Устройство для защиты погружного электродвигателя

 

Изобретение относится к устройствам для защиты от анормальных режимов и перегрузки погружных электродвигателей, работающих в приводе насосов для добычи нефти или откачки воды из скважин. Устройство содержит датчик температуры, датчик давления, датчик вибрации, три конденсатора, дроссель, контакт реле, обмотку реле, выпрямитель, два блока управления, источник напряжения, фильтр нижних частот, два коммутатора, масштабный усилитель, выход которого соединен с входом блока регулирования, генератор импульсов, два резистора, преобразователь напряжения в постоянный ток, преобразователь давления в напряжение, преобразователь температуры в напряжение, преобразователь вибрации в напряжение. Технический результат заключается в повышении надежности защиты погружного электродвигателя. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам для защиты от анормальных режимов и перегрузки погружных электродвигателей (ПЭД), работающих в приводе насосов для добычи нефти или откачки воды из скважин.

Уровень техники в указанной области характеризуется следующими техническими решениями.

Известно устройство для защиты погружного электродвигателя, содержащее датчик температуры, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый коммутатор, блок регулирования, генератор импульсов (см. а. с. N 1302369 от 02.01.85 г. , МКИ H 02 H 7/8). Вход фильтра нижних частот предназначен для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора. Датчик температуры, установленный вблизи статорных обмоток погружного электродвигателя, подключен последовательно с диодом между нулевой точкой обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом. Блок регулирования выполнен в виде двух блоков сравнения, выходы которых подключены к исполнительным механизмам.

Известное устройство позволяет исключить влияние сопротивления изоляции на измерение температуры нагрева статорных обмоток погружного электродвигателя.

Недостатком известного устройства является отсутствие в нем элементов защиты погружного электродвигателя от срыва подачи электронасоса, контролируемого по давлению в скважине, что может привести к возникновению в насосе сухого трения, повышению газового фактора в откачиваемой жидкости и, следовательно, к ухудшению охлаждения двигателя и силового кабеля.

Кроме того, недостаточная надежность выполнения устройством функций защиты погружного электродвигателя обусловлена отсутствием элементов защиты последнего от вибраций.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для защиты погружного электродвигателя (см. а.с. N 1777198 от 09.04.90 г., МКИ H 02 H 7/08), содержащее датчик температуры, датчик давления, первый конденсатор, дроссель, контакт реле, обмотку реле, выпрямитель, первый блок управления, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый коммутатор, масштабный усилитель, выход которого соединен с входом блока регулирования, генератор импульсов, второй конденсатор, первый вывод которого предназначен для подключения к нулевой точке статорных обмоток погружного электродвигателя, третий конденсатор, первый вывод которого, предназначенный для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора, соединен с входом фильтра нижних частот, первый выход первого блока управления соединен с управляющим входом первого коммутатора и второй выход - с входом генератора импульсов, первый вход выпрямителя соединен с вторым выводом второго конденсатора, второй вход заземлен и к выходам подключена обмотка реле, первый вывод дросселя соединен с первым выводом первого конденсатора, а второй вывод - с первым выводом контакта реле.

В известном устройстве, по сравнению с вышеописанным аналогом, предусмотрена дополнительная защита погружного электродвигателя при срыве подачи насоса путем введения цепей контроля давления в скважине, кроме того повышена надежность защиты двигателя за счет измерения температуры и давления независимо от значений сопротивления изоляции и сопротивления изоляции - при отключении измерительных цепей от корпуса двигателя.

Однако, известное устройство не обеспечивает достаточную надежность защиты погружного электродвигателя, так как в нем отсутствуют элементы, осуществляющие контроль вибрации погружного электродвигателя, которая может увеличиваться из-за дополнительных ускорений вала насоса, сочлененного с валом двигателя. Это происходит в результате кавитационных эффектов на лопатках насоса, вызванных газовыделением из откачиваемой жидкости при снижении динамического уровня в скважине. При увеличении вибрации вала двигателя в местах расположения опорных подшипников возникает дополнительный перегрев статорного железа и, как следствие - локальный аварийный перегрев статорных обмоток, который не может быть зафиксирован датчиком температуры, измеряющим температуру в целом.

Недостатком известного устройства является также невысокая помехозащищенность, так как оно не обеспечивает получение и обработку сигналов измерения высокого уровня. Мощность сигнала ограничена параметрами датчиков измерения, подключенных непосредственно к нулевой точке статорных обмоток погружного электродвигателя.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для защиты погружного электродвигателя, в котором за счет введения новых блоков и связей обеспечено повышение надежности выполнения устройством функций защиты погружного электродвигателя.

Для решения поставленной задачи в известное устройство для защиты погружного электродвигателя, содержащее датчик температуры, датчик давления, первый конденсатор, дроссель, контакт реле, обмотку реле, выпрямитель, первый блок управления, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый коммутатор, масштабный усилитель, выход которого соединен с входом блока регулирования, генератор импульсов, второй конденсатор, первый вывод которого предназначен для подключения к нулевой точке статорных обмоток погружного электродвигателя, третий конденсатор, первый вывод которого, предназначенный для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора, соединен с входом фильтра нижних частот, первый выход первого блока управления соединен с управляющим входом первого коммутатора и второй выход - с входом генератора импульсов, первый вход выпрямителя соединен с вторым выводом второго конденсатора, второй вход заземлен и к выходам подключена обмотка реле, первый вывод дросселя соединен с первым выводом первого конденсатора, а второй вывод - с первым выводом контакта реле, согласно изобретению дополнительно введены первый и второй резисторы, преобразователь напряжения в постоянный ток, второй коммутатор, второй блок управления, преобразователь давления в напряжение, преобразователь температуры в напряжение, преобразователь вибрации в напряжение, датчик вибрации. Первый и второй выходы второго блока управления подключены к соответствующим управляющим входам второго коммутатора, к первому входу которого через преобразователь давления в напряжение подключен датчик давления, к второму входу через преобразователь температуры в напряжение подключен датчик температуры и к третьему входу через преобразователь вибрации в напряжение подключен датчик вибрации. Выход второго коммутатора через преобразователь напряжения в постоянный ток соединен с первыми выводами дросселя и первого конденсатора, второй вывод которого предназначен для подключения к заземленному корпусу погружного электродвигателя. Второй вывод контакта реле, предназначенный для подключения к нулевой точке статорных обмоток погружного электродвигателя, соединен с первым выводом второго конденсатора. Третий выход первого блока управления соединен с управляющим входом блока регулирования. Выход генератора импульсов соединен с вторым выводом третьего конденсатора. Выход фильтра нижних частот подключен к входу первого коммутатора, первый выход которого соединен с первой шиной источника напряжения и второй выход подключен к первым выводам последовательно соединенных первого и второго резисторов. Второй вывод первого резистора заземлен. Второй вывод второго резистора соединен с второй шиной источника напряжения и входом масштабного усилителя.

Введение дополнительных блока управления с коммутатором, новых цепей измерения, преобразования и обработки контролируемых параметров - температуры, давления, вибрации и использование в качестве измерительного элемента резистивного делителя позволяют контролировать дополнительный параметр - вибрацию погружного электродвигателя и одновременно повысить уровень обрабатываемых сигналов, увеличив вследствие этого помехозащищенность устройства. Таким образом, предлагаемая совокупность признаков позволяет повысить надежность защиты погружного электродвигателя.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для защиты погружного электродвигателя; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит датчик 1 температуры, датчик 2 давления, первый конденсатор 3, дроссель 4, контакт 5 реле, обмотку 6 реле, выпрямитель 7, первый блок 8 управления, источник 9 напряжения, фильтр 10 нижних частот, первый коммутатор 11, масштабный усилитель 12, выход которого соединен с входом блока 13 регулирования, генератор 14 импульсов, второй конденсатор 15, третий конденсатор 16, первый и второй резисторы 17 и 18, преобразователь 19 напряжения в постоянный ток, второй коммутатор 20, второй блок 21 управления, преобразователь 22 давления в напряжение, преобразователь 23 температуры в напряжение, преобразователь 24 вибрации в напряжение, датчик 25 вибрации. Первый вывод второго конденсатора 15 предназначен для подключения к нулевой точке статорных обмоток 26 погружного электродвигателя. Первый вывод третьего конденсатора 16, предназначенный для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора 27, соединен с входом фильтра 10 нижних частот. Первый выход первого блока 8 управления соединен с управляющим входом первого коммутатора 11 и второй выход - с входом генератора 14 импульсов. Первый вход выпрямителя 7 соединен с вторым выводом второго конденсатора 15, а второй вход заземлен и к выходам подключена обмотка 6 реле. Первый вывод дросселя 4 соединен с первым выводом первого конденсатора 3, а второй вывод - с первым выводом контактa 5 реле. Первый и второй выходы второго блока 21 управления подключены к соответствующим управляющим входам второго коммутатора 20, к первому входу которого через преобразователь 22 давления в напряжение подключен датчик 2 давления, к второму входу через преобразователь 23 температуры в напряжение подключен датчик 1 температуры и к третьему входу через преобразователь 24 вибрации в напряжение подключен датчик 25 вибрации. Выход второго коммутатора 20 через преобразователь 19 напряжения в постоянный ток соединен с первыми выводами дросселя 4 и первого конденсатора 3, второй вывод которого предназначен для подключения к заземленному корпусу погружного электродвигателя (не показан). Второй вывод контакта 5 реле, предназначенный для подключения к нулевой точке статорных обмоток 26 погружного электродвигателя, соединен с первым выводом второго конденсатора 15. Третий выход первого блока 8 управления соединен с управляющим входом блока 13 регулирования. Выход генератора 14 импульсов соединен с вторым выводом третьего конденсатора 16. Выход фильтра 10 нижних частот подключен к входу первого коммутатора 11, первый выход которого соединен с первой шиной источника 9 напряжения и второй выход подключен к первым выводам последовательно соединенных первого и второго резисторов 17 и 18. Второй вывод первого резистора 17 заземлен, второй вывод второго резистора 18 соединен с второй шиной источника 9 напряжения и входом масштабного усилителя 12. Наземная часть 28 устройства предназначена для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового трансформатора 27. Погружаемая часть 29 устройства предназначена для подключения к нулевой точке статорных обмоток 26 погружного электродвигателя и к его заземленному корпусу (не показан). Вторичная обмотка силового трансформатора 27 соединена сo статорными обмотками 26 погружного электродвигателя при помощи силового кабеля 30, образуя линию связи между наземной и погружаемой частями 28 и 29 заявляемого устройства.

В качестве датчиков могут быть использованы, например, следующие приборы: датчик 1 температуры - стандартный медный датчик сопротивления; датчик 2 давления - потенциометрический МДД; датчик 25 вибрации - акселерометр, например ДПЗ.

В качестве выпрямителя 7 может быть использован, например, диодный мост.

В качестве обмотки 6 реле использована, например, катушка герконового реле.

Блок 8 управления содержит, например, задающий кварцевый генератор, выход которого соединен с входом многоразрядного счетчика, выходы разрядов последнего подключены ко входам соответствующих схем И-ИЛИ, образующих необходимую сетку временных интервалов.

Коммутатор 11 может быть выполнен, например, на основе реле с переключающими контактами.

Блок 13 регулирования содержит схему сравнения, выполненную, например, на компараторах со стробированием, первые входы которых объединены и образуют первый вход блока. Вторые входы компараторов подключены к источникам опорных напряжений, определяющих порог срабатывания. Входы стробирования компараторов, являющиеся вторым входом блока, соединены многоканальной шиной с третьим выходом блока 8 управления. Выходы компараторов через схему ИЛИ соединены с исполнительным механизмом, например, силовым контактором. Количество компараторов соответствует количеству измеряемых параметров, в конкретном примере - четырем: первый для контроля сопротивления, второй - температуры, третий - давления, четвертый - вибрации. Генератор импульсов 14 может быть выполнен, например, на основе операционных усилителей с резистивно-емкостными обратными связями и имеющих мощный выходной каскад серии 1408УД1.

В качестве резисторов 17 и 18 использованы соответственно низкоомный и высокоомный резисторы, например С2-29В.

Коммутатор 20 может быть выполнен, например, на основе управляемых ключей с входным дешифратором, микросхем серии 590.

Блок 21 управления содержит, например, задающий кварцевый генератор, соединенный с многоразрядным счетчиком.

Преобразователи 22 давления и 23 температуры в напряжение выполнены, например, в виде масштабных усилителей.

Преобразователь 24 вибрации в напряжение реализован, например, на основе пикового детектора на операционных усилителях.

Устройство для защиты погружного электродвигателя работает следующим образом.

При включении устройства на выходах первого блока 8 управления формируются сигналы, поступающие на входы первого коммутатора 11, генератора 14 импульсов и блока 13 регулирования. При этом последовательно в заданные периоды времени срабатывают каналы измерения сопротивления изоляции (утечки) R_из линии связи, давление на приеме насоса (не показан), температуры статорных обмоток 26 погружного электродвигателя и вибрации последнего.

В течение первого периода времени при измерении сопротивления изоляции R_из обмотка 6 реле обесточена, контакт 5 реле разомкнут и погружаемая часть 29 устройства отключена от наземной части 28, генератор 14 импульсов выключен, а сигналы первого и третьего выходов блока 8 управления поступают соответственно на управляющие входы коммутатора 11 и блока 13 регулирования, например на стробирующий вход его первого компаратора (не показан). При этом коммутатор 11 подключает к линии связи источник 9 питания. При наличии конечного сопротивления изоляции R_из линии связи по ней от источника 9 питания через коммутатор 11, фильтр 10 нижних частот и резисторы 17 и 18 протекает ток, значение которого обратно пропорционально сопротивлению R_из. Напряжение, выделяемое на резисторах 17 и 18, поступает через вход масштабного усилителя 12 на второй вход блока 13 регулирования, где сравнивается с опорным напряжением. В случае, когда сопротивление изоляции становится меньше заданной величины, на резисторах 17 и 18 выделяется напряжение, величина которого превышает опорное напряжение, и исполнительный механизм (не показан) блока 13 регулирования отключает питание погружного электродвигателя.

По окончании первого периода времени блок 8 управления отключает канал измерения сопротивления изоляции R_из и включает канал измерения давления. При этом сигнал с третьего выхода блока 8 управления поступает по шине на управляющий вход блока 13 регулирования, например на вход его второго компаратора (не показан). Сигнал со второго выхода блока 8 управления включает генератор 14 импульсов. Одновременно по сигналу с первого выхода блока 8 управления переключается коммутатор 11, отключая источник 9 питания от фильтра 10 нижних частот и подключая последний к низкоомному резистору 17, при этом изменяется коэффициент усиления масштабного усилителя 12, так как резистор 18 оказывается подключенным последовательно с ним. Импульсы с выхода генератора 14 импульсов, через конденсатор 16, вторичную обмотку силового трансформатора 27, силовой кабель 30, статорную обмотку 26 погружного электродвигателя и конденсатор 15 поступают на выпрямитель 7 и обмотку 6 реле. При этом замыкается контакт 5 реле и подключается погружаемая часть 29 устройства.

При появлении питания с выхода генератора 14 импульсов на первом и втором выходах второго блока 21 управления устанавливаются логические "0". Так, в примере конкретной реализации блока 21 управления при заполнении многоразрядного счетчика импульсами задающего кварцевого генератора выходные разряды счетчика, являющиеся выходами блока, меняют свое состояние. В течение времени заполнения первого разряда счетчика на выходах блока сохраняются логические "0". По этим сигналам, поступающим на первый и второй управляющие входы второго коммутатора 20, последний подключает канал измерения давления. Сигнал с датчика 2 давления через преобразователь 22 давления в напряжение поступает на первый вход коммутатора 20. С выхода последнего сигнал поступает на преобразователь 19 напряжения в постоянный ток, пропорциональный величине давления. Этот ток, проходя через дроссель 4, контакт 5 реле, статорные обмотки 26 погружного электродвигателя, силовой кабель 30, вторичную обмотку силового трансформатора 27, фильтр 10 нижних частот, коммутатор 11 и резистор 17, создает на последнем падение напряжения, пропорциональное величине текущего давления на приеме насоса (не показан). Через резистор 18 и масштабный усилитель 12 это напряжение поступает на вход блока 13 регулирования, где сравнивается с опорным напряжением. В случае снижения давления ниже допустимого блок 13 регулирования, конкретно - его исполнительный механизм (не показан), выключает питание ПЭД, но устройство продолжает измерение. Далее давление в скважине начинает расти за счет притока нефти, и при достижении им заданного значения устройство, конкретно исполнительный механизм (не показан) блока 13 регулирования, включает питание ПЭД.

После заполнения первого разряда счетчика второго блока 21 управления на его первом выходе устанавливается логическая "1", которая сохраняется в течение времени заполнения второго разряда счетчика, а на втором выходе сохраняется логический "0". Одновременно первый блок 8 управления изменяет свое состояние, настраивая блок 13 регулирования на измерение температуры статорных обмоток 26 двигателя. Состояние остальных выходов блока 8 управления остается таким же, как при измерении давления, т.е. включен генератор 14 импульсов, коммутатор 11. За время, в течение которого на первом выходе блока 21 управления сохраняется логическая "1", измеряется температура статорных обмоток 26 погружного электродвигателя. При этом сигнал, поступающий от датчика 1 температуры через преобразователь 23 температуры в напряжение на второй вход коммутатора 20, передается последним на преобразователь 19 напряжения в постоянный ток, величина которого пропорциональна измеряемой температуре. Далее происходит процесс, аналогичный вышеизложенному для режима измерения давления. В случае превышения величины температуры заданного значения блок 13 регулирования отключает погружной электродвигатель. Включается ПЭД по команде с пульта оператора (не показан).

Во втором блоке 21 управления после заполнения импульсами задающего генератора второго разряда счетчика на втором выходе устанавливается логическая "1", а на первом выходе первого разряда устанавливается логический "0". Такое состояние сохраняется в течение времени заполнения второго разряда счетчика. Одновременно первый блок 8 управления изменяет свое состояние, и сигнал его третьего выхода поступает по шине на управляющий вход блока 13 регулирования и настраивает последний на режим контроля вибрации. Состояние остальных выходов первого блока 8 управления остается таким же, как и при измерении температуры и давления. За период времени, в течение которого на выходах второго блока 21 управления сохраняется вышеупомянутое состояние, измеряется вибрация погружного электродвигателя. При этом сигнал, поступающий от датчика 25 вибрации через преобразователь 24 вибрации в напряжение, на третий вход второго коммутатора 20, передается последним на преобразователь 19 напряжения в постоянный ток, величина которого пропорциональна измеряемой вибрации погружного электродвигателя. Далее повторяется процесс, аналогичный измерению температуры и давления. Включается ПЭД после аварийного отключения по команде с пульта оператора (не показан). Для избежания ложных срабатываний из-за возможной несинхронности работы первого и второго блоков 8 и 21 управления, в конкретном примере - входящих в их состав задающих генераторов, первый блок 8 управления вырабатывает импульсы запрета, поступающие на управляющий вход блока 13 регулирования, которые блокируют его работу, в конкретном примере - работу выходной схемы ИЛИ, на период прохождения переходных процессов при переключении каналов измерения параметров (см. фиг. 2).

Таким образом, по сравнению с прототипом введение в устройство для защиты погружного электродвигателя дополнительных узлов и связей между ними позволяет дополнительно осуществлять защиту погружного электродвигателя от вибраций, повысить помехозащищенность устройства и как следствие повысить надежность защиты электродвигателя.

Формула изобретения

Устройство для защиты погружного электродвигателя, содержащее датчик температуры, датчик давления, первый конденсатор, дроссель, реле, выпрямитель, первый блок управления, источник напряжения, фильтр нижних частот, первый коммутатор, масштабный усилитель, выход которого соединен с входом блока регулирования, генератор импульсов, второй конденсатор, первый вывод которого предназначен для подключения к нулевой точке статорных обмоток погружного электродвигателя, третий конденсатор, первый вывод которого, предназначенный для подключения к нулевой точке вторичной обмотки силового конденсатора, соединен с входом фильтра нижних частот, первый выход первого блока управления соединен с управляющим входом первого коммутатора и второй выход - с входом генератора импульсов, первый вход выпрямителя соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вход заземлен и к выводам подключена обмотка реле, первый вывод дросселя соединен с первым выводом первого конденсатора, а второй вывод - с первым выводом контакта реле, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый и второй резисторы, преобразователь напряжения в постоянный ток, второй коммутатор, второй блок управления, содержащий задающий кварцевый генератор, соединенный с многоразрядным счетчиком, преобразователь давления в напряжение, преобразователь температуры в напряжение, преобразователь вибрации в напряжение, датчик вибрации, при этом первый и второй выходы второго блока управления подключены к соответствующим управляющим входам второго коммутатора, к первому входу которого через преобразователь давления в напряжение подключен датчик давления, к второму входу через преобразователь температуры в напряжение подключен датчик температуры и к третьему входу через преобразователь вибрации в напряжение подключен датчик вибрации, выход второго коммутатора через преобразователь напряжения в постоянный ток соединен с первыми выводами дросселя и первого конденсатора, второй вывод которого предназначен для подключения к заземленному корпусу погружного электродвигателя, второй вывод контакта реле, предназначенный для подключения к нулевой точке статорных обмоток погружного электродвигателя, соединен с первым выводом второго конденсатора, третий выход первого блока управления, содержащего задающий кварцевый генератор, выход которого соединен с входом многоразрядного счетчика, выходы разрядов которого подключены к входам соответствующих схем И-ИЛИ для образования временных интервалов, соединен с управляющим входом блока регулирования, который в случае снижения давления ниже допустимого выключает питание погружного электродвигателя, а при возрастании давления при достижении им заданного значения включает его питание, в случае превышения величины температуры заданного значения отключает электродвигатель и аналогичным образом осуществляет режим контроля вибрации, выход генератора импульсов соединен с вторым выводом третьего конденсатора, выход фильтра нижних частот подключен к входу первого коммутатора, первый выход которого соединен с первой шиной источника напряжения и второй выход подключен к первым выводам последовательно соединенных первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора заземлен, второй вывод второго резистора соединен с второй шиной источника напряжения и входом масштабного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 22-2001

(73) Патентообладатель:ООО "Нефтяная технологическая компания" (RU)

Договор № 12217 зарегистрирован 03.04.2001

Извещение опубликовано: 10.08.2001        

---