Регулируемый электропривод погружного электроцентробежного насоса для добычи нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

добыча нефть насос электродвигатель

Объектом исследования является регулируемый электропривод погружного электроцентробежного насоса .

В выпускной квалификационной работе в технологическом разделе рассмотрена технология добычи нефти с помощью погружных электроцентробежных насосов, произведен расчет мощности и выбор погружного электродвигателя типа. Изложено обоснование использования регулируемого электропривода погружного насоса и выбран частотный способ регулирования. Для реализации этого способа подобран статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. В расчетной части рассчитаны и построены рабочие и механические характеристики погружного электродвигателя . Определено время пуска и торможения электропривода.

В экономической части проекта произведены технико-экономические расчеты по стоимости и сроку окупаемости частотно-регулируемого электропривода. Срок окупаемости проекта составил 1 год, а себестоимость электропривода 202 370 тыс. р.

Дано описание безопасности и экологичности производства.

Произведена патентная проработка.

Основными способами добычи нефти являются насосные способы. Наряду с глубинными штанговыми насосами широкое применение находят погружные центробежные электронасосы, особенно для эксплуатации обводненных, высокодебитных, глубоких и наклонных скважин.

Преимуществом УЭЦН является простое обслуживание, так как на поверхности размещаются только станции управления и трансформатор. Установка центробежных насосов отличаются малой металлоемкостью, широким диапазоном рабочих характеристик как по напору, так и по расходу, достаточно высоким к.п.д., возможностью откачки больших количеств жидкости и большим межремонтным периодом. Работа установок ЭЦН легко поддается автоматизации и телеуправлению. При эксплуатации УЭЦН упрощаются процессы исследования скважины.

В выпускной квалификационной работе уделяется основное внимание частотному регулированию скорости вращения погружного электродвигателя. Применение частотно-регулируемого электропривода может обеспечить существенные экономические и технические преимущества насосов, используемых для поддержания пластового давления, внутри промысловой перекачки нефти, погружных центробежных насосов, технологических установок добычи нефти и др. Для электропривода ЭЦН требуется регулирование скорости с постоянством мощности на валу электродвигателя. Частотное регулирование дает возможность осуществить плавное, широкое и экономичное регулирование скорости погружного электродвигателя. Внедрение частотного регулирования электропривода позволяет повысить надежность работы оборудования и систем, улучшить качество производимой продукции и предоставляемых услуг. Применение регулируемого электропривода существенно уменьшает износ оборудования, позволяет экономить ресурсы и энергию. Важным фактором является автоматизация режима работы.

1. Техника и технология добычи нефти

1.1 Основные способы добычи нефти. Их преимущества и недостатки

В соответствии с изменением условий добычи нефти меняется степень распространенности различных способов ее добычи. Наибольшая доля добываемой нефти приходится на установки электроцентробежных насосов. В условиях интенсификации нефтедобычи эта тенденция непрерывно увеличивается.

При насосном способе эксплуатации скважин подъем нефти на поверхность осуществляется штанговыми и бесштанговыми насосами.

Установки штанговых скважинных насосов (ШСН) являются традиционными и наиболее распространенными видами механизированной добычи нефти. С точки зрения экономических возможностей ШСН могут обеспечить высокий напор в ограниченном диапазоне подач от 5 до 50 . В области подач от 1 до 40 ШСН имеют более высокий КПД по сравнению с другими способами добычи нефти и при подаче 35 , он может достигать максимального значения (37%). Таким образом, у ШСН хорошо приспособлены для работы в условиях малого дебита скважин, однако этот вид оборудования очень чувствителен к целому ряду осложняющих факторов, среди которых одними из самых весомых являются кривизна ствола скважины, обводненность продукции, наличие механических примесей и др. Непрерывное движение штанг вызывает усиленный износ штанговых муфт и, что особенно существенно, насосных труб. В результате многочисленных исследований установлена связь между наработкой на отказ ШСН, интенсивностью искривления стволов скважин и обводненностью продукции. Например, при увеличении темпа набора кривизны с 2 до 4 градусов на 10 м и обводненности продукции с 20 до 90 % наработка ШСН снижается примерно в два раза. В связи с этим, в последние годы при эксплуатации нефтяных скважин все шире применяются бесштанговые насосы - винтовые насосы, погружные электроцентробежные насосы и диафрагменные.

Винтовые насосы лучше всего подходят для подач 10-200 с напором, не превышающим 1500 м водяного столба. В силу конструктивных особенностей эти насосы наиболее эффективны при добыче вязкой нефти, а также при наличии в нефти песка и попутного газа.

Установки погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) предназначены для добычи из нефтяных эксплуатационных скважин пластовой жидкости, состоящей из водонефтяной эмульсии и попутного газа. ЭЦН имеют очень большой диапазон подач -- от 10 до 1000 и способны развивать напор до 3500 м водяного столба. В области больших подач (свыше 80 ) УЭЦН имеют самый высокий коэффициент полезного действия среди всех механизированных способов добычи нефти. В интервале подач от 50 до 300 КПД УЭЦН превышает 40 %, но в области небольших подач КПД УЭЦН резко падает.

Преимуществом УЭЦН является простое обслуживание, так как на поверхности размещаются только станции управления, трансформатор и, при необходимости, установка дозировочная электроприводная (УДЭ), не требующие постоянного ухода. Важное преимущество УЭЦН также более высокий, чем у ШСН, межремонтный период. Работа установок ЭЦН достаточно легко поддается автоматизации и телеуправлению. При эксплуатации УЭЦН упрощаются процессы исследования скважины.

Влияние кривизны ствола скважины на УЭЦН сказывается в основном при спускоподъемных операциях (СПО) из-за опасности повреждения кабеля и не связано (до определенной величины угла наклона скважины и темпа набора кривизны), как у ШСН, с самим процессом эксплуатации. При больших отборах жидкости из скважины установки ЭЦН наиболее экономичны и наименее трудоемки при обслуживании, по сравнению с насосами других типов. Поэтому УЭЦН отводится основная роль в добычи нефти, особенно на средних и последних стадиях разработки нефтяных месторождений. И совокупный объем нефти, добываемый УЭЦН с каждым годом будет только расти.

1.2 Состав и комплектность УЭЦН

Установка погружного электроцентробежного насоса для добычи нефти состоит из наземного и подземного оборудования. Принципиальная схема УЭЦН представлена на рисунке 1.1. К наземной части относятся: станция управления, повышающий трансформатор, распределительная коробка, устьевая арматура.

В комплект погружной части оборудования установки входят: погружной электродвигатель с гидрозащитой, насос с газосепаратором, обратный клапан, сливной клапан, колонна насосно-компрессорных труб (НКТ), кабельная линия.

1.2.1 Станция управления УЭЦН

Станция управления позволяет осуществить ручной и автоматический запуск УЭЦН и ее остановку. При аварийных режимах станция управления автоматически отключает УЭЦН, например, при коротком замыкании в кабеле или двигателе, перегрузке двигателя (с выдержкой времени), значительной недогрузке двигателя, отключении напряжения в питающей сети (с последующим автоматическим запуском при подаче напряжения), недопустимом снижении сопротивления изоляции системы кабель -- двигатель, при порывах выкидного коллектора или, если скважина оборудована УДЭ, капилляра для подачи химического реагента.

1.2.2 Трансформатор

Трансформатор масляный повышающий нефтяной (ТМПН) повышает и позволяет производить подбор напряжения с учетом потерь в кабельной линии, в зависимости от её длины, сечения и рабочего тока погружного электродвигателя (ПЭД), таким образом, чтобы двигатель на вводе в обмотку имел заданное номинальное напряжение (от 400 до 2050 В). Трансформаторы выполняются с естественным масляным охлаждением и электроцентробежного насоса предназначены для установки на открытом воздухе.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема установки

1.2.3 Кабель

Кабель предназначен для подачи электроэнергии с поверхности земли (от станций управления) к погружному электродвигателю. Чаще всего в нефтяной промышленность используется плоский бронированный кабель с тремя изолированными жилами, охваченными тканевой подушкой и ленточной броней из стальной оцинкованной ленты.

К кабелю предъявляются достаточно жесткие требования -- малые электрические потери, малые диаметральные габариты, хорошие диэлектрические свойства изоляции, термостойкость к низким и высоким температурам, хорошая сопротивляемость воздействию пластовой жидкости и газа.

Кабельная линия состоит из основного питающего кабеля и соединенного с ним кабеля-удлинителя с муфтой кабельного ввода, которая обеспечивает герметичное соединение с обмоткой статора двигателя. К кабелю-удлинителю предъявляются особые требования, так как он находится в наиболее термонагруженной зоне.

Соединение строительной части кабеля с кабелем-удлинителем осуществляется сухой сросткой, обеспечивающей надежное и герметичное соединение токоведущих жил.

Верхний конец кабельной линии проходит через сальниковое устройство, которое обеспечивает герметичность затрубного пространства, и соединяется через разъединительную коробку с электрической линией станции управления. Разъединительная коробка предназначена для предупреждения попадания нефтяного газа из полости кабельной линии в станцию управления.

Кабель и капиллярный рукав крепятся металлическими поясами (клямсами) выше и ниже муфт типа НКТ на 200 мм. В скважинах с большой кривизной эксплуатационной колонны для крепления кабеля и капилляра применяют специальные защитные протекторы.

Для кабельных линий применяются марки кабелей КПБП, КПпБП и др. Их основные технические характеристики представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Основные технические характеристики электрических кабелей, используемых для питания УЭЦН

Марка кабеля	Произведениеколичества жил на площадь сечения	Максимальные наружные размеры, мм	Максимальное рабочее напряжение, В	Масса 1 км, кг	Температура откачиваемой жидкости, °С
КПБП	3x10	13,6x33,8	3300	1056	90
	3x16	15,0x37,4		1105
КПпБП	3x10	13,2x27,0	3300	966	120
	3x16	15,0x32,6		1265

1.2.4 Погружной электроцентробежный насос

В зависимости от условий эксплуатации, применяют электроцентробежные насосы различного исполнения. Они могут быть обычной, износостойкой, а также повышенной коррозионной стойкости. Габаритные размеры, конструкция и характеристики для всех исполнений одинаковы.

Секция насоса представляет собой металлический корпус, изготовленный из стальной трубы длиной до 6000 мм, в котором размещаются насосные ступени с цилиндрическими или наклонно-цилиндрическими лопатками. Каждая ступень состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата. Длина насоса определяется числом насосных ступеней, число которых может достигать 550 штук. Количество ступеней определяется основными параметрами насоса - подачей и напором. Высоконапорные скважинные электроцентробежные насосы состоят из нескольких секций. Корпусные детали секций насоса соединяются фланцами с болтами или шпильками, а валы -- шлицевыми муфтами. Приемную сетку имеет только входной модуль насоса, расположенный в нижней секции или в газосепараторе. Ловильную головку имеет только верхняя секция насоса. К ловильной головке крепится колонна насосно-компрессорных труб с клапанным узлом.

В зависимости от диаметра эксплуатационной колонны применяют ЭЦН различных групп - 5, 5А, 6. Установки группы 5 предназначены для эксплуатации скважин с внутренним диаметром обсадной колонны не менее 121,7 мм, группы 5А - 130,0 мм, группы 6 - 144,3 мм, а УЭЦН 6-500-1100 и УЭЦН6-700-800 - с диаметром не менее 148,3 мм. Диаметры корпусов насосов группы 5-92 мм, группы 5А - 103 мм, группы 6-114 мм.

1.2.5 Погружной электродвигатель (ПЭД)

Чаще других для привода центробежных насосов используются трехфазовые, асинхронные маслозаполненные двигатели с короткозамкнутыми роторами. При частоте тока 50 Гц синхронная частота вращения их вала равна 3000 . Двигатели, как и насосы, должны иметь малые диаметры, различные для скважин с различными обсадными колоннами. Мощность двигателей достигает 500 кВт, номинальное напряжение (400--2000 В) и номинальный ток (от 10 до 100 А).

Для увеличения работоспособности погружного электродвигателя большое значение имеет надежная работа его гидрозащиты, предохраняющей электродвигатель от попадания в его внутреннюю полость пластовой жидкости и компенсирующей изменение объема масла в двигателе при его нагреве и охлаждении, а также при утечке масла через негерметичные элементы конструкции. Гидрозащита состоит из протектора и компенсатора. Протектор обеспечивает защиту от попадания пластовой жидкости в полость электродвигателя. Компенсатор служит для выравнивания давления внутри электродвигателя с затрубным давлением, а также для компенсации температурного изменения объема масла и утечек. Пластовая жидкость, попадая в электродвигатель, снижает изоляционные свойства масла, проникает через изоляцию обмоточных проводов и приводит к короткому замыканию обмотки. Кроме того, ухудшается смазка подшипников вала двигателя, что может перевести работу двигателя в режим «сухого трения» с дальнейшим выходом из строя ПЭД.

2. Выбор электрооборудования для бесштанговой насосной установки

2.1 Требования предъявляемые технологическими условиями к электроприводу

Особенности технологического процесса накладывают определенные требования к электроприводу УЭЦН. Скважина является главным исполнительным звеном в системе сбора нефти. Погружные центробежные электронасосы предназначены для эксплуатации нефтяных, иногда даже сильно обводненных, скважин малого диаметра и большой глубины, они должны обеспечивать безотказную и длительную работу в жидкостях, содержащих агрессивные пластовые воды с растворенными в них различными солями, газы, механические примеси.

При проектировании скважинной системы при выборе оборудования должно учитываться следующее:

- скважинная система должна соответствовать геофизическим условиям пласта, т.е. обеспечит выход на рабочую точку;

- насос должен создавать такие напоры на устье чтобы догнать нефть до дожимной насосной станции.

В общем, электропривод должен обеспечивать безотказную и долговечную работу установки во всех режимах эксплуатации, что во многом зависит от системы управления электродвигателем установки.

Для питания УЭЦН используется трехфазное напряжение, приводом служит асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором специального исполнения типа ПЭД. Двигатель питается от специализированной станции управления, которая обеспечивает управление и защиту электронасосов добычи нефти.

2.2 Выбор погружного электроцентробежного насоса и электродвигателя

Скважины по своим характеристикам бывают самые разнообразные. Даже в пределах одного промысла или участка скважины могут отличаться друг от друга коэффициентами продуктивности, динамическими уровнями, дебитами.

Отбор нефти из скважин устанавливается индивидуально для каждой скважины в зависимости от её характеристики и геологотехнических данных.

Наиболее эффективное применение погружных бесштанговых электронасосов для эксплуатации скважин можно получить в том случае, если правильно подобрать оборудование для скважины.

Наилучшее условие для экономичной эксплуатации скважин - соответствие параметров погружного электронасоса характеристике скважины.

В частности в выпускной квалификационной работе электроцентробежный насос выбирается с учетом следующих параметров скважин:

- диаметр обсадной колонны 168 мм;

- динамический уровень 562 м;

- напор теряемый на трение и местные сопротивления при движении жидкости в трубах от насоса до трапа, 5 м;

- глубина скважины 1210 м;

- фильтр от 1155 до 1195 м;

- добываемая жидкость - нефть,

- обводненная до 80%; удельный вес жидкости ? = 1,08 т/м?;

- вязкость жидкости ? = 0,01 см?/сек;

- наличие газа незначительное;

- добываемая жидкость подается в мерник, находящийся на расстоянии 10 м от скважины на одном уровне (по геодезическим отметкам) с устьем скважины;

- избыточный напор на выкидной трубе у мерника около 0,5 ат;

- напряжение промышленной сети 380 В.

Оборудование погружного электронасоса для данной скважины будет подбираться по характеристикам погружных электроцентробежных насосов.

При выборе электрооборудования для бесштанговой насоной установки в первую очередь определяют мощность погружного электродвигателя, которая должна соответствовать параметрам выбранного насоса [6].

Номинальные подача и напор, развиваемые насосом, должны соответствовать оптимальному дебиту скважины и полному напору, необходимому для подъема жидкости.

Мощность на валу центробежного насоса по

,

где = 500 - подача насоса;

,

где Н = 600 м - напор развиваемый насосом;

- максимальная плотность водонефтяной смеси, ;

- КПД насоса;

кВт.

Мощность двигателя

,

где к =1,1- коэффициент запаса;

- КПД передачи, при соединении валов двигателя и насоса с муфтой;

= 0,98.

Выбираем насос ЭЦН-6-500-750, этому насосу соответствует погружной электродвигатель типа ПЭД-75-123М3

Таблица 2.1- Основные параметры насоса типа ЭЦН-6-500-750 [1]

Параметры	Значение
Подача,	500
Напор, м	775
Число ступеней	143
Потребляемая мощность, кВт	73
КПД, %	59
Масса, кг	477

Таблица 2.2-Технические данные электродвигателя типа ПЭД75-123М3

Параметры	Значение
Номинальная мощность, кВт	75
Номинальное напряжение, В	915
Номинальная сила тока, А	74,5
Частота, Гц	50
Скорость вращения n,	3000
Скольжение, %	6,5
КПД, %	78,5
cos?	0,82
Длина, мм	7997
Масса, кг	638

2.3 Выбор кабеля и трансформатора

Площадь сечения кабеля выбирают с учетом потери напряжения в нем

При этом индуктивное сопротивление кабеля

,

где м - длина кабеля,

Ом,

а активное сопротивление

;

Ом

где - средняя температура кабеля по всей длине, включая участки в скважине и на барабане.

;

;

В.

Выбор сечения кабеля производится по экономической плотности тока, а проверяется по допустимому току

где I_Р - расчетный ток нормального режима;

j_эк. - экономическая плотность тока;

j_эк. = 2,7 А/мм² - кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией и с медными жилами для европейской части России при Т_м свыше 5000ч.

Для каждого из двигателей расчетный ток будет являться его номинальным током

.

Далее выбираем стандартное ближайшее сечение q_ст.=35 мм²

КПБП 3?35.

Производим проверку по допустимому току

,

где А - табличное значение допустимого тока кабеля;

А.

Трансформатор выбирается из расчета, чтобы номинальный ток его вторичной обмотки был не менее рабочего тока двигателя, а её напряжение при холостом ходе равнялось номинальному напряжению двигателя, сложенному с потерей напряжения в кабеле и в трансформаторе.

Полное сопротивление

Ом

Падение напряжения на кабеле при пуске

;

А;

В.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора

В

Подбирается трансформатор типа ТМПН-100/3-73ХЛ1, приняты следующие обозначения: Т -- трехфазный; М -- маслозаполненный с естественной циркуляцией масла; ПН -- для скважинных нефтяных насосов; 100 -- номинальная мощность трансформатора, кВ-А; 3 -- класс напряжения обмотки высокой стороны; 73 -- год выпуска; ХЛ -- климатическое исполнение (для макроклиматических районов с холодным климатом, при умеренном климате -- У1; 1 -- категория размещения (для работы на открытом воздухе) [6].

3. Выбор способа регулирования частоты вращения электродвигателя

3.1 Регулирование частоты вращения электродвигателя

Под регулированием скорости вращения электропривода понимают принудительное изменение его скорости в результате воздействия либо на электродвигатель, либо на систему управления, либо на систему передач, не связанное с изменением нагрузки на валу. Регулирование скорости вращения способствует увеличению производительности труда и экономии электроэнергии.

В настоящее время большее применение находит электрическое регулирование связанное непосредственно с воздействием на приводной двигатель, которое имеет рад преимуществ в отношении технических и экономических показателей [10].

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя возможно следующими способами:

- регулирование изменением амплитуды напряжения подводимого к статору;

- изменением частоты питающей сети.

Регулирование изменением амплитуды напряжения подводимого к статору реализуется как с помощью простейших способов (автотрансформаторный, реакторный), так и наиболее сложных (применение электромашинных регуляторов, импульсных регуляторов). Этот способ применяется только для приводов малой мощности (до 1кВт).

Частотное регулирование является наиболее целесообразным, эффективным и перспективным способом, регулирования АД с КЗР

В настоящее время этим способом регулируют ЭП мощностью от нескольких Вт до 10-ти МВт и напряжением от 220 В до 10 кВ.

При изменении частоты напряжения питающего статора, изменяется угловая скорость вращения двигателя -, при этом , и, соответственно, изменяется скорость вращения вала двигателя , скольжение же, в этом случае, практически не меняется. Принцип реализации основывается на использовании устройств, которые называются преобразователями частоты. Преобразователь частоты подключается со стороны входа к промышленной сети, а его выход подключается к статорной обмотке, при этом изменяется частота выходного напряжения.

Принципиальная возможность регулирования угловой скорости вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения вытекает из формулы

.

При регулировании частоты необходимо регулировать и амплитуду источника питания, что следует из выражения

,

где - обмоточный коэффициент;

- число витков статорной обмотки;

- частота напряжения статора, Гц.

Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменятся пропорционально частоте. Однако уменьшение частоты приведёт к увеличению потока. При увеличении потока больше потока насыщения резко увеличится ток х.х. двигателя, что приведёт к перегреву двигателя. Если же требуется увеличивать угловую скорость, то для этом необходимо увеличить частоту, что при , приведёт к уменьшению потока, и как следствие двигатель будет недогружен по нагреву, при этом уменьшится его КПД и коэффициент мощности , в результате двигатель будет потреблять большое количество реактивной мощности и оказывать вредное «загрязняющее» влияние на сеть. Т.о. при частотном регулировании с целью поддержания постоянства магнитного потока. При одновременном изменении частоты, необходимо изменять и напряжение.

При этом соотношение напряжения и частоты зависит от вида производственного механизма. Для механизмов с постоянным статическим моментом статического сопротивления наиболее целесообразным соотношением напряжения и частоты является пропорциональный закон регулирования

.(3.1)

Схема частотного регулирования имеет следующий вид

Рисунок 3.1- Схема частотного регулирования

Для осуществления частотного регулирования угловой скорости применяются преобразователи, на выходе которых по требуемому соотношению или независимо меняется как частота, так и амплитуда напряжения. По способу преобразования преобразователи частоты различают электромашинные и статические (вентильные). Применение электромашинных преобразователей частоты имеет ряд недостатков: общая мощность преобразователя частоты превышает трехкратное значение установленной мощности нагрузки; низкий КПД отдельных машин; регулирование частоты связано с преодолением значительной механической и электромагнитной инерционности, что ограничивает их применение и приводит к необходимости использования статических преобразователей частоты на основе использования тиристоров и транзисторов.

По структуре преобразования частоты различают:

- преобразователи с непосредственным преобразованием частоты НПЧ;

- преобразователи частоты промежуточным звеном постоянного тока ПЧсПЗПТ.

В настоящее время НПЧ как правило используются в качестве вспомогательного преобразовательного блока, а основным видом преобразователей являются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Процесс преобразования электрической энергии с напряжением и частотой питающей сети в электрическую энергию с изменяемыми напряжением и частотой осуществляется в два этапа:

- электрическая энергия переменного тока с напряжением и частотой питающей сети преобразуется в электрическую энергию постоянного пульсирующего тока;

- электрическая энергия постоянного тока преобразуется в электрическую энергию переменного тока с изменяющимися напряжением и частотой.

К преимуществам НПЧ можно отнести:

- высокие энергетические показатели за счёт однозвенного преобразования;

- возможность получения формы выходного напряжения близкой к синусоидальной;

- отсутствие необходимости использования коммутирующих элементов.

К недостаткам можно отнести:

- ограниченность диапазона регулирования, связанная с тем, что выходная частота не превышает 20 -- 25% от входной;

- большее количество силовых ключей, чем в ПЧ с ПЗПТ;

- сложность системы управления;

- невысокий коэффициент мощности (максимальное значение на входе преобразователя около 0,8).

Этих недостатков лишены двухзвенные преобразователи частоты, в которых осуществляется двукратное преобразование энергии. Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96); значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумностью в работе. На первом этапе энергия синусоидального напряжения преобразуется в энергию постоянного напряжения. На втором этапе энергия постоянного напряжения преобразуется в энергию переменного напряжения с изменяющейся частотой и амплитудой.

Если в качестве выпрямителя используется управляемый выпрямитель, то инвертор выполняет только функцию изменения частоты, а функция изменения амплитуды в этом случае реализуется в блоке управления выпрямителем. Если используется не управляемый выпрямитель, то инвертор выполняет функции и изменения частоты и изменении амплитуды. Функциональная схема преобразователя частоты приведена на рисунке 3.2. В её состав входят следующие элементы:

В - силовой полууправляемый (диодно - тиристорный) выпрямитель;

ФС (входа) - силовой LC - фильтр звена постоянного напряжения;

КРН - транзисторный (IGBT) ключ регулятора выходного напряжения;

РК - разрядный ключ, предназначен для разряда ёмкости ФС (выхода);

АИН - транзисторный (IGBT ) автономный инвертор напряжения;

ДТ - датчик тока;

ИП - источник питания;

ДН - датчик входного (сетевого выпрямленного) напряжения;

ФИ, ФИ2 - формирователи управляющих сигналов транзисторов;

МК - микропроцессорный контроллер;

Рисунок 3.2 - Функциональная схема преобразователя частоты

УВВ - устройство ввода/вывода;

ПУ- пульт управления.

Преобразователь частоты выполнен на основе двухзвенного преобразователя напряжения с последующим инвертированием постоянного напряжения в переменное заданной величины. Инвертирование осуществляется транзисторным (IGBT) АИН, который управляется многофункциональной системой управления. Система управления осуществляет регулирование выходного напряжения и частоты двигателя.

Силовой канал осуществляет двухступенчатое преобразование электрической энергии, выпрямление сетевого напряжения с помощью неуправляемого выпрямителя и последующее регулирование выпрямленного и постоянного по значению напряжения посредством широтно - импульсного регулятора КРН. Регулируемое выходное напряжение постоянного тока питает трёхфазный АИН. Питание электродвигателя погружного насоса осуществляется от инвертора через силовой повышающий трансформатор типа ТМПН. Датчики тока и напряжения служат для контроля, регулирования и измерения электрических параметров преобразователя, в том числе для защиты от токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимых отклонений напряжения. Многоканальный источник питания ИП преобразует сетевое переменное напряжение звена постоянного тока в систему напряжений постоянного тока требуемых уровней и степеней стабильности, гальванически связанных и не связанных между собой, для питания устройств управления. Микропроцессорный контроллер МК осуществляет формирование режимов работы преобразователя с заданными параметрами с помощью сигналов управления: сигналов защиты и аварийного отключения преобразователя, приёма и передачи внешних управляющих, задающих и информационных сигналов.

Устройство ввода/вывода предназначено для приёма и передачи внешних управляющих сигналов. Формирователи импульсов предназначены для:

- формирования требуемых уровней управляющих сигналов транзисторов типа IGBT;

- гальванического разделения цепей управления транзисторов типа IGBT.

К недостаткам применения преобразователей частоты относятся:

- снижение КПД всей установки за счет КПД преобразователя, колеблющегося в пределах 0,7- 0,9;

- необходимость создания на промыслах отдельной электросети с повышенной частотой тока;

- необходимость строительства и обслуживания кустовых преобразовательных подстанций .

К перечисленным преимуществам применения ЧРП можно отнести то, что система ЧРП положительно влияет на надежность и долговечность оборудования по следующим причинам:

- снижается износ запорной арматуры, так как большую часть времени задвижки полностью открыты;

- снижается износ коммутационной аппаратуры, так как ее переключения происходят при отсутствии тока;

- снижается износ подшипников двигателя и насоса, а также крыльчатки из-за плавного изменения числа оборотов, отсутствия больших пусковых токов;

- уменьшается опасность аварий из-за исключения гидравлических ударов;

- обеспечивается одновременная защита двигателя от токов короткого замыкания, замыкания на землю, токов перегрузки, неполнофазного режима, недопустимых перенапряжений [11];

- исключить обрезку колес, применение сменных роторов, а также устранить гидравлические удары в нефтепроводе [12].

3.2 Выбор системы управления электроприводом

Способ регулирования скорости вращения двигателя выбирается частотный, так как этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в необходимом диапазоне, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ обладает к тому же и еще весьма одним важным свойством: регулирование скорости АД не сопровождается увеличением его скольжения, поэтому потери мощности при регулировании скорости небольшие. Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы - коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности - одновременно с частотой необходимо изменять и подводимое к двигателю напряжение. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки. Для центробежных насосов характерен «вентиляторный» закон регулирования.

.

Распространенной системой частотно - регулируемого асинхронного привода является система со статическим преобразователем частоты с автономным инвертором. Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Структурная схема частотно- регулируемого привода показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Структурная схема частотно - регулируемого привода

Преобразователь состоит из трех силовых элементов - выпрямителя (управляемого или неуправляемого), фильтра (Ф) и автономного инвертора (АИ). На вход выпрямителя (В) подается нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты (U_П); на выходе выпрямителя постоянное пульсирующее напряжение с постоянными значениями U_d и I_d (в случае неуправляемого выпрямителя) или изменяющимися (в случае управляемого). С выхода выпрямителя постоянное напряжение через сглаживающий фильтр (Ф) подается на вход инвертора (чаще АИН), который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты (U₂=var, f₂=var). В качестве сглаживающего фильтра в данной схеме обычно используется катушка индуктивности с сердечником. Кроме силовых элементов, преобразователь содержит систему управления (рисунок 3.4), состоящую из блока управления выпрямителя (БУВ) и блока управления инвертором (БУИ). Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора, которая задается блоком управления инвертором. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осуществить при помощи блока задания скорости (БЗС) требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя.

Рисунок 3.4 - Система управления выпрямителем и инвертором

Промежуточное звено постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе [13].

4. Расчет рабочих и механических характеристик асинхронного электропривода при изменении частоты питающей сети

4.1 Расчет параметров схемы замещения погружного электродвигателя

Исходные данные для расчета приведены в таблицах 4.1- 4.2

Таблица 4.1 - Данные обмотки статора электродвигателя типа ПЭД75-123М3

Параметры	Значение
Число полюсов	2
Число пазов	18
Число пазов на полюс	3
Шаг петлевой обмотки	1-10
Число параллельных ветвей в фазе	1
Число эффективных проводников в пазу	4
Всего проводников в пазу	4
Воздушный зазор, мм	0,5
Число эффективных витков в фазе	12
Размер проводника, мм	2,1?2,83
Сечение проводника, мм	5,46
Сопротивление фазы(холодное), Ом	0,55
Масса меди, кг	25
Длина пакета статора, мм	383
Число пакетов	16
Общая длина железа статора, мм	6893
Диаметр расточки статора, мм	62
Линейное напряжение, В	915

Таблица 4.2 - Данные обмотки ротора электродвигателя типа ПЭД75-123М3

Параметры	Значение
Диаметр ротора, мм	61
Число пакетов ротора	16
Длина пакета ротора, мм	377
Общая длина пакета ротора, мм	6409
Диаметр вала, мм	35
Число пазов	16
Число проводников в пазу	1
Сечение проводника, мм	33,2
Материал стержней и колец	медь
Размер короткозамыкающего кольца	6?13

,

где D - внутренний диаметр статора, м;

м.

Обмоточный коэффициент для однослойной обмотки

к_об.1=0,96.

Синхронная угловая скорость, вычисляется по 8.5 [14]

.

Длина стали сердечника статора

,

где - длина пакета статора, м;

-- число пакетов статора;

м.

Для дальнейшего расчета принимается расчетная длина магнитопровода

=6,1 м.

Число пазов на полюс и фазу

,

где - число пазов статора;

.

Зубцовое деление статора

,

м.

Число эффективных проводников в пазу:

.

Число витков в фазе обмотки статора по 8.20 [14]

,

.

Длина магнитопровода ротора

,

где - длина пакета ротора, м;

- число пакетов ротора;

м;

м.

Зубцовое деление ротора

,

где D₂ - внешний диаметр ротора, м;

Z₂ - число пазов ротора;

м.

Ток в обмотке ротора определяется по 8.57

,

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания по 8.58 [14];

- коэффициент привидения токов, который рассчитывается по 8.66 [14];

,

;

,

.

Ток в замыкающем кольце по 8.70 [14]

,

,

где ,

;

А.

Коэффициент воздушного зазора определяется по 4.15 [14]

Принимается мм, мм, мм, мм [2].

,

,

;

.

Активное сопротивление обмотки статора по 8.132 [14]

где - удельное сопротивление медных проводников, = Ом?м;

- коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока;

- длина проводников фазы обмотки статора по 8.134 [14]

,

где средняя длина витка обмотки статора по 8.134 [14]

,

где - высота паза статора, м;

- длина лобовой части катушки всыпной обмотки статора, м;

длина лобовой части катушки всыпной обмотки статора по 8.136 [14]

,

где по таблице 8.21;

- средняя ширина катушки всыпной обмотки статора, м;

м - длина вылета прямолинейной части катушек;

где средняя ширина катушки всыпной обмотки статора по 8.138 [14]

,

где - укорочение шага обмотки статора;

;

длина вылета лобовой части катушки

,

где =0,26 по таблице 8.21 [14] для 2р=2;

м;

м;

м;

м;

Ом.

Активное сопротивление фазы обмотки ротора по 8.168 [14]

где - сопротивление стержня короткозамкнутого ротора по 71 [2]

где - число пакетов ротора;

- сечение проводника, мм;

Ом,

где - сопротивление участка замыкающего кольца, по 72 [2]

,

где - коэффициент приведения тока кольца к току стержня;

при

,

;

,

где - средний диаметр замыкающих колец, мм;

,

мм,

где - площадь поперечного сечения замыкающих колец по 8.73 [14]

,

;

Ом.

Коэффициент приведения

,

где =1 - коэффициент скоса пазов по 3.17 [14]

.

Приводится к числу витков обмотки статора по 8.173 [14]

,

Ом.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по 8.152 [14]

,

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора, по таблице 8.24 [14]

,

где =1 - коэффициент по 8.157 [14], по рисунку 8.76

;

,

где - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора

,

,

где - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора, по 8.174 /12/

,

где - коэффициент учитывающий укорочение шага обмотки и размерные соотношения зубцовых зон и воздушного зазора, по 8.176 [14]

,

для и по рисунку 8.51, д [14] принимаем .

;

;

Ом.

Индуктивное сопротивление короткозамкнутого ротора по 8.177 [14]

,

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора по таблице 8.25.

,

где ;

,

где - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки ротора по 68

;

,

где - коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора, по 8.180 [14]

,

где - коэффициент учитывающий укорочение шага обмотки и размерные соотношения зубцовых зон и воздушного зазора, по 8.181 [14]

,

при закрытых пазах

;

В отечественных погружных электродвигателях насосов для добычи нефти скоса пазов не делают, тогда

Ом.

Приводится к числу витков статора по 8.172 [14] и 8.183 [14]

;

Ом.

Взаимное индуктивное сопротивление обмоток статора и ротора по 8.185

,

где - намагничивающий ток, А;

Ом.

4.2 Механические характеристики АД при частотном регулировании

Частотное регулирование скорости асинхронного электропривода осуществляется изменением частоты и напряжения, питающего двигатель по пропорциональному закону (3.1), т.к при этом законе с изменением частоты и напряжения при любой нагрузке остается постоянным магнитный поток машины . В связи с этим температурные режимы асинхронной машины остаются в пределах, предусмотренных заводом изготовителем.

Чтобы получить уравнения механических характеристик АД и для их анализа, используем схему замещения АД, приведенную на рисунке 4.1.

На схеме приняты следующие обозначения:

Рисунок 4.1- Схема замещения АД при частотном регулировании

Вращающий момент, развиваемый двигателем

.

Индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора, а также частота вращения магнитного поля статора прямо пропорциональны изменению частоты. Эти изменения можно учесть введением коэффициента , показывающего отношение текущей частоты к номинальной частоте

,

тогда

,

,

,

.

Для построения механических характеристик используем упрощенную формулу Клосса

;

;

,

где ,

тогда

Расчеты проводятся при частотах f=10; 20; 30; 40; 50; 60 Гц, что соответствует коэффициентам =0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2. Результаты расчетов сведены в таблицу 4.3. Механические характеристики электропривода погружного центробежного насоса при изменении частоты питающей сети изображены на рисунке 4.2.

4.3 Статические механические характеристики электропривода погружного центробежного насоса при изменении частоты питающей сети

Статические механические характеристика электропривода определяются следующей формулой общего вида.

Таблица 4.3 - Механические характеристики электропривода погружного центробежного насоса при изменении частоты питающей сети



Рисунок 4.2 - Механические характеристики электропривода погружногоцентробежного насоса при изменении частоты питающей сети

,

где - текущее значение момента статического сопротивления механизма

.

Номинальная скорость вращения

,

.

Номинальная частота вращения двигателя

,

.

Номинальный момент двигателя

,

;

,

где - статический момент сопротивления при х.х. механизма [5],

,

,

где - показатель степени, учитывающий характер изменения от

для центробежного насоса.

.

Статические механические характеристики электродвигателя при изменяющейся частоте с учетом коэффициента изменения частоты имеет вид

.

По данной формуле для =0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2 рассчитываются статические механические характеристики насоса .

Результаты расчета сведены в таблицу 4.4.

Статические механические характеристики электропривода погружного центробежного насоса при изменении частоты питающей сети представлены на табл. 4.4.

Таблица 4.4 - Статические механические характеристики электропривода погружного центробежного насоса при изменении частоты питающей сети

S
	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2
0	62,8	125,6	188,4	251,2	314	376,8	67,3	86,6	118,9	164,2	222,3	292,9
0,01	62,1	124,3	186,5	248,6	310,8	373,3	67,2	86,1	117,7	161,9	218,8	288,3
0,02	61,5	123,0	184,6	246,1	307,7	369,2	67,9	85,6	116,6	159,9	215,6	283,7
0,03	60,9	121,8	182,7	243,6	304,5	365,4	66,9	85,1	115,4	157,9	212,5	279,2
0,04	60,2	120,5	180,8	241,1	301,4	361,7	66,8	84,6	114,3	155,9	209,4	274,7
0,05	59,6	119,3	178,9	238,6	298,3	357,9	66,7	84,1	113,2	153,9	206,3	270,3
0,06	59,0	118,0	177,0	236,1	295,1	354,1	66,5	83,6	112,1	152,2	203,2	265,9
0,07	58,4	116,8	175,2	233,6	292,2	350,4	66,4	83,1	111,7	150,9	200,2	261,5
0,08	57,7	115,5	173,3	231,1	288,8	346,6	66,3	82,7	109,9	148,1	197,2	257,2
0,09	57,1	114,2	171,4	228,5	285,7	342,8	66,2	82,2	108,9	146,2	194,3	253,4
0,1	56,5	113,0	169,5	226,8	282,6	339,1	66,1	81,7	107,8	144,4	191,4	248,8
0,2	50,2	100,4	150,7	200,9	251,2	301,4	65,2	77,4	98,2	126,9	164,2	209,4
0,3	43,9	87,9	131,8	175,8	219,8	263,7	64,0	73,5	89,3	111,4	139,8	174,5
0,4	37,6	75,3	113,0	150,7	188,4	226,8	63,2	70,1	81,7	98,2	118,9	144,4
0,5	31,4	62,8	94,2	125,6	157	188,4	62,5	67,3	75,4	86,6	101,1	118,9
0,6	25,1	50,2	75,3	100,4	125,6	150,7	61,9	65,2	70,1	77,4	86,6	98,2
0,7	18,8	37,6	56,5	75,3	94,2	113,4	61,4	63,2	66,1	70,1	75,4	81,7
0,8	12,5	25,1	37,6	50,2	62,8	75,3	61,1	61,9	63,2	65,2	67,3	70,1
0,9	6,2	12,5	18,8	25,1	31,4	37,6	60,9	61,1	61,4	61,9	62,5	63,2
1	0	0	0	0	0	0	60,9	60,9	60,9	60,9	60,9	60,9

4.4 Рабочие характеристики насоса при частотном регулировании погружного центробежного насоса при изменении частоты питающей сети

При изменении частоты вращения, подача, напор и мощность изменяются следующим образом [2]

Рисунок 4.3 - Статические механические характеристики электропривода

;

;

,

где - номинальная подача, напор и мощность насоса.

При изменении частоты питания электродвигателя скорость изменяется пропорционально частоте , то при частотном регулировании показатели насоса изменяются также пропорционально частоте

;

;

.

Подставляются значения и строятся рабочие характеристики насоса

Рисунок 4.4 - Рабочие характеристики насоса при частотном регулировании

С увеличением скорости вращения вала насоса, например, в два раза, подача его также взрастает в два раза, а напор в четыре раза.

4.5 Совместная механическая характеристика проектируемого электродвигателя и насоса

Вращающий момент электродвигателя должен быть достаточным для преодоления сопротивления движущихся частей присоединенного механизма и иметь еще некоторый запас мощности для преодоления возникающих динамических усилий [2]. Момент электродвигателя уравновешивается моментами сопротивления присоединенного механизма - статическим и динамическим , т.е.

.

Статический момент определяется статическими силами, приложенными к валу электродвигателя, полезной работой и работой сил трения частей механизма. Динамический момент проявляется только при изменении угловой скорости движения, что бывает при пуске, торможениях и изменениях нагрузки.

Выражение динамического момента имеет вид

.

Тогда уравнение движения электропривода имеет вид

.

Синхронная частота вращения двигателя

,

рад/с.

Критическое скольжение

,

.

Критический момент двигателя

Н?м.

Зависимость угловой скорости вращения от скольжения

.

Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя

,

.

Совместная механическая характеристика электродвигателя и насоса строится по выражению.

.

В одной координатной плоскости строится механическая характеристика двигателя, механическая характеристика центробежного насоса и совместная механическая характеристика, изменяя s в пределах от 0 до 1 с шагом 0.01 Результаты расчета сведены в таблицу 4.5. Совместная механическая характеристика электродвигателя и насоса представлена на рисунке 4.5

Таблица 4.5 - Совместная механическая характеристика электродвигателя и насоса

S	, рад/с	, Н?м	, Н?м	, Н?м
0	314,16	0	222,0363	222,036
0,01	311,0184	45,29936	218,8296	173,53
0,02	307,8768	90,25381	215,6553	125,401
0,03	304,7352	134,5271	212,5131	77,986
0,04	301,5936	177,8	209,4032	31,6032
0,05	298,452	219,7775	206,3255	13,45203
0,06	295,3104	260,1951	203,28	56,91512
0,07	292,1688	298,8235	200,2668	98,55678
0,08	289,0272	335,4717	197,2857	138,186
0,09	285,8856	369,9884	194,3369	175,6515
0,1	282,744	402,2624	191,4204	210,8421
0,2	251,328	600,6757	164,0272	436,6485
0,3	219,912	633,4917	139,8568	493,6349
0,4	188,496	596,6443	118,9091	477,7352
0,5	157,08	541,4129	101,1841	440,2288
0,6	125,664	486,6788	86,6818	399,997
0,7	94,248	437,931	75,40226	362,5288
0,8	62,832	395,9911	67,34545	328,6456
0,9	31,416	360,2431	62,51136	297,7318
1	0	329,7478	60,9	268,8478



Рисунок 4.5 - Совместная механическая характеристика электродвигателя и насоса

4.6 Расчет времени пуска электропривода

Пуск начинается при минимальной частоте. Это позволяет уменьшить пусковой ток и повысить пусковой момент. Одновременно с частотой изменяют напряжение.

Расчет времени запуска асинхронного двигателя определяется используя метод площадей, суть которого заключается в том, что бесконечно малые приращения угловой частоты и заменяются малыми конечными приращениями и

Идея метода в том, что среднее значение динамического момента в каждом интервале определяется графически и считается на каждом участке разбиения

.

Момент инерции электропривода

,

.

Суммарное время разгона электропривода до номинальной скорости

; с.

Результаты расчетов сведены в таблицу 4.6.

Кривая разгона электропривода представлена на рисунке 4.6.

Таблица 4.6 - Определение времени пуска электродвигателя

,рад/с	, Н?м	, Н?м	, Н?м	t, c
25	218,5748	222,036	220,568	0,243182
25	110,5645	210,8421	160,351	0,334375
25	274,6699	436,6485	355,248	0,150704
25	477,6538	493,6349	485,923	0,110309
25	471,5854	477,7352	474,259	0,112869
25	438,6554	440,2288	439,182	0,121868
25	361,2253	399,997	380,357	0,140789
25	340,5648	362,5288	351,484	0,152422
25	322,5887	328,6456	325,578	0,164615
25	232,4577	297,7318	296,988	0,180743
25	246,9874	268,8478	257,244	0,208171



Рисунок 4.6 - Кривая разгона электропривода

4.7 Расчет времени торможения

Расчет времени торможения производим аналогично предыдущему пункту также по методу площадей

.

Суммарное время торможения

; с.

Рассчитываем и по результатам строим кривую торможения, показанную на рисунке 4.7.



Рисунок 4.7 - Кривая торможения двигателя

Размещено на Allbest.ru