Способ управления погружным электродвигателем скважинного насоса
Сущность изобретения: изменяют тиристорным преобразователем частоты и выходное напряжение питающего тока. Измеряют давление на выходе насоса и поддерживают заданный закон его изменения на режимах пуска и остановки. Изменение частоты и выходного напряжения осуществляют ступенчато. На режиме пуска электродвигателя ступенчатое изменение пуска и напряжения осуществляют в период возрастания частоты вращения ротора от начальной величины до половины номинальной частоты путем квазичастотного управления тиристорным преобразователем Поддерживают постоянной величину первой производной от давления на выходе насоса по времени Повышение частоты вращения ротора до номинальной осуществляют путем фазового управления преобразователем . При этом поддерживают постоянной величину второй производной от давления на выходе насоса по времени На режиме остановки эти операции выполняют в обратной послодомтельности Продолжительность работы электродвигателя на режиме пуска устанавливают в сооыгчствии с заданной зависимостью. 5 ил.
(IN ЕЫ П1) 2 И ЫЗ С1 (5Ц F 1 F04 D ЩИ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ j","„ „ „"„К ПАТЕНТУ (21) 4828406/29 (22) 29.0590 (46) 15.1О93 Бюл. Ма 37-38 (71) 8сесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (72) Иванов ГМ„Рабкин С.С„Стомахина M.Ò„
Колосова EJl„. Рожанковский ЮВ (73) Иванов Гелий Михайлович; Рабкин Савелий
Семенович (54) СПОС06 УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ СКВАЖИННОГО НА—
СОСА (57) Сущность изобретения: изменяют тиристорным преобразователем частоты и выходное напряжение питающего тока. Измеряют давление на выходе насоса и поддерживают заданный закон его изменения на режимах пуска и остановки Изменение частоты и выходного напряжения осуществляют ступенчато. На режиме пуска электродвигателя ступенчатое изменение пуска и напряжения осуществляют в период возрастания частоты вращения ротора от начальной величины до половины номинальной частоты путем квазичастотного управления тиристорным преобразователем. Поддерживают постоянной величину первой производной от давления на выходе насоса по времени Повышение частоты вращения ротора до номинальной осуществляют путем фазового управления преобразователем. При этом поддерживают постоянной величину второй производной от давления на выходе насоса по времени. На режиме остановки эти операции выполняют в обратной поспеловательности.
Продолжительность работы элек родяигатепя на режиме пуска устанавливают в соо -к ктвии с заданной зависимостью. 5 ип
2001313
Изобретение относится к управлению погружным электродвигателем скважинного насоса водоподьема и может найти применение, когда требуется повышение надежности насосного агрегата, улучшение качества эксплуатации артезианских скважин и систем энергоснабжения.
Известен способ управления скважинным насосом водоподъема с погружным электродвигателем, заключающийся в прямом пуске, при котором при поступлении or технологических датчиков сигнала "пуск" на статорные обмотки двигателя подают номинальное напряжение, после чего двигатель достигает номинальной частоты вращения за время менее 1 с, При поступлении от технологических датчиков сигнала "стоп" напряжение со статорных обмоток двигателя снимают и его отключают также за время менее 1 с.
Недостатком этого технического решеъ ния является то, что в результате прямого пуска погружного электродвигателя через два три года эксплуатации наблюдается повышенный вынос песка из скважин ("пескование"), который приводит к преждевременному разрушению скважины, "Пескование" вызывает также выход из строя насосного агрегата.
Прямой пуск, сопровождающийся G — 7кратными номинальному пусковыми токами электродвигателя, требует применения трансформаторов завышенной мощности, что неэкономично.
Кроме того, при прямом пуске возникают механические разрушения лобовых частей электродвигателя.
При прямом торможении погружного электродвигателя, возникает опасность гидравлического удара, который приводит к поломке запорной арматуры в трубопроводе, а при отсутствии обратного клапана вода, заполняющая напорный трубопровод, уходит из него через насос вскважину,,заставляя электродвигатель вращаться в обратную сторону, т.е. работать в турбинном режиме, что может вызвать поломку лопаток насоса, если в этот момент приходит сигнал "пуск".
Известен также способ управления скважинным насосом с погружным электродвигателем, заключающийся в регулироваНии напряжения, которое подают на статорные обмотки при поступлении сигнала "пуск" и реверса с использованием динаМИческого торможения. когда подают сйгнал стоп .
Недостатком этого технического реше НИМ является то, что при регулировании на пряжения токи статора могут в два три раза
55 превышать номинальные значения, что особенно проявляется на малых частотах вращения электродвигателя. При малых значениях напряжения на статорных обмотках двигателя получаются очень мягкие механические характеристики, которые, затрудняют возможность контроля частоты вращения электродвигателя в разомкнутой системе управления. Частота вращения электродвигателя при малых напряжениях нестабильная и очень зависит от нагрузки.
У погружных электродвигателей частота вращения очень зависит от типа скважинного насоса и от заглубления электродвигателя и насоса в скважину.
Кроме того, устройство, реализующее этот способ, громоздко и дорого, так как требуется применение отдельной станции для реверса с использованием динамического торможения.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть принято за прототип, является способ пуска малоинерцион ного асинхронного электродвигателя, при котором подают напряжение на обмотки статора, равное напряжению трогания,.затем уменьшают это напряжение по экспоненциальному закону с постоянной времени, не превышающей пяти периодов сетевого напряжения до номинального напряжения, при котором ротор двигателя еще вращается, после чего повышают напряжение питания по зкспоненциальному закону с постоянной времени, не превышающей удвоенного заданного времени пуска, Устройство для осуществления этого способа содержит тиристорный преобразователь, блок управления, формирователь напряжения, блок синхронизации (стробирующих сигналов) и блок импульсно-фазового управления.
Недостатком этого технического решения является то, что при подаче на обмотки статора напряжения, равного напряжению грогания, без введения постоянной ерфи«<ени, необходимой для достижения электродвигателем требуемой частоты вращения, при последующем уменьшении данного напряжения двигатель не начнет вращаться (или не запустится), при этом уменьшение напряжения в течение пяти периодов никакого влияния на пуск двигателя не оказывает, он будет находиться в заторможенном состоянии.
Кроме того, на низких частотах вращения электродвигателя токи могут превышать двух-трех кратные номинальные значения, а при малых нэ>«>яме><иях на обмотках статора име<о< л< -: < > <.><ь мягкие механические харя«< < » ° г г>ые за2001313 трудняют воэможность контроля частоты вращения электродвигателя, Частота spaщения электродвигателя при малых напряжениях нестабильна и очень зависит от . нагрузки электродвигателя, то есть зависит 5 от типа скважинного насоса и от эаглублвния электродвигателя и насоса в скважину, Недостатком является и то, что не предусматривается плавное торможение электродвигателя, так как прямое торможение 10 вызывает гидравлический удар и поломку запорной арматуры в трубопроводе, а при отсутствии обратного клапана столб воды, заполняющий скважину и уходящий через насос, может вызвать поломку лопаток на- 15 соса, Целью изобретения является повышение надежности электродвигателя и скважинного насоса при одновременном уменьшении степени разрушения скважин. 20
25 т=
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе управления погружным электродвигателем скважинного насоса водоподьема, включающем изменение с помощью тиристорного преобразователя частоты и выходного напряжения питающего тока, измерение давления на выходе насоса и поддержание заданного закона его изменение на режимах пуска и останова, причем упомянутое изменение частоты и выходного напряжения осуществля;от ступенчато, на режиме пуска электродвигателя осуществляют ступенчатое изменение частоты и выходного напряжения в период возрастания частоты вращения ротора электродвигателя от начальной величиныдо половины номинальной частоты путем квазичастотного управления тиристорным преобразователем, при этом поддерживают постоянной величину первой производной от давления на выходе насоса по времени, повышение частоты вращения ротора электродвигателя до номинальной осуществляют путем фазового управления тиристорным преобразователем и при это поддерживают постоянной величину второй производной от давления на выходе насоса по времени, затем на режиме останова упомянутые операции выполняют в обратной последовательности, причем продолжительность работы электродвигателя от момента пуска до номинального значения частоты вращения устанавливают в соответствии с зависимостью
55 где T — время работы погружного электродвигателя от начального момента пуска до номинального значения частоты вращения;
Ь вЂ” время эксплуатации скважины с момента ее ввода;
v — скорость водяного потока. охлаждающего погружной электродвигатель;
k — коэффициент пропорциональности, зависящий от мощности электродвигателя, k- 1.0-10.95;
N — количество ступеней частоты вращения электродвигателя.
На фиг. 1 показана структурная схемв устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг, 2 — временная диаграмма состояния тиристорного и реобразователя; на фиг. 3 — принципиальная схема соединения блока стробирующих сигналов, блока определения очередности чередования фаз и блока формирования входных сигналов; на фиг. 4 — принципиальная схема соединений блока управляющих импульсов и тиристорного преобразователя; нэ фиг, 5 — принципиальная схема соединений микро-ЭВМ, буферного регистра и постоянного запоминающего устройства, Устройство управления погружным электродвигателем скважинного насоса водоподьема, осуществляющее предлагаемый способ (фиг. 1) содержит тиристорный првог,раз ватель 1, нагрузкой которого является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 2, блок управляющих импульсов 3. блок стробирующих сигналов 4, блок определения очередности чередования фаз 5. блок формирования входных сигналов 6, микро-ЭВМ 7, буферный регистр 0, постоянное запоминающее устройство 9, 3 качестве ликро-ЭВМ применена микро".хема КР1816БЕ035, в качестве буферного регистра 8 — две микросхемы К561ТМ3, а постоянного запоминающего устройства— микросхема КР573РФ2.
Сущность предложенного способа управления погружным электродвигателем скважинного насоса водоподьема заключаетгя в следующем. После поступления от технологических датчиков сигнала "пуск" в период времени от ьломента пускл до достиженил полопины номинальной частоты вращения осуществляют квазичастотное управление тиристорным преобразователем, причем изменяют частоту и величину подаваемого на обмотку статора электродвигателя выходного напряжения тиристорного преобразователя ступенчато. при этом поддерживают постоянной первую производную от давления воды н, ход - соса по времени, затем осч. ествляют ф.- лное
2001313 ч управление тиристорным преобразователем и увеличивают частоту вращения электродвигателя до номинального значения, одновременно с чем поддерживают постоянной величину второй производной от дав- 5 ления на выходе насоса по времени, обеспечивая постоянное увеличение давления в напорном трубопроводе.
После поступления от технологических датчиков сигнала "стоп" осуществляют сту- 10 пенчатое уменьшение частоты вращения электродвигателя от максимальной до минимальной с последовательностью действий обратной описанной выше при ступенчатом пуске. 15
Осуществление предложенного способа достигается формированием определенного закона включения вентилей тиристорного преобразователя 1 (последовательности и периодичности), Этот закон 20 (алгоритм) должен содержать периодически повторяющиеся интервалы времени, когда к нагрузке (обмотке статора электродвигателя) подключают напряжение заданной величины и через определенные промежутки 25 временИ, во время которых нагрузка отключена от сети (фиг. 2).
Формируются две серии импульсов (фиг. 2) m и п, с помощью которых дискретно задается длительность, соответственно, 30 включенного и отключенного состояния вентилей тиристорного преобразователя, а, следовательно, электродвигателя, 8 период следования импульсов вентили тиристорного преобразователя открыты, а период сле- 35 дования импульсов вентили тиристорого преобразователя закрыты.
Задавая различные соотношения значений m и и, получают различные частоты ос- 40 новной составляющей напряжения на выходе тиристорного преобразователя, а смещая управляющий импульс, поступающий на соответствующую пару вентилей тиристорного преобразователя относительно 45 точки естественной коммутации 1 (фиг, 2) на угол Q, регулируют величину напряжения, подаваемого насосом, остается постоянным в пределах времени нахождения электродвигателя на одной ступени частоты 50 вращения, т.е, Р (t<) - const, где P — первая производная от величины давления воды в напорном трубопроводе: t(: — продолжительность работы электродвигателя на одной ступени. 55
Это дает воэможность управлять электродвигателем на низких частотах вращения независимо от его нагрузки и эаглубления в скважину, обеспечивая при этом жесткие механические характеристики.
В том случае, если число и = О. а импульсы m следуют постоянно. осуществляют фазовое управление с регулированием напряжения при помощи изменения угла а (открытия вентилей тиристорного преобразователя), При этом давление воды, развиваемое насосом, повышается с постоянным ускорением на протяжении всего времени действия фазового режима управления, т.е. P""(тф) = const, где P" — вторая производная от величины давления воды в напорном трубопроводе; ty — время работы погружного электродвигателя в фазовом режиме управления.
За счет изменения угла управления а вентилями тиристорного преобразователя достигают постепенного увеличения основной составляющей напряжения, подводимого к обмотке статора, и, следовательно, постепенного увеличения частоты вращения электродвигателя с постоянным ускорением.
Разработанный алгоритм записан в виде программы е постоянное запоминающее устройство.
Время ступенчатого пуска и ступенчатого останоеа определяется продолжительностью работы электродвигателя и пропорционально времени эксплуатации артезианской скважины с начала ее ввода, то есть зависит от степени ее "пескования", а также пропорционально скорости водяного потока, охлаждающего погружной электродвигатель, то есть степени его охлаждения, и зависит от количества ступеней, из которых складывается весь цикл ступенчатого пуска или ступенчатого торможения, т.е, Т= k t ч, l=1 где Т вЂ” время работы погружного электродвигателя от начального момента пуска до номинального значения частоты вращения;
1g — время эксплуатации артезианской
4 скважины с начала ее ввода;
v — скорость водяного потока, охлаждающего погружной двигатель;
N — количество ступеней пуска и торможения;
k — коэффициент пропорциональности, зависящий от мощности электродвигателя, k =- 1,0 — 10,95.
Время работы на каждой ступени t(.- и количество ступеней М запись(т(а(отся в постоянное запоминающее устройство.
Программа состоит и;(ци(((он (см. фиг, 5).
Цикл равен одному о(.(((оду ((ïïpÿæeния сети. Для пол учо(< и(. »(1(. l, ((1(о ре2001313
10 жима работы электродвигателя за один пе- л микро запрашивает количеимпульсов n — на отключение вентилей риод сетевого напряжения должно пройти ство импульсов и— шесть импульсов с интервалами 60 между и отключает тиристорный преобразователь ними и с определенной последовательно- на заданный интервал времени. стью включения вентилей ти ист преобразователя. р орного 5 В начале каждого цикла программа проверяет, не закончилось ли время работы на
Программа синхронизируется питаю- одной ступени (t ), Если время работы на щей сетью-. начало цикла определяется одной ступени закончено, т.е. 1 "О внешним п е ы рерыванием (появлением стро- грамма переходит на обработку следую ей бирующего сигнала), т.е. и охо ени
)... р жд ния че- 10 ступени, при этом программа опрашивает ра отку следующей рез нуль напряжения питающей сети количество ступеней N. Если N - О, значит
). р и дключении к ти- ступенчатый пуск или торможение эакончеристорному преобразователю 1 прямой по- ны и двигатель либо выхо ит н . следовательности че е ования ти чередования фаз ную частоту вращения при ступенчатом питающей сети получают необходимую по- 15 пуске, либо останавливается при ступенчаследовательность включения соответствую- том торможении, щих пар вентилей тиристорного В соответствии с изложенным, предлапреобразователя (фиг. 1 и 2) 1 и 1 1 1
), 4; 1 f и 16, гаемый способ управления погружным злек13и 16; 13и 12; 16 и 12. тродвигателем обеспечивает ступенчатый
При этом не нарушается симметрич- 20 пуск и ступенчатое торможение, что велиность работы элект о р двигателя, то есть за чивает надежность насосного агрегата и ля. кважина при этом не период сетевого напряжения проходит электродвигателя. Ск у срок ее службы знашесть импульсов и очередность включения разрушается, поэтом пар вентилей тиристорного преобразовате- чительно увеличивается, ля соответствует прямой последовательно- 25 Как по аз ак показал опыт эксплуатации опытности чередования фаз питающей сети, го образца, предлагаемое техническое реПосле появления внешнего прерывания шение поз и зволяет увеличить срок службы (стробирующего сигнала) микроЭВМ в соот- артезианских скважин и с ок сл . б ветствии с алг М жин и срок служ ы скваружными злектродвигоритмоМ,отсчитывает угол а, жинных насосов с погр з т.е. определяет величинУнапряжения, псда- 30 гателями более, олее, чем н два раза за счет ваемого на обмотк стато эл у ра, ектродвига- снижения уровня "пескованил" скважин. теля, а затем запрашивает,количаетвб импульсов m на включение вентилей, необ- (5б) Максимов В.П, и . Р г м в ., и др. егулируемое ходимое данной ступени частоты вращения управление приводом установок наружных двигателя и формирует сигналы на включе- 35 электронасосов. Обз. инф. вып. 5. M., ВНИние вентилей в указанной выше последова- ИЭНГ. 1981, с. 13-15. 42. тель ности.
Формула изобретения времени, повышение частоты вращения
cf1ocoEi yfIppE3fIEIIgfI погружным электро- 40 Р Р электродвигателЯ до номинальнои двигдтгл м сквджинного ндсосд. включа- осуUjecTBflffloT flyfeM фазового Управл ния ющий изменение с помощью тиристорного тиристорным преобразователем и при преобразователя частоты и выходного на- этом поддерживают постоЯн. ой величинУ пряжения питающего тока, измерение дав- втоРой произвоДной от ДавлениЯ HB BblxQ ления на выходе насоса и поддержание 45 Ае насоса по времени на Режиме останов заданного закона его изменения на режи- ки УпомЯнУтые операЦии выполнЯют в мах пуска и остановки, причем изменение обратный последовательности, при этом частоты и выходного напряжения осущест- продолж ;Teflbf i=1 электродвигателя от начальной величины где Т - время работы погружного 1е" Родо половины номинальной частоты путем 55 двигателЯ от начального момента " г" ", до квазичастотнОГО управления тиристорным преобразова гелем, при этом поддерживаСэ - время эксплуатации скважи п1 с на ют постоянной величину первой проиэводчала ее ввода; ной QT давления на выходе насоса по ч - скорость водяного потока, охлл,i.;; щего погружной электродлига1г;». 2001313 12 э вщуюМигатед6 Фиг 8 K - -коэффициент пропорциональности, эависящий от мощности электродвигаа щв Серия ими®M Серия unnynr и gCNOAhU ©1ючФ теля, К = 1,0 - 10,95: N - количество ступеней. 2001313 2001313 11 а 4 а Ф Ф Ъ \ ° ° ° ° ° ° . ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° Э ° Ф ° ° ° Ф ° ° ° ° ° ° ° ° Я ° ° 
