Способ и устройство электроснабжения электродвигателя погружного насоса
Владельцы патента RU 2690529:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к электротехнике к области питания и управления асинхронными электродвигателями погружных насосов для подъема жидкостей из глубоких скважин и может быть использовано в системах водоснабжения и нефтедобывающей отрасли. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности применения резонансного способа электроснабжения электродвигателя погружного насоса по высоковольтному одножильному питающему кабелю, снижение в разы массы питающего электрического кабеля, расхода цветного металла и металлоемкости всей электроустановки, снижение потерь энергии в токоподводящем кабеле, снижение эксплуатационных затрат, повышение эксплуатационной надежности работы системы электрооборудования погружной насосной установки. Предлагаемая электрическая схема электроснабжения электродвигателя позволяет при возникновении резонансных колебаний высокой частоты 0,5 - 100 кГц при напряжении 1-10 кВ передавать электрическую энергию из низковольтной электрической цепи источника питания через высоковольтный одножильный питающий кабель для приема и преобразования напряжения в низковольтной электрической цепи для питания электродвигателя глубинного погружного насоса. В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять резонансный способ электроснабжения электродвигателя погружного насоса по высоковольтному одножильному питающему кабелю, снизить в разы его массу, расход цветного металла и потери энергии, повысить эффективность использования, эксплуатационную надежность и электробезопасность работы электрооборудования погружной насосной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике к области питания и управления асинхронными электродвигателями погружных насосов для подъема жидкостей из глубоких скважин и может быть использовано в системах водоснабжения и нефтедобывающей отрасли.
Известны способ и устройство электроснабжения погружного электронасоса для водоснабжения сельских населенных пунктов, содержащие станцию управления, токоподводящий кабель, прокладываемый по колонне водоподъемных труб одновременно с ее навеской, и трехфазный электродвигатель, соединенный с насосом, располагаемым ниже динамического уровня воды в скважине (Горгиджанян С.А., Дягилев А.И. Погружные насосы для водоснабжения и водопонижения. - Л., Машиностроение, 1968. 112 с.).
Недостатком известных способа и устройства является применение тяжелого трехжильного кабеля, требующего большого расхода цветного металла, большую металлоемкость, высокие монтажные и эксплуатационные затраты, низкая надежность и большие потери энергии в токоподводящем кабеле.
Известны способ и устройство электроснабжения погружного электронасоса, содержащие станцию управления с пускорегулирующей аппаратурой, соединенную электрическим кабелем с трехфазным электродвигателем с насосом, устанавливаемые в скважине (Усаковский В.М. Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве. - М., Колос, 2002. - 328 с.).
Недостатком является необходимость применения тяжелого трехжильного кабеля для подачи напряжения к электронасосу, требующего большой расход цветного металла, увеличивающего металлоемкость установки, трудозатраты и стоимость монтажных и эксплуатационных работ, низкая надежность, а также значительные потери энергии в поводящем электрическом кабеле
Известны способ и устройство электроснабжения погружного электронасоса, содержащее трехфазный электродвигатель с насосом и станцией управления, питание которого осуществляется по трехжильному кабелю, закрепляемому на водоподъемной трубе (патент РФ 2210003, МПК F04B 47/08, БИ №22, 2003).
Недостатком является применение тяжелого трехжильного кабеля, требующего большой расход цветного металла, имеющего большую металлоемкость, высокие монтажные и эксплуатационные затраты, низкая надежность, а также значительные потери энергии в поводящем электрическом кабеле.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ и устройство питания электротехнических устройств с применением генератора переменного напряжения и двух высокочастотных резонансных трансформаторов, обеспечивающих передачу электроэнергии от генератора на нагрузку по одному проводнику при создании резонансных колебаний системы (патент РФ №2108649, МПК Н02J 3/00, 1998).
Недостатком способа и устройства является невозможность непосредственного их применения для электроснабжения трехфазных асинхронных двигателей погружных насосов напряжением промышленной частоты, отсутствие возможности непрерывного контроля и поддержания режима резонанса напряжения системы электроснабжения для обеспечения стабильной работы электродвигателя, а также низкая эксплуатационная надежность изоляции питающего провода и обмоток трехфазного электродвигателя погружного насоса, приводящие к внезапным отказам.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности применения резонансного метода электроснабжения электродвигателя погружного насоса по высоковольтныму одножильному питающему кабелю, создание возможности непрерывного контроля и поддержания режима резонанса напряжения системы электроснабжения для обеспечения стабильной работы электродвигателя, снижение в разы массы питающего кабеля, расхода цветного металла и металлоемкости электроустановки, снижение потерь энергии в токоподводящем кабеле, снижение эксплуатационных затрат, повышение эксплуатационной надежности работы системы электрооборудования погружной насосной установки.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять резонансный способ электроснабжения электродвигателя погружного насоса по высоковольтному одножильному питающему кабелю, снизить в разы его массу, расход цветного металла и металлоемкость всей электроустановки, значительно снизить потери энергии в токоподводящем кабеле, повысить эксплуатационную надежность и эффективность работы электрооборудования погружной насосной установки, что приводит к техническому результату.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе электроснабжения электродвигателя погружного насоса, включающий подачу электрической энергии от источника питания через коммутирующий аппарат на высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор, соединенный одножильным электрическим проводом с понижающим высокочастотным резонансным трансформатором и электродвигатель, согласно изобретению, высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, передающий повышающий высокочастотный резонансный трансформатор с резонансным конденсатором устанавливают на станции управления погружным насосом, при этом электрическое напряжение сети подают на высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, повышают по частоте до 0,5-100 кГц, создают режим резонанса напряжения электрической цепи и подают на вход передающего повышающего высокочастотного резонансного трансформатора, при этом с высокопотенциального вывода высоковольтной обмотки высокочастотного резонансного трансформатора высокое напряжение 1-10 кВ подают на высоковольтный одножильный питающий кабель, выполненный в виде тонкого высоковольтного однопроводникового изолированного провода, при этом высоковольтный одножильный питающий кабель по всей длине помещают в гибкую изолирующую трубку для защиты от механических повреждений и закрепляют облегченными скобами на колонне водоподъемных труб, причем низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки передающего повышающего резонансного трансформатора соединяют с трубопроводной системой и землей, а высоковольтный одножильный питающий кабель другим концом соединяют с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки приемного понижающего резонансного трансформатора, установленного и смонтированного совместно с электродвигателем в корпусе погружного насоса, а другой низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки принимающего резонансного трансформатора соединяют с корпусом электронасоса и землей, при этом низковольтную обмотку понижающего резонансного трансформатора через резонансный конденсатор соединяют с инвертором, подающим трехфазное напряжение переменного тока на электродвигатель погружного насоса, а станцию управления дополнительно снабжают блоком непрерывного контроля и поддержания режима резонанса напряжения системы электроснабжения и блоком непрерывного контроля сопротивления изоляции токоведущих частей электрооборудования для обеспечения надежной и безопасной работы электроустановки.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве электроснабжения электродвигателя погружного насоса, содержащем подключенный к электрической сети через коммутирующий аппарат высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор, соединенный одножильным высоковольтным электрическим кабелем с понижающим высокочастотным резонансным трансформатором и электродвигатель, согласно изобретению, станция управления с пускозащитной аппаратурой снабжена высокочастотным преобразователем напряжения с регулируемой частотой 0,5-100 кГц, соединенным через резонансный конденсатор с низковольтной обмоткой передающего повышающего резонансного трансформатора, высоковольтная обмотка которого, своим высокопотенциальным выводом напряжением 1-10 кВ, соединена с началом высоковольтного одножильного питающего кабеля, выполненного в виде тонкого высоковольтного однопроводникового изолированного провода, при этом высоковольтный одножильный питающий кабель по всей длине помещен в гибкую изолирующую трубку для защиты от механических повреждений и закреплен облегченными скобами на колонне водоподъемных труб, при этом низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки передающего повышающего резонансного трансформатора связан с трубопроводной системой и землей, а высоковольтный одножильный питающий кабель другим концом соединен с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки приемного понижающего резонансного трансформатора, установленного и смонтированного совместно с электродвигателем погружного насоса, а другой низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки принимающего резонансного трансформатора связан с корпусом электронасоса и землей, при этом низкопотенциальная обмотка понижающего резонансного трансформатора через резонансный конденсатор соединена с инвертором, подающим трехфазное напряжение переменного тока на электродвигатель погружного насоса, причем станция управления дополнительно снабжена блоком непрерывного контроля и поддержания режима резонанса напряжения системы электроснабжения и блоком непрерывного контроля сопротивления изоляции токоведущих частей электрооборудования для обеспечения надежной и безопасной работы электроустановки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства для осуществления способа электроснабжения электродвигателя погружного насоса.
Устройство электроснабжения электродвигателя погружного насоса содержит станцию управления 1 с пускозащитной аппаратурой и источником электрической сети 2, соединенным с трехфазным входом высокочастотного преобразователя напряжения с регулируемой частотой 3, выход которого через резонансный конденсатор 4 соединен с низковольтной обмоткой 5 передающего повышающего резонансного трансформатора 6, высоковольтная обмотка 7 которого, своим высокопотенциальным выводом 8, соединена с началом высоковольтного одножильного питающего кабеля 9, выполненной в виде тонкого высоковольтного однопроводникового изолированного провода, который по всей длине высоковольтного одножильного питающего кабеля помещен в гибкую изолирующую трубку 23 для защиты от механических повреждений и закрепляют облегченными скобами 25 на колонне водоподъемных труб 24, при этом низкопотенциальный вывод 10 высоковольтной обмотки 7 передающего повышающего резонансного трансформатора 6 связан с трубопроводной системой и землей, а высоковольтный одножильный питающий кабель 9 другим концом соединен с высокопотенциальным выводом 11 высоковольтной обмотки 22 приемного понижающего резонансного трансформатора 12, установленного и смонтированного совместно с электродвигателем погружного насоса 18, а другой низкопотенциальный вывод 13 высоковольтной обмотки 22 принимающего резонансного трансформатора 12 связан с корпусом электронасоса 18 и землей, при этом низковольтная обмотка 14 понижающего резонансного трансформатора 12 через резонансный конденсатор 15 соединена с инвертором 16, подающим трехфазное напряжение переменного тока на электродвигатель 17 погружного насоса 18, обеспечивающего подачу жидкости из скважины на поверхность. Управление и защита системы электрооборудования осуществляется блоком 19 станции управления 1, которая дополнительно снабжена блоком 20 непрерывного контроля режима резонанса напряжения системы электроснабжения и блоком 21 непрерывного контроля сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и питающего кабеля. Устройство работает следующим образом.
Электрическая энергия сети от станции управления 1 с пускозащитной аппаратурой и источником электрической сети 2 подается на вход высокочастотного преобразователя напряжения 3 с регулируемой частотой 0,5-100 кГц, настроенного на частоту резонансного контура, состоящего из индуктивности низковольтной обмотки 5 и емкости конденсатора 4, при этом низкопотенциальный вывод 10 высоковольтной обмотки 7 передающего повышающего резонансного трансформатора 6 связан с трубопроводной системой и землей.
При возникновении резонансных колебаний электрическая энергия высокой частоты при напряжении 1-10 кВ от высокопотенциального вывода 8 высоковольтной обмотки 7 передающего высокочастотного резонансного трансформатора 6 поступает на начало высоковольтного одножильного питающего кабеля 9, выполненного в виде тонкого высоковольтного однопроводникового изолированного провода, который по всей длине высоковольтного одножильного питающего кабеля помещен в гибкую изолирующую трубку 23 для защиты от механических повреждений и закрепляется облегченными скобами 25 на колонне водоподъемных труб 24, и передается по высоковольтному одножильному питающему кабелю 9 к высокопотенциальному выводу 11 высоковольтной обмотки 22 приемного понижающего резонансного трансформатора 12, установленного и смонтированного совместно с электродвигателем погружного насоса 18. Другой низкопотенциальный вывод 13 высоковольтной обмотки 22 принимающего резонансного трансформатора 12 связан с корпусом электронасоса 18 и землей. Затем электрическая энергия от низковольтной обмотка 14 понижающего резонансного трансформатора 12 через резонансный конденсатор 15 подается на инвертор 16 для получения трехфазного напряжения переменного тока для питания электродвигателя 17 погружного насоса 18, обеспечивающего подачу жидкости из скважины на поверхность.
Управление и защита системы электрооборудования осуществляется блоком 19 станции управления 1, которая дополнительно снабжена блоком 20 непрерывного контроля режима резонанса напряжения системы электроснабжения и блоком 21 непрерывного контроля сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и питающего кабеля.
Предлагаемая электрическая схема электроснабжения электродвигателя позволяет при возникновении резонансных колебаний высокой частоты 0,5-100 кГц при напряжении 1-10 кВ передавать электрическую энергию из низковольтной электрической цепи источника питания, через высоковольтный одножильный питающий кабель для приема и преобразования в низковольтной электрической цепи в напряжение сети для питания электродвигателя глубинного погружного насоса.
Применение способа и устройства позволит ускорить в разы время спуска и подъема глубинного насосного агрегата. Высоковольтный одножильный питающий кабель более надежен и, с учетом общей длины, имеет меньшую стоимость.
1. Способ электроснабжения электродвигателя погружного насоса, включающий подачу электрической энергии от источника питания через коммутирующий аппарат на высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор, соединенный одножильным электрическим проводом с понижающим высокочастотным резонансным трансформатором, и электродвигатель, отличающийся тем, что высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, передающий повышающий высокочастотный резонансный трансформатор с резонансным конденсатором устанавливают на станции управления погружным насосом, при этом электрическое напряжение сети подают на высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, повышают по частоте до 0,5-100 кГц, создают режим резонанса напряжения электрической цепи и подают на вход передающего повышающего высокочастотного резонансного трансформатора, при этом с высокопотенциального вывода высоковольтной обмотки высокочастотного резонансного трансформатора высокое напряжение 1-10 кВ подают на высоковольтный одножильный питающий кабель, выполненный в виде тонкого высоковольтного однопроводникового изолированного провода, при этом высоковольтный одножильный питающий кабель по всей длине помещают в гибкую изолирующую трубку для защиты от механических повреждений и закрепляют облегченными скобами на колонне водоподъемных труб, причем низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки передающего повышающего резонансного трансформатора соединяют с трубопроводной системой и землей, а высоковольтный одножильный питающий кабель другим концом соединяют с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки приемного понижающего резонансного трансформатора, установленного и смонтированного совместно с электродвигателем в корпусе погружного насоса, а другой низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки принимающего резонансного трансформатора соединяют с корпусом электронасоса и землей, при этом низковольтную обмотку понижающего резонансного трансформатора через резонансный конденсатор соединяют с инвертором, подающим трехфазное напряжение переменного тока на электродвигатель погружного насоса, а станцию управления дополнительно снабжают блоком непрерывного контроля и поддержания режима резонанса напряжения системы электроснабжения и блоком непрерывного контроля сопротивления изоляции токоведущих частей электрооборудования для обеспечения надежной и безопасной работы электроустановки.
2. Устройство электроснабжения электродвигателя погружного насоса, содержащее подключенный к электрической сети через коммутирующий аппарат высокочастотный преобразователь напряжения с регулируемой частотой, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор, соединенный одножильным высоковольтным электрическим кабелем с понижающим высокочастотным резонансным трансформатором, и электродвигатель, отличающееся тем, что станция управления с пускозащитной аппаратурой снабжена высокочастотным преобразователем напряжения с регулируемой частотой 0,5-100 кГц, соединенным через резонансный конденсатор с низковольтной обмоткой передающего повышающего резонансного трансформатора, высоковольтная обмотка которого своим высокопотенциальным выводом напряжением 1-10 кВ соединена с началом высоковольтного одножильного питающего кабеля, выполненного в виде тонкого высоковольтного однопроводникового изолированного провода, при этом высоковольтный одножильный питающий кабель по всей длине помещен в гибкую изолирующую трубку для защиты от механических повреждений и закреплен облегченными скобами на колонне водоподъемных труб, при этом низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки передающего повышающего резонансного трансформатора связан с трубопроводной системой и землей, а высоковольтный одножильный питающий кабель другим концом соединен с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки приемного понижающего резонансного трансформатора, установленного и смонтированного совместно с электродвигателем погружного насоса, а другой низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки принимающего резонансного трансформатора связан с корпусом электронасоса и землей, при этом низкопотенциальная обмотка понижающего резонансного трансформатора через резонансный конденсатор соединена с инвертором, подающим трехфазное напряжение переменного тока на электродвигатель погружного насоса, причем станция управления дополнительно снабжена блоком непрерывного контроля и поддержания режима резонанса напряжения системы электроснабжения и блоком непрерывного контроля сопротивления изоляции токоведущих частей электрооборудования для обеспечения надежной и безопасной работы электроустановки.
