УДК 621.31

Система частотного регулирования для высоковольтных синхронных двигателей

Таначев Георгий Павлович – аспирант кафедры Приборостроения и мехатроники Казанского государственного энергетического университета.

Шайхлисламов Ильназ Рустемович – аспирант кафедры Приборостроения и мехатроники Казанского государственного энергетического университета.

Корнилов Владимир Юрьевич – доктор технических наук, профессор кафедры Приборостроения и мехатроники Казанского государственного энергетического университета.

Аннотация: Основополагающими факторами от которых зависит эффективность работы нефтегазодобывающих предприятий, является разработка современных технологий скважинной добычи, внедрение рациональных систем управления, мероприятия по снижению энергопотребления штанговыми насосными установками, а также применение инновационных технологических процессов, которые позволят увеличить межремонтный интервал работы скважин.

Ключевые слова: штанговый насос, станок-качалка, электропривод, синхронный двигатель, векторное управление, частотный преобразователь.

Повышение эффективности ШГН

Современные реалии таковы, что большинство эксплуатируемых механизированным способом скважин, оборудованы морально и физически устаревшими станциями управления, в которых не реализованы функции интеллектуального управления. Исходя из этого, возникает необходимость разработки новых алгоритмов управления электроприводами штанговых скважинных установок, которые позволят оптимизировать режимы эксплуатации скважин и повысить энергоэффективность.

В течение срока эксплуатации скважины, возникает необходимость корректировать производительность скважинных насосов. Это связано с тем, что нефтеотдача пластов постепенно снижается.

Повышение эффективности штангового глубинного насоса возможно реализовать следующими способами:

  • замена станка-качалки;
  • замена типа электродвигателя станка-качалки;
  • изменение конфигурации штока станка-качалки;
  • регулирование частоты качаний путем изменения передаточного отношения клиноременной передачи;
  • перевод установки ШГН на периодический режим работы;
  • плавное регулирование подачи насоса с использованием частотно-регулируемого привода.

Замена типа станка-качалки весьма дорогостоящая процедура, сопряженная с длительным выводом из эксплуатации скважины, поэтому, применение этого способа целесообразно лишь в исключительных случаях.

Большинство из перечисленных выше методов, позволяют осуществить только дискретную регулировку, а также для их выполнения необходимо полностью остановить работу скважины, что в свою очередь приводит к дополнительным потерям.

В периодическом режиме работы скважины имеется целый ряд недостатков [1,2]:

  1. Работа скважины в неустановившемся режиме. Невозможность равномерной выработки продуктивного пласта и, следовательно, низкая нефтеотдача.
  2. Повышенный износ оборудования, связанный с динамическими нагрузками из-за частых пусков.
  3. Зимой, во время технологических пауз, часть скважин останавливается из-за замораживания устьевого оборудования.
  4. Невозможность, связанная с геологическими особенностями месторождения, ввода в эксплуатацию скважин с циклическими остановками
  5. В режиме периодической эксплуатации станок-качалка работает в неуравновешенном режиме.

Если взять во внимание все вышеизложенные факты, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным способом регулирования производительности штанговой насосной установки можно считать частотно-регулируемый электропривод.

Частотно-регулируемый привод, позволяет регулировать подачу насоса, соответственно происходит плавное регулирование производительности скважины. Только на базе регулируемого ЭД могут быть реализованы системы автоматического регулирования подачи насоса, что положительно отразится на нефтеотдаче, приведет к минимальным энергетическим и эксплуатационным затратам [3].

Система частотного регулирования для высоковольтных синхронных двигателей

Анализ характеристик частотных преобразователей, которые представлены на Российском рынке, показал, что имеющиеся ВЧРП специализируются в основном на работе с асинхронными двигателями [4,5]. Между тем, в промышленности, в качестве электроприводов, имеющих большую мощность, широкое применение нашли синхронные двигатели. Множество производителей частотных преобразователей указывают на то, что их оборудование может использоваться и с тем, и с другим типом двигателей, но в их системах отсутствуют источники тока возбуждения. Следовательно, электрическую цепь необходимо самостоятельно доукомплектовывать внешними источниками тока возбуждения и управлять ими независимо от ПЧ.

Такое управление необходимо осуществлять комплексно: управлять частотой питающего напряжения СД и током его возбуждения. Это связано с тем, что СД большой мощности поддерживают в сети предприятия определенный уровень коэффициента мощности cos ф.

В [6], автор описал статический ПЧ, служащий питанием АД и СД имеющим номинальное напряжение выше 3 кВ, который способен обеспечить мощность 0.5-15 МВт с коэффициентом мощности ~ 1, и позволяет рекуперировать энергию торможения генератора в сеть. Это устройство (рисунок 1), состоит из силового трансформатора, выходного фильтра, имеет блок управления и инверторно-рекуперационные модули.

1

Рисунок 1. Схема статического многоуровневого преобразователя частоты.

Одним из недостатков данной системы можно назвать сложную схему рекуперации энергии торможения в сеть. Так как при длительных режимах работы двигателя, когда нагрузка на валу постоянна, нет необходимости в отдаче энергии в сеть. Также, в системе отсутствует схема формирования тока для обмотки возбуждения СД.

В [7] автор предлагает регулируемый электропривод на базе СД. В данной схеме используется двигатель имеющий электромагнитное возбуждение и преобразовательно-регулирующее устройство, основанное на инверторе тока с широтно-импульсной модуляцией (рисунок 2). Векторное управление, реализованное в ЭП, ориентируется по полю и имеет контур регулирования тока возбуждения (рисунок 3). Отдельно установленный тиристорный управляемый выпрямитель, запитанный специальным согласующим трансформатором, служит для образования тока возбуждения в СД. Но недостатками этой схемы является то что в сеть будут генерироваться электромагнитные помехи, для устранения которых потребуются фильтры, тем самым конфигурация трансформатора будет сильно усложнена.

2

Рисунок 2. Главные цепи синхронного электропривода.

3

Рисунок 3. Упрощенная функциональная схема алгоритма управления с дополнениями для синхронного электропривода.

Важные факторы при разработке ВЧРП для регулирования синхронного двигателя является:

  • качество регулирования СД
  • качество поддержания заданного коэффициента мощности
  • снижение электромагнитных помех в сети предприятия

Усовершенствование схемы было реализовано следующими методами:

  • размещение дополнительной трехфазной обмотки на входном трансформаторе, от которой запитана схема формирования регулируемого тока возбуждения СД
  • добавление датчика положения ротора, который подключен к системе управления ЭД

На рисунке 4 приведена схема усовершенствованного ВЧРП на основе синхронного двигателя.

4

Рисунок 4. Система частотного регулирования для высоковольтного синхронного двигателя.

Предложенный на рисунке 4 ВЧРП состоит из:

1 – многообмоточный трансформатор с дополнительной трехфазной обмоткой;

2 – система управления;

3 – инвертор;

4 – схема формирования регулируемого тока для питания обмотки возбуждения синхронного электродвигателя;

5 – исполнительный механизм;

6 – датчик положения ротора

7 – высоковольтный СД

8 – возбудительное устройство

9 – единый блок схем 4 и 2

Принцип работы схемы: переменный ток с промышленной частотой 50 Гц и напряжением 6-10кВ поступает в многообмоточный трансформатор (1), оттуда напряжение подается на инвертор (2), а напряжение с доп. обмотки подается на схему, которая формирует ток питания обмотки возбуждения СД. На выходе из многоуровневого инвертора, переменный ток становится синусоидальным и имеет заданное напряжение и частоту. Далее подается в обмотку статора электродвигателя. Параллельно схема формирования тока для обмоток возбуждения, образует постоянный ток, который поступает в возбудительное устройство, состоящее либо из бесщеточных, либо имеющих токосъемное кольцо и щетки устройств. Датчик положения ротора, с которого поступает сигнал в систему управления инвертором, расположен на муфте, соединяющей валы двигателя и исполнительного механизма. Данная схема позволяет осуществлять одновременное регулирование и напряжение обмотки СД и тока возбуждения. Дополнительная трехфазная обмотка трансформатора, помогает нам отказаться от дополнительных трансформаторов, что позволяет нам значительно уменьшить габаритные размеры системы и уменьшить создание электромагнитных помех в сети. Повышение качества регулирования синхронного двигателя достигается за счет использования датчика положения ротора. Управление схемой формирования регулируемого тока возбуждения обеспечивает поддержание в электрической сети предприятия необходимого значения коэффициента мощности.

Заключение

Обзор научной литературы и статей по данной тематике, показывает, что предложенная схема управления электроприводом ШГН имеет место быть, а также вполне обоснована ее энергетическая эффективность. Актуальность повышения качества нефтедобычи, всегда будет одним из важных вопросов современной экономики, снижение энергозатрат на добычу нефти, положительно скажется на себестоимости нефти, соответственно приведет к увеличению прибыли.

Список литературы

  1. Чаронов В.Я. Автоматизация работы основного оборудования и проблемы энергосбережения на объектах нефтегазодобычи.- Альметьевск: Изд-во АО «Татнефть», 1998.- 330 с.
  2. Руководство по эксплуатации скважин штанговыми насосами.- Альметьевск.: ПО «Татнефть», 1992.- 442 с.
  3. Таначев Г.П., Корнилов В.Ю. Проблемы энергоэффективности электроприводов штанговых скважинных насосов // Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве. Материалы VII Национальной научно-практической конференции. Казань, 2022. С. 206-209.
  4. Гузеев Б.В., Хакимьянов М.И. Обзор современных высоковольтных преобразователей частоты для асинхронных и синхронных двигателей // Электропривод, электротехнологиии электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. / III Всеросс. науч.-техн. конф. (с международ. участием); редкол.: В.А. Шабанов и др.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. С. 42-53.
  5. Гузеев Б.В., Хакимьянов М.И. Современные промышленные высоковольтные преобразователи частоты для регулирования асинхронных и синхронных двигателей // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №3. С. 441-449.
  6. Пат. 2303851 Российская Федерация, МПК7 H 02 M 7/539, H 02 P 3/18, H 02 P 27/06. Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей / Стригулин А. П.; заявитель и патентообладатель Стригулин А. П. – № 2005134018/09; заявл. 03.11.2005; опубл. 27.07.2007.
  7. Вейнгер А. М., Ильин Е. П., Шатохин А. А. Исследование мощного регулируемого синхронного электропривода на виртуальном испытательном стенде. – V Международная (16 Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу. 18-21 сентября 2007. – с 204.

Интересная статья? Поделись ей с другими: