанная станции управления уменьшает уровень коэффициента гармоник выходного тока и напряжения, обеспечивает возможность управления как асинхронным, так и вентильным двигателями.

Недостатком указанной станции управления является недостаточная надежность, обусловленная отсутствием контроля входного питающего напряжения сети, а также потребляемого тока в силовой цепи после выпрямителя.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, выражается в повышении надежности за счет обеспечения возможности аварийного отключения станции управления при превышении сетевым напряжением допустимого порога и при превышении сверхдопустимого напряжения или токовой нагрузки в цепи постоянного тока (DC), а также в расширении функциональных возможностей за счет стабилизации напряжения на выходе инвертора и, соответственно, станции управления

путем корректировки скважности широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Указанный технический результат достигается тем, что в станции управления погружным электродвигателем, содержащей последовательно соединенные выпрямитель и фильтр звена постоянного тока, инвертор, первый и второй блоки датчиков тока, контроллер и выходной фильтр, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, первый и второй выходы выпрямителя соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока соответственно, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, четвертый и пятый информационные входы контроллера присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с восьмым и девятым силовыми входами инвертора, шестой информационный вход контроллера подключен к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, информационные входы контроллера с седьмого по девятый и с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий первого и второго блоков датчиков тока соответственно, при этом каждый блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока первого блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы инвертора с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра к силовым фазным выходам станции управления, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора.

В станции управления погружным электродвигателем, выпрямитель также может быть выполнен управляемым, управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера с восьмого по десятый соответственно.

Выполнение станции управления погружным электродвигателем содержащей последовательно соединенные выпрямитель и фильтр звена постоянного тока, инвертор, первый и второй блоки датчиков тока, контроллер и выходной фильтр, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, первый и второй выходы выпрямителя соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока соответственно, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, четвертый и пятый информационные входы контроллера присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с восьмым и девятым силовыми входами инвертора, шестой информационный вход контроллера подключен к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, информационные входы контроллера с седьмого по девятый и с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий первого и второго блоков датчиков тока соответственно, при этом каждый блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока первого блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы инвертора с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра к силовым фазным выходам станции управления, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора, расширяет функциональные возможности за счет стабилизации напряжения на выходе инвертора и, соответственно, станции управления путем корректировки скважности широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а присоединение управляющих входов контроллера с первого по третий к трем фазным силовым входам станции управления и шестого управляющего входа контроллера к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, повышает надежность за счет обеспечения аварийного отключения станции управления при превышении сетевым напряжением допустимого порога или при превышении сверхдопустимого напряжения и токовой нагрузки в цепи постоянного тока (DC), обусловленными выходом из строя конденсаторов фильтра звена постоянного тока, силовых модулей инвертора или замыканием шин DC под воздействием внешних факторов или пробоя изоляции.

Расширение функциональных возможностей в станции управления может достигаться также за счет того, что выпрямитель выполнен управляемым, управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера с восьмого по десятый соответственно, что позволяет плавно заряжать конденсаторы фильтра звена постоянного тока (DC), а также оперативно отключать управляемый выпрямитель, практически за время не более одного полупериода сетевого напряжения.

На Фиг.1 приведена схема электрическая функциональная станции управления погружным электродвигателем с неуправляемым выпрямителем.

На Фиг.2 приведена схема электрическая функциональная станции управления погружным электродвигателем с управляемым выпрямителем.

На Фиг.3 приведена схема электрическая принципиальная инвертора.

На Фиг.4 приведена схема электрическая принципиальная выходного фильтра.

Станция управления погружным электродвигателем содержит (см. Фиг.1) последовательно соединенные выпрямитель 1 и фильтр звена постоянного тока 2, инвертор 3, контроллер 4 и выходной фильтр 5, первый 6 и второй 7 блоки датчиков тока. Входы выпрямителя 1 с первого по третий подключены к силовым входам (А, В, С) станции управления, первый и второй выходы выпрямителя 1 соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока 2 соответственно. Информационные входы контроллера 4 с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления (А, В, С), четвертый и пятый информационные входы контроллера 4 присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока 2, соединенным с восьмым (DC+) и девятым (DC-) силовыми входами инвертора 3. Информационные входы контроллера 4 с седьмого по девятый присоединены к выходам с первого по третий первого блока датчиков тока 6. Информационные входы контроллера 4 с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий второго блока датчиков тока 7. При этом каждый блок датчиков тока 6 и 7 может содержать два или три датчика тока. Через датчики тока первого блока датчиков тока 6 проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы (U1, VI, W1) инвертора 3 с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра 6. Через датчики тока второго блока датчиков тока 7 проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра 5 к силовым фазным выходам станции управления (U, V, W). Шестой информационный вход контроллера 4 подключен к выходу датчика тока 8, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя, в данном случае первый, с соответствующим входом (первым) фильтра звена постоянного тока 2. Управляющие выходы контроллера 4 с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора 3.

В станции управления погружным электродвигателем выпрямитель также может быть выполнен управляемым 10 (см. фиг.2), управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем 9, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера 4 с восьмого по десятый соответственно.

Заявляемое техническое решение станции управления погружным электродвигателем может быть изготовлено в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и стандартных технологий.

Станция управления погружным электродвигателем может быть выполнена на стандартных элементах, включенных в соответствии со стандартными схемами подключения, которые приведены в технической документации.

Выпрямитель предназначен для выпрямления сетевого напряжения, причем выпрямитель может быть выполнен как неуправляемым 1 (см. фиг.1), так и управляемым 10 (см. Фиг.2), при этом обеспечивается возможность регулирования действующего значения выходного выпрямленного напряжения в зависимости от амплитуды питающего сетевого напряжения. Фильтр звена постоянного тока 2 предназначен для фильтрации выпрямленного выпрямителем 1 (или 10 на Фиг.2) напряжения. Инвертор 3 предназначен для преобразования постоянного напряжения звена постоянного тока (DC) в переменное с необходимыми параметрами (частотой, напряжением и фазой) посредством широтно-импульсной модуляции. Контроллер 4 предназначен для преобразования напряжений и токов, поступающих на его управляющие входы с первого по тринадцатый в управляющие импульсы, поступающие на входы инвертора 3. Выходной фильтр 5 предназначен для подавления высших гармоник тока и напряжения на выходе инвертора 3. Первый блок датчиков тока 6 предназначен для выработки информационных сигналов, поступающих на входы 10…13 контроллера 4, пропорциональных токам на выходе инвертора 3 перед выходным фильтром 5. Второй блок датчиков тока 7 предназначен для выработки информационных сигналов, поступающих на входы 7…9 контроллера 4, пропорциональных токам на выходе выходного фильтра 6 перед выходами станции управления. Датчик тока 8 предназначен для выработки информационного сигнала, поступающего на вход 6 контроллера 4, пропорционального току заряда в звене постоянного тока. Блок управления выпрямителем 9 предназначен для формирования сигналов управления, вырабатываемых контроллером 4, по мощности и по временным характеристикам с входами управляемого выпрямителя 10 (см. Фиг.2).

Пример исполнения инвертора 3 приведен на Фиг.3. В общем случае инвертор 3 содержит три канала коммутаторов 11…13, выполненных, например на IGBT модулях, и драйверы 14…16, обеспечивающие согласование уровней управляющих сигналов на выходах 1…7 контроллера 4 и на управляющих выводах (1, 4) коммутаторов 11…13 (см. Фиг.3) (на входах 1…7 инвертора 3). Драйверы 14…16 могут быть использованы как стандартными специализированными для управления конкретным типом IGBT-модуля, поставляемыми заводами поставщиками IGBT-модулей, так и универсальными собственной разработки. Кроме того, драйверы 14…16 обеспечивают надежное включение коммутаторов 11…13, исключающее одновременное включение их плеч. Коммутаторы 11…13 обеспечивают подключение напряжений DC+ и DC- (контакты 8 и 9 инвертора 3) в определенной последовательности к выходным клеммам 1…3, соответствующим выходам инвертора 3 (U1, V1, W1).

Пример исполнения выходного фильтра 5 приведен на Фиг.4. Выходной фильтр 6 содержит в своем составе три дросселя 17…19 (L1, L2, L3), включенные между входными клеммами 1…3 (U1, VI, W1) и выходными клеммами 1…3 (U, V, W), и три конденсатора 20…22 (C1, C2, С3), присоединенные треугольником к выходным клеммам 1...3 выходного фильтра 5. Дроссели 17…19 могут быть заменены одним трехфазным дросселем, выполненным на сердечнике из электротехнической стали. Соотношение индуктивностей дросселей 17…19 и емкостей конденсаторов 20…22 определяется номинальными током и сопротивлением нагрузки станции управления.

Станция управления погружным электродвигателем работает следующим образом. Поступающее на входные клеммы (А, В, С) станции управления трехфазное напряжение питания (см. Фиг.1, 2) подается на силовые входы 1…3 неуправляемого выпрямителя 1 (или управляемого выпрямителя 10) и на информационные входы 1…3 контроллера 4. С выходов 1, 2 выпрямителя 1 (или управляемого выпрямителя 10) выпрямленное пульсирующее напряжение подается на входы 1, 2 фильтра звена постоянного тока 2, фильтруется им и поступает на силовые входы 8, 9 инвертора 3. В случае использования управляемого выпрямителя 10 на выходах 8…10 контроллера 4 формируются импульсы управления, поступающие на входы 1…3 блока управления выпрямителем 9, а с его соответствующих выходов на управляющие входы 4…6 управляемого выпрямителя 10 (см. Фиг.2).

С выхода датчика тока 8, через который проходит силовой проводник, соединяющий первый выход выпрямителя 1 с первым входом фильтра звена постоянного тока 2, на информационный вход 6 контроллера 4 поступает сигнал, пропорциональный току в цепи постоянного тока, и в случае его аварийного увеличения, например при пробое конденсаторов фильтра звена постоянного тока 2, при отказе одного из модулей инвертора 3 или пробое шин звена постоянного тока (DC), контроллер 4 отключает выпрямитель 10 и инвертор 3 с задержкой не более одного полупериода сети, что повышает надежность станции управления в целом. В зависимости от уровня напряжения между входами 8, 9 (DC+ и DC-) инвертора 3, подаваемого на информационные входы 4 и 5 контроллера 4, меняются временные параметры управляющих импульсов на выходах 1…7 контроллера 4 и, соответственно, параметры ШИМ инвертора 3. Управляющие импульсы с выходов 1…7 контроллера 4 поступают на входы 1…7 инвертора 3. Трехфазное широтно-импульсное модулированное напряжение с выходов 1…3 (U1, V1, W1) инвертора 3 подается на входы 1…3 выходного фильтра 5, фильтруется им, при этом подавляются высшие гармоники напряжения и тока, а на выходах 1…3 выходного фильтра 5, подключенных к выходным клеммам (U, V, W) станции управления, формируется трехфазное напряжение близкое к синусоидальному.

На информационные входы контроллера 4 с седьмого по девятый с первого блока датчиков тока 6 подаются аналоговые сигналы пропорциональные фазным токам на выходе инвертора 3. На информационные входы контроллера 4 с десятого по тринадцатый от второго блока датчиков тока 7 подаются аналоговые сигналы, пропорциональные фазным токам на выходе выходного фильтра 5. При этом каждый блок датчиков тока 6 и 7 может содержать два или три датчика тока, включенных в одноименные фазы. В случае использования в блоках датчиков 6 и 7 по два датчика тока недостающие сигналы (амплитудные и фазовые) от третьих фаз вычисляются контроллером 4.

В контроллере 4 с помощью внутреннего программного обеспечения производится обработка текущих сигналов, полученных на информационных входах с первого по тринадцатый, и в зависимости от типа и параметров подключенного двигателя формируются управляющие импульсы, обеспечивающие оптимальные выходные параметры станции управления.

Использование первого датчика тока 9 обеспечивает возможность отключения инвертора 3 при аварийном превышении тока, обусловленном выходом из строя конденсаторов фильтра или пробоем шин звена постоянного тока 2, силовых модулей инвертора 3, что повышает надежность.

Подключение информационных входов контроллера 4 с первого по третий к трем фазным силовым входам станции управления (А, В, С) обеспечивает защиту инвертора 3 при превышении сетевым напряжений допустимого порога, что повышает надежность.

Подключение 4 и 5 информационных входов контроллера 4 к выходам фильтра звена постоянного тока (DC) 2 обеспечивает возможность стабилизации напряжения на выходе инвертора 3 путем корректировки скважности ШИМ, а также обеспечивает защиту силовых модулей при превышении напряжением DC допустимых норм, что повышает надежность и расширяет функциональные возможности.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления погружными электродвигателями как асинхронными, так и вентильными, применяемых при нефтедобыче, а также в других областях народного хозяйства. Станция управления содержит выпрямитель 1 и фильтр звена постоянного тока 2, инвертор 3, контроллер 4 и выходной фильтр 5, первый 6 и второй 7 блоки датчиков тока, датчик тока 8. Входы с 1 по 3 контроллера 4 подключены к фазным силовым входам станции управления. Входы 4 и 5 контроллера 4 присоединены к выходам фильтра звена постоянного тока 2, соединенным с 8 и 9 силовыми входами инвертора 3. Шестой вход контроллера 4 подключен к выходу датчика тока 8, через который проходит проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя 1 с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока 2, входы контроллера 4 с 7 по 9 и с 10 по 13 присоединены к выходам с 1 по 3 первого 6 и второго 7 блоков датчиков тока, при этом каждый блок датчиков тока может содержать 2 или 3 датчика тока. Через датчики тока первого блока датчиков тока 6 проходят проводники, соединяющие с 1 по 3 выходы инвертора 3 с соответствующими с 1 по 3 входами выходного фильтра 5, а через датчики тока второго блока датчиков тока 7 проходят проводники от выходов с 1 по 3 выходного фильтра 5 к выходам станции управления. Управляющие выходы контроллера 4 с 1 по 7 присоединены к соответствующим с 1 по 7 входам инвертора 3. Выпрямитель может быть выполнен управляемым 10, управляющие входы которого с 4 по 6 присоединены к управляющим выходам с 1 по 3 блока управления выпрямителем 9, подключенного своими входами с 1 по 3 к управляющим выходам с 6 по 10 контроллера 4 соответственно. Использование датчика тока 8 обеспечивает возможность отключения инвертора 3 при аварийном превышении тока, обусловленном выходом из строя конденсаторов фильтра или пробоем шин звена постоянного тока 2, силовых модулей инвертора 3, что повышает надежность. Подключение информационных входов контроллера 4 с первого по третий к трем фазным силовым входам станции управления (А, В, С) обеспечивает защиту инвертора 3 при превышении сетевым напряжением допустимого порога, что повышает надежность. Подключение 4 и 5 информационных входов контроллера 4 к выходам фильтра звена постоянного тока (DC) обеспечивает возможность стабилизации напряжения на выходе инвертора 3 путем корректировки ШИМ, а также обеспечивает защиту силовых модулей при превышении напряжением DC допустимых норм, что повышает надежность и расширяет функциональные возможности. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Станция управления погружным электродвигателем, содержащая последовательно соединенные выпрямитель и фильтр звена постоянного тока, инвертор, первый и второй блоки датчиков тока, контроллер и выходной фильтр, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, отличающаяся тем, что первый и второй выходы выпрямителя соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока соответственно, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, четвертый и пятый информационные входы контроллера присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с восьмым и девятым силовыми входами инвертора, шестой информационный вход контроллера подключен к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, информационные входы контроллера с седьмого по девятый и с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий первого и второго блоков датчиков тока соответственно, при этом каждый блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока первого блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы инвертора с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра к силовым фазным выходам станции управления, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора.

2. Станция управления погружным электродвигателем по п.1, отличающаяся тем, что выпрямитель выполнен управляемым, управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера с восьмого по десятый соответственно.