станция управления погружным электродвигателем

Формула изобретения

1. Станция управления погружным электродвигателем, содержащая последовательно соединенные выпрямитель и фильтр звена постоянного тока, инвертор, первый и второй блоки датчиков тока, контроллер и выходной фильтр, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, отличающаяся тем, что первый и второй выходы выпрямителя соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока соответственно, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, четвертый и пятый информационные входы контроллера присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с восьмым и девятым силовыми входами инвертора, шестой информационный вход контроллера подключен к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, информационные входы контроллера с седьмого по девятый и с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий первого и второго блоков датчиков тока соответственно, при этом каждый блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока первого блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы инвертора с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра к силовым фазным выходам станции управления, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора.

2. Станция управления погружным электродвигателем по п.1, отличающаяся тем, что выпрямитель выполнен управляемым, управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера с восьмого по десятый соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления погружными электродвигателями как асинхронными, так и вентильными, применяемых при нефтедобыче, а также в других областях народного хозяйства.

Известна станция управления погружным электродвигателем [Патент № 2303715 RU, МПК F04D 13/10, F04D 15/00, приоритет от 29.11.2005 г.], включающая преобразователь частоты с выпрямителем, соединенным с ним инвертором и системой управления, соединенной с инвертором, датчик положения ротора электродвигателя, соединенный с инвертором и системой управления, систему программного управления, соединенную с системой управления, снабженная повышающим трансформатором, установленным на выходе инвертора, при этом система управления выполнена в виде блока микропроцессора преобразователя частоты и соединенных с ним блока связи преобразователя частоты и блока формирования позиционных сигналов, соединенного с датчиком положения ротора электродвигателя и с выходом повышающего трансформатора, система программного управления выполнена в виде контроллера управления с блоком микропроцессора и соединенными с ним блоком связи, блоком данных и блоком измерения токов, соединенным с датчиком положения ротора электродвигателя, блок связи преобразователя частоты соединен с блоком связи контроллера управления, а датчик положения ротора электродвигателя выполнен в виде блока датчиков тока и установлен на выходе повышающего трансформатора. Структура станции управления позволяет управлять погружным электродвигателем через кабель большой длины.

Однако в указанной станции управления имеется недостаток, связанный с невозможностью управления асинхронным двигателем. Кроме этого, выходное напряжения станции управления имеет прямоугольную форму, что увеличивает потери в двигателе, вызывает пульсации вращающего момента на валу двигателя и приводит к возникновению перенапряжений в цепи «станция управления - повышающий трансформатор - погружной кабель - электродвигатель», вызывающих снижение надежности повышающего трансформатора, кабеля и электродвигателя.

Также недостатком станции управления является низкая надежность из-за отсутствия контроля входного питающего напряжения сети, а также потребляемого тока в силовой цепи после выпрямителя.

Наиболее близким техническим решением является универсальная станция управления погружным электродвигателем [Патент № 2430273 C1 RU, МПК F04D 13/10, F04D 15/00, приоритет от 15.09.2011 г.], содержащая микропроцессорный вычислитель, преобразователь частоты, состоящий из последовательно соединенных выпрямителя, фильтра звена постоянного тока, инвертора и формирователя сигналов управления ключами, входы которого подключены к выходу микропроцессорного вычислителя, первый блок датчиков тока и контроллер, выход которого подключен к входу задания частоты микропроцессорного вычислителя, причем вход выпрямителя подключен к силовому входу станции управления, выходной фильтр и второй блок датчиков тока, причем выход инвертора подключен через первый блок датчиков тока к входу выходного фильтра, выход которого через второй блок датчиков тока подключен к выходу станции управления, а информационный выход первого блока датчиков тока подключен к первому информационному входу микропроцессорного вычислителя, причем информационный выход второго блока датчиков тока подключен ко второму информационному входу микропроцессорного вычислителя. Указанная станции управления уменьшает уровень коэффициента гармоник выходного тока и напряжения, обеспечивает возможность управления как асинхронным, так и вентильным двигателями.

Недостатком указанной станции управления является недостаточная надежность, обусловленная отсутствием контроля входного питающего напряжения сети, а также потребляемого тока в силовой цепи после выпрямителя.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, выражается в повышении надежности за счет обеспечения возможности аварийного отключения станции управления при превышении сетевым напряжением допустимого порога и при превышении сверхдопустимого напряжения или токовой нагрузки в цепи постоянного тока (DC), а также в расширении функциональных возможностей за счет стабилизации напряжения на выходе инвертора и, соответственно, станции управления

путем корректировки скважности широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Указанный технический результат достигается тем, что в станции управления погружным электродвигателем, содержащей последовательно соединенные выпрямитель и фильтр звена постоянного тока, инвертор, первый и второй блоки датчиков тока, контроллер и выходной фильтр, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, первый и второй выходы выпрямителя соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока соответственно, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, четвертый и пятый информационные входы контроллера присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с восьмым и девятым силовыми входами инвертора, шестой информационный вход контроллера подключен к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, информационные входы контроллера с седьмого по девятый и с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий первого и второго блоков датчиков тока соответственно, при этом каждый блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока первого блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы инвертора с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра к силовым фазным выходам станции управления, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора.

В станции управления погружным электродвигателем, выпрямитель также может быть выполнен управляемым, управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера с восьмого по десятый соответственно.

Выполнение станции управления погружным электродвигателем содержащей последовательно соединенные выпрямитель и фильтр звена постоянного тока, инвертор, первый и второй блоки датчиков тока, контроллер и выходной фильтр, причем входы выпрямителя подключены к силовым входам станции управления, первый и второй выходы выпрямителя соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока соответственно, информационные входы контроллера с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления, четвертый и пятый информационные входы контроллера присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с восьмым и девятым силовыми входами инвертора, шестой информационный вход контроллера подключен к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, информационные входы контроллера с седьмого по девятый и с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий первого и второго блоков датчиков тока соответственно, при этом каждый блок датчиков тока может содержать два или три датчика тока, через датчики тока первого блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы инвертора с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока датчиков тока проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра к силовым фазным выходам станции управления, управляющие выходы контроллера с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора, расширяет функциональные возможности за счет стабилизации напряжения на выходе инвертора и, соответственно, станции управления путем корректировки скважности широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а присоединение управляющих входов контроллера с первого по третий к трем фазным силовым входам станции управления и шестого управляющего входа контроллера к выходу датчика тока, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока, повышает надежность за счет обеспечения аварийного отключения станции управления при превышении сетевым напряжением допустимого порога или при превышении сверхдопустимого напряжения и токовой нагрузки в цепи постоянного тока (DC), обусловленными выходом из строя конденсаторов фильтра звена постоянного тока, силовых модулей инвертора или замыканием шин DC под воздействием внешних факторов или пробоя изоляции.

Расширение функциональных возможностей в станции управления может достигаться также за счет того, что выпрямитель выполнен управляемым, управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера с восьмого по десятый соответственно, что позволяет плавно заряжать конденсаторы фильтра звена постоянного тока (DC), а также оперативно отключать управляемый выпрямитель, практически за время не более одного полупериода сетевого напряжения.

На Фиг.1 приведена схема электрическая функциональная станции управления погружным электродвигателем с неуправляемым выпрямителем.

На Фиг.2 приведена схема электрическая функциональная станции управления погружным электродвигателем с управляемым выпрямителем.

На Фиг.3 приведена схема электрическая принципиальная инвертора.

На Фиг.4 приведена схема электрическая принципиальная выходного фильтра.

Станция управления погружным электродвигателем содержит (см. Фиг.1) последовательно соединенные выпрямитель 1 и фильтр звена постоянного тока 2, инвертор 3, контроллер 4 и выходной фильтр 5, первый 6 и второй 7 блоки датчиков тока. Входы выпрямителя 1 с первого по третий подключены к силовым входам (А, В, С) станции управления, первый и второй выходы выпрямителя 1 соединены с первым и вторым входами фильтра звена постоянного тока 2 соответственно. Информационные входы контроллера 4 с первого по третий подключены к трем фазным силовым входам станции управления (А, В, С), четвертый и пятый информационные входы контроллера 4 присоединены к первому и второму выходам фильтра звена постоянного тока 2, соединенным с восьмым (DC+) и девятым (DC-) силовыми входами инвертора 3. Информационные входы контроллера 4 с седьмого по девятый присоединены к выходам с первого по третий первого блока датчиков тока 6. Информационные входы контроллера 4 с десятого по тринадцатый присоединены к выходам с первого по третий второго блока датчиков тока 7. При этом каждый блок датчиков тока 6 и 7 может содержать два или три датчика тока. Через датчики тока первого блока датчиков тока 6 проходят силовые фазные проводники, соединяющие с первого по третий выходы (U1, VI, W1) инвертора 3 с соответствующими с первого по третий входами выходного фильтра 6. Через датчики тока второго блока датчиков тока 7 проходят силовые фазные проводники от выходов с первого по третий выходного фильтра 5 к силовым фазным выходам станции управления (U, V, W). Шестой информационный вход контроллера 4 подключен к выходу датчика тока 8, через который проходит силовой проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя, в данном случае первый, с соответствующим входом (первым) фильтра звена постоянного тока 2. Управляющие выходы контроллера 4 с первого по седьмой подключены к соответствующим с первого по седьмой входам инвертора 3.

В станции управления погружным электродвигателем выпрямитель также может быть выполнен управляемым 10 (см. фиг.2), управляющие входы которого с четвертого по шестой присоединены к управляющим выходам с первого по третий блока управления выпрямителем 9, подключенного своими входами с первого по третий к управляющим выходам контроллера 4 с восьмого по десятый соответственно.

Заявляемое техническое решение станции управления погружным электродвигателем может быть изготовлено в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования и стандартных технологий.

Станция управления погружным электродвигателем может быть выполнена на стандартных элементах, включенных в соответствии со стандартными схемами подключения, которые приведены в технической документации.

Выпрямитель предназначен для выпрямления сетевого напряжения, причем выпрямитель может быть выполнен как неуправляемым 1 (см. фиг.1), так и управляемым 10 (см. Фиг.2), при этом обеспечивается возможность регулирования действующего значения выходного выпрямленного напряжения в зависимости от амплитуды питающего сетевого напряжения. Фильтр звена постоянного тока 2 предназначен для фильтрации выпрямленного выпрямителем 1 (или 10 на Фиг.2) напряжения. Инвертор 3 предназначен для преобразования постоянного напряжения звена постоянного тока (DC) в переменное с необходимыми параметрами (частотой, напряжением и фазой) посредством широтно-импульсной модуляции. Контроллер 4 предназначен для преобразования напряжений и токов, поступающих на его управляющие входы с первого по тринадцатый в управляющие импульсы, поступающие на входы инвертора 3. Выходной фильтр 5 предназначен для подавления высших гармоник тока и напряжения на выходе инвертора 3. Первый блок датчиков тока 6 предназначен для выработки информационных сигналов, поступающих на входы 10 13 контроллера 4, пропорциональных токам на выходе инвертора 3 перед выходным фильтром 5. Второй блок датчиков тока 7 предназначен для выработки информационных сигналов, поступающих на входы 7 9 контроллера 4, пропорциональных токам на выходе выходного фильтра 6 перед выходами станции управления. Датчик тока 8 предназначен для выработки информационного сигнала, поступающего на вход 6 контроллера 4, пропорционального току заряда в звене постоянного тока. Блок управления выпрямителем 9 предназначен для формирования сигналов управления, вырабатываемых контроллером 4, по мощности и по временным характеристикам с входами управляемого выпрямителя 10 (см. Фиг.2).

Пример исполнения инвертора 3 приведен на Фиг.3. В общем случае инвертор 3 содержит три канала коммутаторов 11 13, выполненных, например на IGBT модулях, и драйверы 14 16, обеспечивающие согласование уровней управляющих сигналов на выходах 1 7 контроллера 4 и на управляющих выводах (1, 4) коммутаторов 11 13 (см. Фиг.3) (на входах 1 7 инвертора 3). Драйверы 14 16 могут быть использованы как стандартными специализированными для управления конкретным типом IGBT-модуля, поставляемыми заводами поставщиками IGBT-модулей, так и универсальными собственной разработки. Кроме того, драйверы 14 16 обеспечивают надежное включение коммутаторов 11 13, исключающее одновременное включение их плеч. Коммутаторы 11 13 обеспечивают подключение напряжений DC+ и DC- (контакты 8 и 9 инвертора 3) в определенной последовательности к выходным клеммам 1 3, соответствующим выходам инвертора 3 (U1, V1, W1).

Пример исполнения выходного фильтра 5 приведен на Фиг.4. Выходной фильтр 6 содержит в своем составе три дросселя 17 19 (L1, L2, L3), включенные между входными клеммами 1 3 (U1, VI, W1) и выходными клеммами 1 3 (U, V, W), и три конденсатора 20 22 (C1, C2, С3), присоединенные треугольником к выходным клеммам 1...3 выходного фильтра 5. Дроссели 17 19 могут быть заменены одним трехфазным дросселем, выполненным на сердечнике из электротехнической стали. Соотношение индуктивностей дросселей 17 19 и емкостей конденсаторов 20 22 определяется номинальными током и сопротивлением нагрузки станции управления.

Станция управления погружным электродвигателем работает следующим образом. Поступающее на входные клеммы (А, В, С) станции управления трехфазное напряжение питания (см. Фиг.1, 2) подается на силовые входы 1 3 неуправляемого выпрямителя 1 (или управляемого выпрямителя 10) и на информационные входы 1 3 контроллера 4. С выходов 1, 2 выпрямителя 1 (или управляемого выпрямителя 10) выпрямленное пульсирующее напряжение подается на входы 1, 2 фильтра звена постоянного тока 2, фильтруется им и поступает на силовые входы 8, 9 инвертора 3. В случае использования управляемого выпрямителя 10 на выходах 8 10 контроллера 4 формируются импульсы управления, поступающие на входы 1 3 блока управления выпрямителем 9, а с его соответствующих выходов на управляющие входы 4 6 управляемого выпрямителя 10 (см. Фиг.2).

С выхода датчика тока 8, через который проходит силовой проводник, соединяющий первый выход выпрямителя 1 с первым входом фильтра звена постоянного тока 2, на информационный вход 6 контроллера 4 поступает сигнал, пропорциональный току в цепи постоянного тока, и в случае его аварийного увеличения, например при пробое конденсаторов фильтра звена постоянного тока 2, при отказе одного из модулей инвертора 3 или пробое шин звена постоянного тока (DC), контроллер 4 отключает выпрямитель 10 и инвертор 3 с задержкой не более одного полупериода сети, что повышает надежность станции управления в целом. В зависимости от уровня напряжения между входами 8, 9 (DC+ и DC-) инвертора 3, подаваемого на информационные входы 4 и 5 контроллера 4, меняются временные параметры управляющих импульсов на выходах 1 7 контроллера 4 и, соответственно, параметры ШИМ инвертора 3. Управляющие импульсы с выходов 1 7 контроллера 4 поступают на входы 1 7 инвертора 3. Трехфазное широтно-импульсное модулированное напряжение с выходов 1 3 (U1, V1, W1) инвертора 3 подается на входы 1 3 выходного фильтра 5, фильтруется им, при этом подавляются высшие гармоники напряжения и тока, а на выходах 1 3 выходного фильтра 5, подключенных к выходным клеммам (U, V, W) станции управления, формируется трехфазное напряжение близкое к синусоидальному.

На информационные входы контроллера 4 с седьмого по девятый с первого блока датчиков тока 6 подаются аналоговые сигналы пропорциональные фазным токам на выходе инвертора 3. На информационные входы контроллера 4 с десятого по тринадцатый от второго блока датчиков тока 7 подаются аналоговые сигналы, пропорциональные фазным токам на выходе выходного фильтра 5. При этом каждый блок датчиков тока 6 и 7 может содержать два или три датчика тока, включенных в одноименные фазы. В случае использования в блоках датчиков 6 и 7 по два датчика тока недостающие сигналы (амплитудные и фазовые) от третьих фаз вычисляются контроллером 4.

В контроллере 4 с помощью внутреннего программного обеспечения производится обработка текущих сигналов, полученных на информационных входах с первого по тринадцатый, и в зависимости от типа и параметров подключенного двигателя формируются управляющие импульсы, обеспечивающие оптимальные выходные параметры станции управления.

Использование первого датчика тока 9 обеспечивает возможность отключения инвертора 3 при аварийном превышении тока, обусловленном выходом из строя конденсаторов фильтра или пробоем шин звена постоянного тока 2, силовых модулей инвертора 3, что повышает надежность.

Подключение информационных входов контроллера 4 с первого по третий к трем фазным силовым входам станции управления (А, В, С) обеспечивает защиту инвертора 3 при превышении сетевым напряжений допустимого порога, что повышает надежность.

Подключение 4 и 5 информационных входов контроллера 4 к выходам фильтра звена постоянного тока (DC) 2 обеспечивает возможность стабилизации напряжения на выходе инвертора 3 путем корректировки скважности ШИМ, а также обеспечивает защиту силовых модулей при превышении напряжением DC допустимых норм, что повышает надежность и расширяет функциональные возможности.