Электронасосная погружная установка

 

Изобретение может быть использовано при создании приводов погружных насосов нефтедобычи. Установка содержит преобразователь, состоящий из размещенного на земле выпрямителя с системой управления и инвертора с системой управления, питающего электродвигатель погружного насоса. Насос, двигатель и инвертор размещены в скважине. Один из силовых выводов инвертора связан с соответствующим силовым выводом выпрямителя при помощи жилы одножильного кабеля. Вторые выводы выпрямителя и инвертора подключены к земле и/или обсадной колонне скважины и металлической оплетке кабеля. Установка снабжена датчиком положения ротора двигателя. Выпрямитель и инвертор выполнены с программным управлением. Система управления инвертора соединена соответствующими входами с датчиками положения ротора и выходом инвертора. Вход программного устройства инвертора соединен с входом инвентора, а выход - с третьим входом системы управления инвентора. При этом программное устройство выпрямителя задает угол задержки более 90° эл. при пуске. Такое выполнение установки уменьшает ее массу, материалоемкость и габариты. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, точнее к электроприводу погружных насосов нефтедобычи.

Нефтедобыча с помощью погружных насосов [1, стр. 84, 85] характеризуется тем, что в скважину, в обсадную колонну, опускается насос с двигателем. Электропитание двигателя производится от трехфазной промышленной сети через опускаемый в скважину вместе с двигателем трехжильный кабель. Недостатком таких устройств является наличие тяжелого, материалоемкого трехжильного кабеля и невозможность регулирования скорости вращения насоса в соответствии с технологическими требованиями. Еще один недостаток таких установок заключается в том, что при пуске в результате прямого подключения двигателя к сети имеют место резкие, ударные нагрузки на валы и вращающиеся части насоса и двигателя, приводящие к выходу из строя оборудования.

Известны электронасосные установки [1, стр. 59], в которых для регулирования частоты питающего двигатель тока (фиг. 1а) от промышленной сети (1) питается преобразователь (2), устанавливаемый на поверхности земли. Преобразователь содержит выпрямитель (3) и инвертор (4), собранные, например, по трехфазной мостовой схеме на тиристорах. Инвертор (4) позволяет изменять частоту на своем выходе и через линию передачи переменного тока - опущенный в обсадную колонну (5) трехжильный кабель (6) - регулировать скорость вращения насоса (7), с которым механически соединен питаемый от инвертора двигатель (8). Инвертор также позволяет производить плавный безударный запуск установки. Недостатком таких установок является наличие тяжелого, материалоемкого трехжильного кабеля. По отношению к предлагаемому изобретению данная установка является наиболее близким аналогом и принимается в качестве прототипа.

Целью настоящего изобретения является уменьшение массы, материалоемкости и габаритов установки.

Поставленная цель достигается тем, что взамен тяжелого материалоемкого трехжильного кабеля довольно большой длины (глубина скважин достигает 4-х и более километров) применяется в несколько раз более легкий, менее материалоемкий и малогабаритный кабель постоянного тока, что обеспечивается использованием в качестве одного из проводов линии передачи обсадной колонны, металлической оплетки кабеля и земли, окружающей скважину. Но для осуществления этого необходимо инвертор опустить в скважину и разместить в непосредственной близости от двигателя и насоса. Для обеспечения работоспособности инвертора в условиях его расположения на глубине требуется новая схема его построения. Для этого выпрямитель и инвертор выполняются с цифровым управлением. На валу двигателя устанавливается датчик положения ротора, связанный с системой управления инвертора.

На фиг. 1б изображена схема, иллюстрирующая размещение элементов установки.

На фиг. 2 приведена электрическая схема предлагаемой электронасосной погружной установки.

Схема содержит выпрямитель 3, размещенный на поверхности и питаемый от сети 1, и инвертор 4, размещенный в скважине 5 в непосредственной близости от питаемого им двигателя 8 и насоса 7. Один из силовых выводов инвертора связан с соответствующим силовым выводом выпрямителя при помощи жилы одножильного кабеля 10. Вторые силовые выводы выпрямителя и инвертора подключены к земле и/или обсадной колонне скважины и металлической оплетке кабеля 11. При этом выпрямитель и инвертор выполнены с программным управлением, а система управления инвертора 12 соединена своим выходом 13 с полупроводниковыми ключами (тиристорами) инвертора, а соответствующими входами 14 и 15 - с датчиком 9 положения ротора и выходом инвертора. Вход 16 программного устройства 17 инвертора соединен с входом инвертора, а выход 18 - с третьим входом системы управления инвертора 12. Программное устройство 19 выпрямителя с выходом 20, через систему управления выпрямителя 21, имеющую выход 22, задает угол задержки выпрямителя более 90^o эл. при пуске. По второму входу 23 системы управления выпрямителя 21 производится управление режимом работы выпрямителя и, следовательно, установки в целом от регулятора. Через программное устройство выпрямителя 19 по входу 24 от оператора поступают команды на пуск, останов установки и задаются параметры технологического режима, который должен далее автоматически поддерживать регулятор.

Предлагаемая электронасосная установка (фиг. 1б и 2) работает следующим образом. Напряжение питающей сети 1 выпрямляется выпрямителем 3 и поступает на жилу одножильного кабеля 10 (один полюс линии передачи постоянного тока) к земле и/или обсадной колонне 5 скважины и металлической оплетки кабеля 11 (второй полюс линии). Инвертор 4 преобразует элекроэнергию постоянного тока, поступающую на его вход по кабелю (10), оплетке кабеля, обсадной колонне и земле 11, в электроэнергию трехфазного переменного тока с регулируемой частотой. Это позволяет регулировать скорость вращения насоса 7, приводимого во вращение двигателем 8, который подключен к выходу инвертора 4. На валу двигателя устанавливается датчик 9 положения ротора, например такой, как описан в [3] . Сигнал этого датчика используется для синхронизации системы управления инвертора 12, представляющей из себя импульсно-фазовый преобразователь, например как широко известный с вертикальным способом регулирования фазы [4, стр. 22]. Импульсы управления полупроводниковых ключей инвертора 4, поступающие с выхода системы управления 13, следуют в такой фазе относительно ЭДС статора двигателя, что переключение ключей обеспечивается за счет этой ЭДС как при естественной коммутации инвертора по цепи нагрузки (по терминологии МЭК "Инвертор с нагрузочной коммутацией" [5, стр. 21]). Аналогично действует и второй канал синхронизации 15, связывающий еще один вход системы управления 12 с выходом инвертора (то есть со статорными выводами двигателя). Импульсы, формируемые системой управления 12, и по этому каналу синхронизируются относительно ЭДС статорной обмотки двигателя так, чтобы обеспечивалась естественная коммутация инвертора ("нагрузочная коммутация"). При таком построении системы управления для коммутаций ключей инвертора не требуется специальных коммутирующих цепей (цепей "искусственной" коммутации), а габариты и масса инвертора значительно уменьшаются и становится возможным опустить инвертор в скважину и разместить его в непосредственной близости от двигателя и насоса.

Изменение, регулирование, стабилизация скорости вращения насоса производится изменением, регулированием, стабилизацией напряжения на выходе выпрямителя 3 в результате действия автоматического регулятора по входу 23 системы управления выпрямителя 21, которая импульсами, поступающими с ее выхода 22, обеспечивает регулирование угла задержки выпрямителя 3. Система управления выпрямителя 21 может быть построена как известные схемы, например, с вертикальным способом регулирования фазы [4, стр. 22]. Повышение напряжения выпрямителя вызывает увеличение тока в линии передачи (кабеле). В свою очередь увеличивается и сынвертированный ток - то есть ток статора двигателя. Увеличение тока статора, как известно [6, стр. 95], повышает момент вращения двигателя и скорость вращения насоса увеличивается. Если, наоборот, напряжение выпрямителя понизить, то таким же образом, как было описано выше, произойдет снижение скорости вращения насоса. Таков механизм изменения, регулирования и стабилизации скорости вращения насоса, используемый автоматическим регулятором.

При пуске установки, когда двигатель еще не вращается и на статорных обмотках поэтому его ЭДС равна нулю, "нагрузочная коммутация" инвертора невозможна. На этой стадии программные устройства инвертора 17 и выпрямителя 19 переводят системы управления инвертора 12 и выпрямителя 21, соответственно, в пусковой режим работы.

Программное устройство выпрямителя 19 переводит его систему управления 21 на работу с большими углами задержки (более 90^o эл.). Как известно [2, стр. 98] , при таких углах задержки ток на выходе выпрямителя (то есть в линии передачи постоянного тока) имеет прерывистый характер. В этом режиме программное устройство инвертора 17, начиная с очень низкой частоты (например, начиная с 1-5 Гц), плавно повышает частоту импульсов синхронизации на своем выходе 18, которые распределяются системой управления инвертора 12 по полупроводниковым ключам инвертора 4 так, что происходит заданное чередование включения и выключения ключей инвертора (выключение ключей происходит, как было описано выше, естественно в связи с тем, что ток в линии постоянного тока прерывистый). В связи с наличием требуемого чередования включений и выключений ключей инвертора 4, двигатель начинает вращаться, а в связи с плавным повышением частоты при пуске, задаваемым программным устройством инвертора 17, его скорость вращения плавно повышается. Когда скорость вращения двигателя повышается до необходимой величины (5-10 Гц), характеризуемой тем, что ЭДС двигателя и сигналы датчика скорости достигают достаточной для работы системы управления 12 по входам 14 и 15 величины (то есть система управления инвертора получает возможность формировать импульсы управления при синхронизации их по входам 14 и 15) программное устройство 17 переводит систему управления 12 в режим формирования импульсов с синхронизацией их от входов 14 и 15.

При достижении в процессе пуска скорости вращения двигателя необходимой величины (5-10 Гц), программное устройство выпрямителя 19 переключает систему управления выпрямителя 21 в режим регулирования угла задержки по входу 23 от регулятора, после чего регулятор постепенно повышает напряжение на выходе выпрямителя, обеспечивая дальнейший разгон двигателя и насоса до заданной (номинальной, например) величины. По окончании разгона двигателя до этой величины, пуск заканчивается и установка оказывается в нормальном рабочем режиме, в котором она далее работает длительно.

Источники информации 1. С.А. Абдурашитов и др. "Насосы и компрессоры". М., "Недра", 1974.

2. Е. И. Беркович и др. "Полупроводниковые выпрямители", М., "Энергия", 1967.

3. А. А.Иванов и др. Трехфазный вентильный двигатель с аналого-цифровым преобразователем частоты, коммутируемым по ЭДС вращения. Вестник МЭИ, N 2, 1995.

4. А.Л. Писарев, Л.П.Деткин. Управление тиристорными преобразователями. М., "Энергия", 1975.

5. Международный электротехнический словарь. Глава 551: Силовая электроника. СЕ1, 1982.

6. К. П. Ковач, И. Рац. Переходные процессы в машинах переменного тока. М-Л, ГЭИ, 1963.

Формула изобретения

Электронасосная погружная установка, содержащая преобразователь, состоящий из размещенного на земле выпрямителя с системой управления и включенного на его выходе инвертора с системой управления, питаемый инвертором электродвигатель, погруженный в скважину с обсадной колонной, с погружным насосом на выходе, отличающаяся тем, что в нее введен датчик положения ротора двигателя, инвертор размещен в скважине в непосредственной близости от двигателя и насоса, один из силовых выводов инвертора связан с соответствующим силовым выводом выпрямителя при помощи жилы одножильного кабеля, вторые силовые выводы выпрямителя и инвертора подключены к земле и/или обсадной колонне скважины и металлической оплетке кабеля, при этом выпрямитель и инвертор выполнены с программным управлением, а система управления инвертора соединена соответствующими входами с датчиком положения ротора и выходом инвертора, вход программного устройства инвертора соединен с входом инвертора, а выход - с третьим входом системы управления инвертора, причем программное устройство выпрямителя задает угол задержки более 90^o эл. при пуске.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 18-2004

Извещение опубликовано: 27.06.2004