Вода, отделенная от нефти на УКПН, поступает на установку подготовки воды (УПВ), расположенную также на ЦПС.

Особенно большое количество воды отделяют от нефти на завершающей стадии эксплуатации нефтяных месторождений, когда содержание воды в нефти может достигать до 80 %, т.е. с каждым кубометром нефти извлекается 4 м³ воды.

Пластовая вода, отделенная от нефти, содержит механические примеси, капли нефти, гидраты закиси и окиси железа и большое количество солей. Механические примеси забивают поры в продуктивных пластах и препятствуют проникновению воды в капиллярные каналы пластов, а следовательно, приводят к нарушению контакта "вода-нефть" в пласте и снижению эффективности поддержания пластового давления. Этому же способствуют и гидраты окиси железа, выпадающие в осадок. Соли, содержащиеся в воде, способствуют коррозии трубопроводов и оборудования. Поэтому сточные воды, отделенные от нефти на УКПН, необходимо очистить от механических примесей, капель нефти, гидратов окиси железа и солей, и только после этого закачивать в продуктивные пласты. Допустимые содержания в закачиваемой воде механических примесей, нефти, соединений железа устанавливают конкретно для каждого нефтяного месторождения.

В герметизированной системе в основном используют три метода: отстой, фильтрования и флотацию.

Метод отстоя основан на гравитационном разделении твердых частиц механических примесей, капель нефти и воды. Процесс отстоя проводят в горизонтальных аппаратах -- отстойниках или вертикальных резервуарах-отстойниках.

Метод фильтрования основан на прохождении загрязненной пластовой воды через гидрофобный фильтрующий слой, например через гранулы полиэтилена. Гранулы полиэтилена «захватывают» капельки нефти и частицы механических примесей и свободно пропускают воду.

Метод флотации основан на одноименном явлении, когда пузырьки воздуха или газа, проходя через слой загрязненной воды снизу вверх, осаждаются на поверхности твердых частиц, капель нефти и способствуют их всплытию на поверхность.

Очистку сточных вод осуществляют на установках очистки вод типа УОВ-750, УОВ-1500, УОВ-3000 и УОВ-10000, имеющих пропускную способность соответственно 750, 1500, 3000 и 10000 м³/сут. Каждая такая установка состоит из четырех блоков: отстойника, флотации, сепарации и насосного.

Вместе с очищенной пластовой водой в продуктивные пласты для поддержания пластового давления закачивают пресную воду, полученную из двух источников: подземных (артезианских скважин) и открытых водоемов (рек). Грунтовые воды, добываемые из артезианских скважин, отличаются высокой степенью чистоты и во многих случаях не требуют глубокой очистки перед закачкой в пласты. В то же время вода открытых водоемов значительно загрязнена глинистыми частицами, соединениями железа, микроорганизмами и требует дополнительной очистки.

В настоящее время применяют два вида забора воды из открытых водоемов: подрусловый и открытый.

При подрусловом методе воду забирают ниже дна реки -- "под руслом". Для этого в пойме реки пробуривают скважины глубиной 20 - 30 м диаметром 300 мм. Эти скважины обязательно проходят через слой песчаного грунта. Скважину укрепляют обсадными трубами с отверстиями на спицах и в них опускают водозаборные трубы диаметром 200 мм. В каждом случае получают как бы два сообщающихся сосуда -- "река - скважина", разделенных естественным фильтром (слоем песчаного грунта). Вода из реки профильтровывается через песок и накапливается в скважине. Приток воды из скважины форсируется вакуум-насосом или водоподъемным насосом и подается на кустовую насосную станцию (КНС).

При открытом методе воду с помощью насосов первого подъема откачивают из реки и подают на водоочистную станцию, где она проходит цикл очистки, и попадает в отстойник. В отстойнике с помощью реагентов-коагуляторов частицы механических примесей и соединений железа выводятся в осадок. Окончательная очистка воды происходит в фильтрах, где в качестве фильтрирующих материалов используют чистый песок или мелкий уголь.

Все оборудование системы сбора и подготовки нефти и воды поставляют в комплектно-блочном исполнении в виде полностью готовых блоков и суперблоков.

1.8 Оборудование промысловой перекачки нефти и газа

Дожимные насосные станции предназначены для герметизированного сбора и сепарации продукции скважин, частичного обезвоживания нефти и транспортировки ее до установок подготовки нефти, очистки воды и закачки ее в пласт.

Новые ДНС позволяют использовать малолюдную технологию на вновь осваиваемых месторождениях; в несколько раз снизить площади застройки, занимаемые ДНС; снизить энергоемкость и металлоемкость при добыче одной тонны нефти.

Система автоматического управления новых ДНС с использованием микропроцессорной техники позволяет вести сбор, обработку, отображение, регистрацию технологических параметров, выдачу команд управления исполнительным органам оборудования, автоматическое включение резервного питания, оптимизацию технологических режимов, обмен информацией и принятие команд с верхнего иерархического уровня.

Кустовая дожимная насосная станция предназначена для размещения непосредственно на кусте нефтяных скважин, либо на отдельных небольших нефтяных месторождениях.

1.9 Постановка задач

Исходя из вышеизложенных описании можно определить постановку задач:

Все приводы насосных агрегатов, которые используются при добыче, сборе, переработке и перекачки нефти потребляют огромное количество электрической энергии. При этом экономия потребляемой электрической энергии на 5-10%и существенно снизит финансовую нагрузку для нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих организаций, предприятий. Высвободившиеся деньги можно запустить на развитие производства, энергосберегающие технологий, социальные проекты и т.д.

Таким образом, задачей диссертационной работы:

1) Определить основные места применения насосных агрегатов в цели добычи, сбора и перекачки нефти, где напор и подача агрегатов регулируются дросселированием.

2) Изучить энергосберегающие методы регулирования скорости вращения приводных двигателей насосных агрегатов

3) Анализировать влияние регулирования скорости вращения приводных двигателей насосных агрегатов на напор, подачу и КПД последних.

4) Разработать математическую модель системы «Преобразователь частоты -Асинхронный двигатель-Насосный агрегат» и произвести анализ компьютерного моделирования режимов ее работы.

5) Разработать энерго- и ресурсосберегающий асинхронный электропривод насосных агрегатов для внутри промысловой перекачки нефти.

2. Разработка энергосберегающего асинхронного электропривода насосных агрегатов для добычи и внутри промысловой перекачки нефти

2.1 Методы регулирования скорости вращения асинхронных электроприводов насосных агрегатов

Регулируемый электропривод подразделяется на две основные группы: постоянного и переменного тока. Электроприводом называют устройство, преобразующие электрическую энергию в механическую и состоящее из электродвигателя, передаточного механизма (трансмиссии, муфты, редуктора) и системы управления.

Процесс регулирования частоты вращения любого механизма, в том числе и насоса, удобно анализировать с помощью механических характеристик насосного агрегата.

Скорость вращения асинхронных двигателей определяется из выражении [2.1].

где - скорость вращения поля статора,

- скольжение,

- частота питающей сети,

- число пар полюсов.

Рассмотрим механические характеристики асинхронного двигателя и насосного агрегата. На рис. 2.1 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая 1) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2). Разница значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления называется динамическим моментом. Если вращающий момент больше момента сопротивления, динамический момент считается положительным, если меньше -отрицательным. Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать в ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится. При равенстве этих моментов имеет место установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта Частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка а на рис.2.1). Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного сопротивления в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис.2.1), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления. Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 2.1). Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента. Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насосного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.

Рисунок 2.1 Механические характеристики асинхронного двигателя и насосного агрегата

Регулирование частоты вращения электродвигателей изменением напряжения на его статоре. Вращающий момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения, подводимого к электродвигателю:

(2.1)

По этой причине изменение напряжения на зажимах статора изменяет форму механической характеристики электродвигателя. Рассматривая совместно механические характеристики насоса и электродвигателя (рис. 2.2), на зажимах которого изменяется напряжение, видим, что каждому изменению напряжения соответствует своя рабочая точка каждой точке соответствует свое скольжение . При изменении напряжения значение критического скольжения не изменяется, поэтому максимальный момент при любых изменениях напряжения соответствует одному и тому же значению скольжения, равному примерно 0,1-0,2. Этим определяется сравнительно узкий диапазон регулирования по частоте вращения, который может обеспечить этот способ регулирования. Регулирование напряжения на статоре двигателя осуществляется обычно с помощью тиристорного (частотного) регулятора напряжения (рис. 2.3).

Рисунок 2.2 Механические характеристики электродвигателя при изменении напряжения: 1-естественная характеристика; 2,3-характеристика при пониженном напряжении; 4-механическая характеристика насоса

Рисунок 2.3 Электропривод с тиристорным (частотным) регулятором напряжения

Частотный электропривод. Основным элементом частотного электропривода является тиристорный (частотный) преобразователь. В этом преобразователе постоянная частота питающей сети преобразуется в переменную . Пропорционально частоте изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.

Частотные преобразователи подразделяются на два основных вида: с промежуточным звеном постоянного тока и с непосредственной связью. Схема частотного преобразователя первого вида представлена на рис. 2.4 и 2.5. Преобразователь состоит из выпрямителя В, фильтра Ф и инвертора И.

Посредством частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжения и частота преобразуются в изменяемые параметры и , требуемые для системы управления.

Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей частотный преобразователь должен поддерживать определенное соотношение между входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования Костенко [6]

 (2.2)

Рисунок 2.4 Схема частотного электропривода с инвертором напряжения

Рисунок 2.5 Схема частотного электропривода с инвертором тока

Для насосов, работающих без статического напора, т.е. тех, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы

(2.3)

Для насосов, работающих со статическим напором, должно соблюдаться более сложное соотношение

(2.4)

где показатель степени в уравнении механической характеристики насоса.

В большинстве случаев в насосных установках приходится использовать преобразователи промышленного исполнения, обеспечивающие соотношение

(2.5)

На рис. 2.6 представлены механические характеристики асинхронного электродвигателя при частотном регулировании и соблюдении соотношении (2.5). При уменьшении частоты механическая характеристика не только меняет свое положение в координатах , но несколько изменяет свою форму. В частности, снижается максимальный момент электродвигателя, что обусловлено тем, что при соблюдении соотношения (2.5) при изменении частоты не учитывается влияние на вращающий момент изменений активного сопротивления статора. При частотном регулировании с учетом этого влияния максимальный момент остается неизменным, форма механической характеристики сохраняется, меняется только ее положение.



Рисунок 2.6 Механические характеристики частотного электропривода при максимальных (1) и пониженных (2) частотах

Частотные преобразователи выполняются на базе автономных инверторов тока (АИТ) или на базе автономных инверторов напряжения (АИН). В частотных преобразователях на базе АИН (рис. 2.4) в звене постоянного тока выпрямляется напряжение. Сглаживающий фильтр в этих преобразователях состоит из дросселя, включенного последовательно с инвертором, и конденсатора, подключаемого параллельно АИН. На выходе преобразователя форма кривой выходного напряжения (обычно прямоугольная) определяется порядком переключения тиристоров, а форма кривой тока (синусоидальная) зависит от характера нагрузки.

В частотных преобразователях на базе АИТ (рис 2.5) в звене постоянного тока выпрямляется ток. Сглаживающий фильтр состоит из дросселя, включаемого последовательно с инвертором. На выходе преобразователя форма кривой выходного тока определяется порядком переключения тиристоров, а форма кривой напряжения (синусоидальная) - характером нагрузки.

Частотные преобразователи на базе АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) имеют более высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В этих преобразователях в отличие от описанных выше могут использоваться неуправляемые выпрямители.

2.2 Влияние изменения скорости приводных двигателей насосных агрегатов на напор и подачи центробежных насосов перекачки нефти

Более высокую эффективность обеспечивают способы регулирования, основанные на изменении частоты вращения рабочих колес центробежных насосов.

Изменение частоты вращения рабочего колеса насоса ведет к изменению всех его рабочих параметров. При этом изменяется положение характеристик насоса. При изменении частоты вращения насоса пересчет характеристик осуществляется с помощью так называемых формул приведена:

; (2.6)

; (2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

где напор в начале трубопровода; гидравлическое сопротивление трубопровода; статический напор, обусловленный разностью геодезических отметок подачи и приема жидкости.

(2.11)

где плотность жидкости, кг/м³; подача насоса, м³/с; ускорение свободного падения, м/с²; напор насоса, м; КПД насоса.

В отдельных частных случаях, например при работе одиночного насоса без статического напора, формулы приведения можно использовать для определения рабочих параметров насоса, работающего с измененной частотой вращения.

Ниже рассматриваются изменения основных рабочих параметров насоса в зависимости от его частоты вращения при работе на систему со статическим напором. Приводится в аналитической и графической форме зависимости для их определения.

Напорная характеристика центробежного насоса, работающего с переменной частотой вращения, описывается согласно [5] уравнением

(2.12)

где и - фиктивные параметры насоса;

и переменное и номинальное значения частоты вращения насоса соответственно.

Из (2.10) видно, что гидравлические потери в насосе при одной и той же подаче не зависят от частоты вращения. Это значит, что при ее изменении напорные характеристики насоса остаются подобными друг другу и только изменяют свое положение по вертикали в координатах и . На графике (рис.2.7) представлена характеристика трубопровода, на который работает насос. Характеристика трубопровода описывается зависимостью (2.10). Пересечение характеристик 1,2,3 насоса, последовательно изменяющего свою частоту вращения , с характеристикой 2.9 трубопровода определяет положение рабочих точек . Этим точкам соответствуют значения рабочих параметров насоса: напора и подачи . Таким образом, рабочие точки характеристики насоса при изменении его частоты вращения располагаются на характеристике трубопровода.

Рисунок 2.7 График совместной работы насоса, работающего с переменной частотой вращения, и трубопровода: 1-3 -напорные характеристики насоса при соответственно; 4-характеристика трубопровода.

Совместным решением уравнений характеристик трубопровода (2.10) и насоса (2.12) относительно параметра получена зависимость изменения подачи насоса от его частоты вращения:

(2.13)

Из (2.13) видно, что подача насоса зависит не только от частоты вращения, но и от отношения .

Принимая в качестве базисных значений и зависимость (2.13) приводят к виду

(2.14)

где относительная подача;

относительная частота вращения насоса;

относительный статический напор;

относительная фиктивная высота подъема жидкости. С использованием (2.14) на рис. 2.8 приведена графически зависимость изменения подачи насоса от его частоты вращения для разных значений отношения . Представленные кривые наглядно показывают, что квадратичная зависимость изменения подачи от частоты вращения насоса наблюдается только при , т.е. при работе без статического напора. Аналогичным образом получена зависимость изменения напора, развиваемого насосом, от его частоты вращения

(2.15)

С использованием (2.15) построена зависимость напора насоса от его частоты вращения при разных значениях (рис. 1.14). При построении этой зависимости принято характерное для многих насосов, предназначенных для подачи чистой воды. Аналогичные зависимости могут быть построены с помощью (2.15) и для других значений , т.е. для насосов с другой крутизной напорной характеристики .



Рисунок 2.8 Изменение подачи насоса в зависимости от частоты вращения при различных значениях : 1-0; 2-0,08; 3-0,16; 4-0,24; 5-0,32; 6-0,4; 7-0,48; 8-0,56; 9-0,64; 10-0,72

Рисунок 2.9 Изменение напора насоса в зависимости от частоты вращения при и различных значениях

1-0; 2-0.16; 3-0.24; 4-0.3; 5-0.4; 6-0,48; 7-0,56; 8- 0,64; 9- 0,72; 10-0,8.

2.3 КПД насосных агрегатов при изменении скорости вращения рабочего насоса

Важнейшим параметром насоса является его КПД. Изменение КПД в зависимости от частоты вращения насоса определяют с помощью формулы Муди, преобразованной для насосов:

, (2.16)

где КПД, частота вращения и диаметр рабочего колеса насоса;

то же геометрически подобного насоса. После некоторых преобразований получаем:

, (2.17)

где значение КПД при номинальной частоте вращения насоса. Следует подчеркнуть, что КПД насоса при номинальной частоте вращения не является номинальным КПД. За номинальный КПД насоса принимается только максимальное значение КПД при номинальной частоте вращения рабочего колеса насоса. Прочие значения КПД насоса при номинальной частоте вращения задаются обычно в виде опытных кривых и приводятся в каталогах насосов. Зависимость значения КПД от значений подачи при постоянной номинальной частоте вращения для наиболее распространенных насосов средней и большой мощности (Д и В соответственно) описывается эмпирически:

(2.18)

Важным параметром насоса является его механическая характеристика, т.е. зависимость момента сопротивления насоса от частоты вращения. От вида механической характеристики зависят энергетические показатели привода- потери в приводе и его КПД.

Момент сопротивления, Н*м, любого механизма, в том числе и насоса, определяется выражением

(2.19)

где мощность, кВт;

частота вращения, об/мин.

Подставляя в (2.19) значения мощности из (2.11), получаем выражение момента сопротивления, Н*м, насоса через его рабочие параметры:

(2.20)

В относительных единицах (2.20) имеет вид

(2.21)

С использованием уравнений (2.13), (2.15), (2.17) (2.18) путем подстановки значений рабочих параметров насоса в (2.21) определены и построены графически механические характеристики насоса для различных значений (рис. 2.8, 2.9). Представленные зависимости наглядно демонстрируют отличие механических характеристик насосов от квадратичной параболы, построенной в соответствии с (2.9), что дает основание представить формулу приведения (2.9) в более общем виде:

 (2.22)

где .

Меньше значения относятся к одиночным насосам, работающим без статического напора, большие - к насосам, работающим с большим статическим напором. Для насосов систем водоподачи и водоотведения .

Рисунок 2.8 Изменение потребляемой насосом мощности в зависимости от частоты вращения при различных значениях : 1-0; 2-0.32; 3-0.48; 4-0.64; 5-0.8

Рисунок 2.9 Изменение момента сопротивления насоса в зависимости от частоты вращения при различных значениях : 1-0; 2-0.32; 3-0.48; 4-0.64; 5-0.8

Уравнением (2.20) и (2.21) справедливы до тех пор, пока развиваемый насосом напор не сравняется со статическим напором. С этого времени подача насоса и его КПД становятся равными нулю и уравнения обращаются в неопределенность вида 0/0, что соответствует граничной частоте вращения

(2.23)

которая определяет границу между рабочим и нерабочим режимами насоса.

После уменьшения частоты вращения насоса ниже граничной момент сопротивления изменяется в соответствии с уравнением

(2.24)

где момент сопротивления насоса при закрытой задвижке и номинальной частоте вращения насоса;

момент сопротивления насоса, обусловленный трением в его сальниках и подшипниках.

Момент определяется подстановкой в (14) значения мощности холостого хода насоса и его номинальной частоты вращения. Момент согласно опытным данным составляет 5-10% номинального момента насоса.

Целесообразно поддерживать такую частоту вращения насоса, при которой в координатах геометрическое место его рабочих точек лежало бы на рабочей характеристике трубопровода. Совместным решением уравнения напорной характеристики насоса (2.12) и трубопровода (2.10) относительно частоты вращения получено выражение

 (2.25)

где статическая составляющая напора;

фиктивная высота подъема жидкости при нулевой подаче;

наибольшая для данной системы подача насоса.

Работа насоса с частотой вращения, определяемой уравнением (2.25), обеспечивает поддержание минимальных значений напора на выходе насосной установки во всем диапазоне изменения ее подачи. Благодаря ликвидации превышения напора энергопотребление насоса уменьшается до необходимого минимума.

При регулировании частоты вращения в соответствии с (2.25) снижение энергопотребления по абсолютному значению равно потерям, обусловленным превышением напоров, которые имеют место при работе насосов с постоянной частотой вращения.

2.4 Элементы двухзвенного преобразователя частоты электропривода центробежного электронасоса

Все преобразователи энергии, используемые в автоматизированном электроприводе, и в том числе в регулируемом погружном асинхронном электроприводе, выполняются на силовых полупроводниковых вентилях: неуправляемых (диодах) и управляемых (тиристорах, транзисторах). В электроприводах неуправляемые диоды, в большинстве случаев, используются в выпрямительном режиме и предельные прямые токи и обратные напряжения их соответственно составляют до 10000А и 6500В. Промышленностью так же выпускаются диодные модули с током от 10А до 3600А и напряжением до 4000В. Управляемые вентили подразделяются на два класса: с неполным управлением, с полным управлением.

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход их из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле прямого напряжения, но невозможно выключить воздействием по цепи управления, для этого требуется сменить полярность напряжения на вентиле на обратную.

К вентилям с неполным управлением относится тиристоры - четырехслойные p-n-p-n полупроводниковые приборы, симисторы (симметричные тиристоры) - пятислойные p-n-p-n-p полупроводниковые приборы. Предельные прямые токи и обратные напряжения низкочастотных тиристоров составляют, соответственно, до 5500А и 6500В.

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запирать при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления. К ним относятся: запираемые тиристоры (в зарубежном обозначении GTO - Gate Turn Oft) и силовые транзисторы (биполярные, полевые и комбинированные - IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) транзисторы. Запираемые (двухоперационные) тиристоры (ЗТ) отличаются от обычных тиристоров тем, что их можно запереть подачей короткого, но мощного импульса тока обратной полярности в цепь управляющего электрода. Предельные значения прямых токов и обратного напряжения достигает соответственно, до 2500А и 6000В. Условные обозначения GTO и IGCT тиристоров приведено на рисунке 2.1 а,б.

а) б)

Рисунок 2.1 Условное обозначение GTO и IGСT тиристоров

В последние годы GTO-тиристоры модифицированы и создан новый тип тиристора - тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). В нем на порядок сокращаются время коммутации и коммутационные потери. Промышленностью IGCT тиристоры выпускаются на 3000А, 3500В.

Биполярные транзисторы (ВРТ) представляют собой трехслойные полупроводниковые структуры p-n-p и n-p-n типов и позволяют изменением тока базы p-n перехода база-эмиттер, смещенного в прямом направлении, управлять в десятки раз большим током, текущим через выходной переход база-коллектор, смещенным в обратном направлении. У биполярных транзисторов большое усиление по мощности. Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен вольт и максимальными частотами включения до единиц килогерц.

Полевые транзисторы с изолированным затвором используют один (униполярный) тип носителя (за рубежом эти транзисторы носят название MOSFET - Metall-Oxide-Semiconductor-Field-Effect Transistor). У полевых транзисторов отсутствуют затраты на мощности управление. Уступая биполярным транзисторам по предельным значениям выходных напряжении и токов полевые транзисторы имеют высокое быстродействие, малые потери.

Комбинированные транзисторы, объединяют полевой транзистор с изолированным затвором (на входе) и биполярный транзистор (на выходе) и называются биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT). Биполярный транзистор с изолированным затвором - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трехслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рисунке 2.2 показаны условные обозначения IGBT транзисторов.



Рисунок 2.2 Условные обозначения IGBT-транзисторов

Использование IGBT началось с середины 1980-х годов и с тех пор претерпело четыре стадии своего развития. В настоящее время коммутируемое напряжение IGBT доходит до 6500В токи до 3600А в модульном исполнении, частота коммутации до 50кГц.

По быстродействию IGBT уступает MOSFET, но значительно превосходит биполярные транзисторы.

Основными мировыми фирмами-производителями транзисторов IGBT являются: International Rectifier, IXYS, Motorola, Intersil, Mitsubishi, Siemens и др. Фирма «International Rectifier» выпускает IGBT с частотой коммутации до 75-150кГц. В России освоены серии IGBT-модулей средней мощности на предприятии «Контур» (г. Чебоксары) и серии IGBT-модулей большой мощности на предприятии «Кремний» (г. Брянск). Серийный выпуск мощных IGBT-модулей налажен в г. Саранске, где их производит ОАО «Электровыпрямитель». В каждом модуле параллельно каждому IGBT подключены встроенный обратный диод (рисунок 2.3) для защиты транзисторов от пробоя обратным напряжением «эмиттер-коллектор».



Рисунок 2.3 Модульные исполнения IGBT-транзисторов

Модульное исполнение IGBT-транзисторов в корпусах ТО-220, ТО-247 со встроенными обратными быстродействующими диодами становится особенно предпочтительным при разработке инверторов. Для управления IGBT-модулями или отдельными транзисторами используют драйверы - микросхемы управления. Драйверы обеспечивают передачу сигналов, выполняют логические функции, обеспечивают защиту транзисторов, оптронную развязку и т.д.

В настоящее время на электронном рынке устройства управления мощными полевыми MOSFET и IGBT транзисторами представлены фирмами Agilent Technologies, IR, Powerex, Semikron, CT Concept. Выпускаемые ими модули драйверов обеспечивают согласование по уровням токов и напряжений с большинством IGBT и мощных полевых транзисторов с предельно допустимым напряжением до 2500В, защиту от перегрузки или короткого замыкания, от недостаточного уровня напряжения на затворе транзистора. С помощью внешних элементов режим работы драйвера настраивается для оптимального управления разными типами транзисторов.

На сегодняшний день IGBT как класс приборов силовой электроники занимает доминирующее положение для диапазона мощностей преобразователей электрической энергии в электрическую от единиц киловатт до единиц мегаватт, и составляет основу перспективных схемных решений многодвигательного асинхронного электропривода синхронного вращения.

Силовой модуль предназначен для преобразования входного сетевого напряжения постоянной частоты f = 50Гц (60Гц) и амплитуды в реализуемое переменное по частоте и амплитуде выходное напряжение для питания статорных обмоток погружного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Все выше перечисленные силовые элементы электроники служат основной разработки автономных инверторов напряжения двухзвенных преобразователей частоты (рисунок 2.4) для регулирования скорости вращения электродвигателей погружных электронасосов.



Рисунок 2.4 Структурно-функциональная схема ПЧ

Все современные двухзвенные преобразователи частоты выпускаемых западными фирмами и состоит из следующих элементов:

- трехфазного мостового выпрямителя (обычно собранного по схеме Ларионова);

- емкостного фильтра звена постоянного тока (С);

- трехфазного мостового инвертора на базе IGBT-модулей;

рассеивающий резистор R_T;

- схемы драйверов (согласующих схем), осуществляющих управление затворами IGBT-транзисторов, защиту и гальваническую развязку силовых и управляющих цепей;

- вентилятора, управляемого в функции значения температуры радиатора силового модуля;

- схемы предварительного заряда конденсаторов фильтра, обеспечивающей ограничение тока заряда и плавный рост напряжения на конденсаторах при подаче силового напряжения питания (R3, К);

- датчиков контроля и измерения тока и напряжения в звене постоянного тока (ДТ, ДН);

- блока питания цепей управления;

- схемы опторазвязки измерительной цепи в звене постоянного тока от элементов схемы блока управления ПЧ.

Блок управления включает:

- DSP-процессор обработки сигналов, который служит для приема и обработки сигналов датчиковой системы, ШИМ -- управления силовыми транзисторами инвертора, обеспечения защиты силового блока, поддержки коммуникационных связей с внешними устройствами и пультом управления, обеспечения общих функций управления ПЧ;

- схему ввода/вывода дискретных сигналов связи с элементами электропривода;

- схему аналогового интерфейса связи с аналоговыми сигналами задания скорости, с устройствами визуального отображения выходной мощности, частоты, скорости и т.д.;

- коммуникационный модуль для реализации обмена по интерфейсам RS485, USB с устройствами управления, например, с промышленными компьютерами (ПК) или PLC.

2.5 Принципиальная электрическая схема шкафа управления ПЧ-АД-ЦЭН

Принципиальная электрическая схема электропривода ПЦЭН приведена на рисунке 6, где силовой выпрямитель (VD1чVD6) выполнен по трехфазной мостовой схеме Ларионова (если ПЧ однофазного исполнения, то однофазная мостовая схема). При линейном действующем значении напряжения силовой сети 380В, выпрямленное напряжение на шинах постоянного тока составляет примерно 514В. В данном примере, блок силового фильтра состоит из набора электролитических конденсаторов C1, С2 и дросселя L1.

Приведенная силовая схема соответствует структуре автономного инвертора напряжения (АИН), в котором существует строгая и однозначная зависимость напряжения U_d в звене постоянного тока от напряжения в нагрузке. АИН является источником напряжения. При работе инвертора, как источника напряжения на активно-индуктивную нагрузку, в данном случае асинхронный электродвигатель (АД), батарея конденсаторов фильтра С помимо функции сглаживания выпрямленного напряжения обеспечивает обмен реактивной энергией между АД и звеном постоянного тока. Для реализации обмена необходимы обратные диоды VD1чVD6, включенные параллельно IGBT-транзисторам инвертора VT1чVT6, и через которые протекают токи, обусловленные процессом возврата реактивной энергии от АД в емкость фильтра С. Вполне очевидно, что ток в силовой цепи постоянного тока между емкостью С и ключами инвертора может менять направление при низких значениях cosц нагрузки. Датчик тока ДТ и датчик напряжения ДН служат для измерения тока в плюсовой либо в минусовой шине и напряжения на шинах постоянного тока инвертора соответственно. Устройство «слива» энергии (УСЭ) необходимо для реализации режима динамического торможения и, конечно, для создания необходимого значения тормозного момента вместо режима рекуперации. УСЭ собрано, как правило, на базе ключевого IGBT-транзистора (VT7), обратного и разделительного диодов D2, D1 для маломощных ПЧ (до 5 кВт). В более мощных ПЧ используются специальные тормозные блоки, управляющие процессом сброса энергии во внешний резистор R_T в функции уровня напряжения на шинах звена постоянного тока. Резисторы Rl, R2 используются внешней схемой управления для обеспечения начального заряда емкости фильтра С при включении сетевого питания.



Рисунок 6 Электрическая принципиальная схема ПЧ

Завершая рассмотрение основных фрагментов схемотехники ПЧ, в качестве примера приведем практически реализованную принципиальную электрическую схему КЧРЭ мощного насосного агрегата на базе ПЧ одной из японских фирм (рис. 1.32). Установленная мощность электродвигателя привода насосного агрегата Р_АД = 7 5 кВт.

Вывод

Для асихронных двигателей энергосберерегащими методами регулирования их скорости вращения являются методы регулирования амплитуды и частоты питающей сети двигателя.

Анализ влияния изменения скорости вращения приводных двигателей насосных агрегатов на напор и подачи центробежных колес насоса значительно влияют на энергосбережение и поддерживает высокий КПД системы.

Анализированы новые элементы двухзвенного преобразователя частоты с целью разработки энергосберегающего электропривода центробежного насосного агрегата и выбрали преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока с УСВТ транзисторами.

Составлена система управления принципиальная электрическая схема центробежных насосных агрегатов с ресурсо- и энергосберегающим электроприводом.

3. Энергосбережение средствами регулируемых электроприводов в насосных агрегатах перекачки нефти

3.1 Упрощенная математическая модель линеаризованного асинхронного двигателя

При асинхронный двигатель на прямолинейном участке механической характеристики описывается уравнением по формуле[17,18]:

(3.1)

где модуль жесткости линеаризованной механической характеристики,

электромагнитная постоянная времени двигателей.

Тогда линеаризованное уравнение движения электропривода ПЦЭН можно записать в виде [66]:

(3.2)

где и (н·м, рад/сек) - соответственно моменты, скорости двигателей.

(н·м) - статические моменты нагрузки на валах соответствующих двигателей.

(кг·мІ) - приведенные моменты инерции элементов, связанных с двигателем.

Приведенная система линеаризованных уравнений трехдвигательной системы позволяет составить структурную схему, которая приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Структурная схема трехдвигательного асинхронного электропривода

Линеаризованная структурная схема МАЭП СВ состоит из трех идентичных асинхронных электродвигателей с фазным ротором, где роторные связи имитировались инерционно-дифференцирующим звеном от разности углов рассогласования. Инерционно-дифференцирующее звено представляется в следующем виде:

. (3.3)

Введение такого звена в математическую модель трехдвигательного асинхронного электропривода дает возможность осуществить синхронизацию скоростей при небольших разностей нагрузок двигателей системы.

3.2 Структурная схема электропривода системы преобразователь «частоты-асинхронный двигатель»

Формирование требуемых статических и динамических свойств асинхронного частотно-регулируемого электропривода погружного электронасоса возможно лишь в замкнутой системе регулирования его координат, функциональная схема которого представлена на рисунке 10.

Р - регулятор; Д - датчик переменных электропривода; ПЧ - преобразователь частоты.

Рисунок 13.2 Функциональная схема замкнутой системы ПЧ-АД.

Для увеличения диапазона регулирования по скорости в данную систему регулирования необходимо введение отрицательной обратной связи по скорости. Поэтому в математическом описании переходных процессов электропривода учитывается эта обратная связь. Структурная схема системы ПЧ-АД с отрицательной обратной связью по скорости, в этом случае, будет иметь вид:

Рисунок 3.3 Структурная схема системы ПЧ-АД с обратной связью по скорости

Отметим, что структурная схема, в соответствии с рисунком 11, является линеаризованной системой электропривода.

На схеме приняты следующие обозначения:

в - модуль жесткости линеаризованной механической характеристики АД;

Т_э - эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора АД;

k_ПЧ - передаточный коэффициент функции ПЧ;

Т_ПЧ - постоянная времени цепи управления ПЧ;

Т_м - электромеханическая постоянная времени.

Уравнение движения, согласно передаточной функции W₁ структурной схемы, можно записать в следующем виде:

(3.4)

или

(3.5)

Согласно передаточной функции W₂ будем иметь следующее соотношение:

(3.6)

которое можно написать в виде дифференциального уравнения:

 (3.7)

Уравнение ПЧ, исходя из передаточной функции W₃, запишем:

(3.8)

а РС, передаточная функция которого является W₄, представим уравнением:

(3.9)

Или

(3.10)

Приращение запишем в следующем виде:

(3.11)

где - приращение задающего сигнала;

- коэффициент обратной связи по скорости.

3.3 Энергетические показатели электропривода центробежных механизмов в переходных режимах

Интенсивное развитие силовой электроники и информационно-вычислительных средств привело к широкому распространению систем электропривода переменного тока на базе асинхронных двигателей. Созданы электроприводы с АД, не уступающие приводам постоянного тока по основным параметрам, таким, как диапазон, точность и быстродействие регулирования. При этом главным преимуществом первых остается высокая надежность основного элемента - электродвигателя. Наступает этап внедрения автоматизированных электроприводов переменного тока в промышленных установках, для которых до сих пор традиционным являлось использование машин постоянного тока.

В механизмах циклического действия переходные процессы занимают значительную, а иногда и основную, часть рабочего цикла. Механизмы непрерывного действия все чаще включаются в САУ технологическими процессами, требующими регулирования или стабилизации выходных параметров и, следовательно, координат используемого электропривода. Так, для центробежных механизмов (насосы, вентиляторы, воздуходувки и т.д.) рабочим режимом принято считать стационарный, с установившимися параметрами привода. Однако при работе, например, регулируемого электропривода насосной установки, обеспечивающей стабилизацию давления в заданной точке трубопровода, постоянно возникают переходные процессы, которые вызваны оперативными включениями или отключениями отдельных элементов системы или изменением режимов их функционирования.

В связи с этим важное значение приобретает исследование энергопотребления таких электроприводов не только в установившихся, но и в переходных режимах их работы.

3.4 Упрощенная математическая модель асинхронного электропривода центробежных насосных агрегатов

В отличие от рассмотренных выше процессов при М_С=const, при центробежной нагрузке момент сопротивления механизма является достаточно сложной функцией скорости. Так, для центробежного насоса в первом подразделе нами получено выражение зависимости Мс ЦН от параметров насоса, трубопровода и режима работы агрегата. В простейшем случае при Н_С=0 (труба горизонтальна), и постоянном значении КПД зависимость становится квадратичной:

, (3.12)

и производная по времени вычисляется достаточно просто:

(3.13)

Cистема уравнений асинхронных двигателей:

(3.14)

Вектор правых частей примет вид

(3.15)

где а₁₄=2М_На₁₂,

а₁₅=2М_На₁₃,

Y₅ соответствует М_С.

Для процесса пуска АД при постоянном моменте нагрузки принимаем нулевые начальные значения токов, момента сопротивления и s_НАЧ=1:

.

С помощью полученной модели проведен ряд расчетов переходных процессов АД с центробежной нагрузкой. На рисунках 3.4 - 3.7 представлены расчетные кривые, полученные для прямого пуска при двигателя 4АНК 315 4У3.

Рисунок 3.4 Электромагнитный момент АД при прямом пуске



Рисунок 3.65 Ток статора АД при прямом пуске с

Рисунок 3.6 Частота вращения ротора АД при прямом пуске с

Универсальная программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в программной среде «Mathcad 2001» (MathSoft)содержит встроенные программы для численного решения систем дифференциальных уравнений первого и высших порядков. На рисунке 3.7 представлена блок - схема алгоритма расчета.

Вектор правых частей системы дифференциальных уравнений формируется по данным о схеме электропривода, параметрах АД, характере нагрузки. Вид переходного процесса и его параметры вместе с параметрами нагрузки определяют вектор начальных условий. Кроме того, используя подпрограмму «Расчет du/dt», можно задать форму и интенсивность нарастания управляющих воздействий. Далее выбирается метод численного решения системы (Рунге-Кутта с фиксированным или адаптированным шагом, Булириш-Штера и т.д.), интервал и шаг решения. Вывод результатов осуществляется в табличном или графическом виде.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.7 Блок - схема алгоритма расчета динамических характеристик привода центробежного насоса

Электромеханические соотношения в программе рассчитываются с учетом паспортных данных АД, насоса и трубопровода и параметров режимов их работы.

В качестве примера ниже (рисунки 3.8 (1,2)) приведены результаты расчета электромагнитного момента и тока статора асинхронного двигателя 4АНК 315 4У3 при прямом пуске насоса и при экспоненциальном нарастании напряжения на статоре.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1,3 - активные составляющие; 2,4 - реактивные составляющие

Рисунок 3.9 Токи АД при прямом (3,4) и плавном (1,2) пуске с центробежной нагрузкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.8 Моменты АД при прямом (2) и плавном (1) пуске с центробежной нагрузкой

Отсутствие резких колебание электромагнитного момента при регулируемом значении du/dt позволяет избежать резких гидравлических перегрузок элементов насосного агрегата.

В результате на монитор в табличном или графическом виде выводятся:

- мгновенные значения проекций токов статора и ротора i_1x(t), i_1y(t), i_2x(t), i_2y(t);

- мгновенные значения скорости вращения ротора АД щ(t);

- мгновенные значения момента сопротивления механизма М_С(t) и электромагнитного момента АД М(t);

- максимальные и минимальные значения указанных параметров.

Этих данных достаточно для того, чтобы, используя дополнительно разработанный программный модуль «Расчет энергетических характеристик», получить данные энергопотребления в динамических режимах (рисунок 3.9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.9 Блок - схема расчета энергетических показателей электропривода ЦН в динамических режимах

Базовым является программный модуль «Расчет динамических характеристик», описанный выше, при разработке программы использовались положения из [17, 18].

Так как в системе координат, вращающихся синхронно с вектором поля, векторы электромагнитных величин неподвижны относительно осей, активная и реактивная составляющие потребляемой двигателем мощности в программе рассчитываются просто:

(3.18)

Поскольку при составлении системы уравнений электромагнитного равновесия вектор напряжения статора совмещен с осью x синхронных координат, в (2.103) проекция u_1y=0

На рисунках 3.10, 3.11, представлены результаты расчетов мгновенных значений потребляемой мощности асинхронного двигателя при прямом пуске центробежного насоса и мгновенного коэффициента мощности двигателя

. (3.19)



1 - активная мощность Р(t); 2 - реактивная мощность Q(t); 3 - полная мощность S(t)

Рисунок 3.10 Прямой пуск ЦН

Рисунок 3.11 Коэффициент мощности АД при прямом пуске ЦН

Далее в программе рассчитываются мгновенное значение полезной мощности на валу двигателя во время переходного процесса (рисунок 2.47)

(3.20)

и мгновенный коэффициент полезного действия (рисунок 3.14).

(3.21)

Предлагаемая программа предусматривает также вывод максимальных значений токов, моментов и мощностей АД в переходном режиме, что полезно при расчете систем защиты и формирования переходных процессов.

Рисунок 3.12 Прямой пуск ЦН. 1 - потребляемая активная мощность Р(t); 2 - мощность на валу АД Рв(t)

Рисунок 3.13 Коэффициент полезного действия АД при прямом пуске ЦН

Кроме характера протекания электромагнитных и электромеханических переходных процессов, при проектировании систем электропривода полезно знать интегральные характеристики за все время, например, пуска. Эти данные получаем путем интегрирования соответствующих переменных в пределах времени протекания переходного процесса:

;

;

(3.22)

где t_n - длительность переходного процесса.

Соответственно, интегральные значения коэффициента мощности и КПД за время переходного процесса определяются, как

,

(3.23)

Применение плавного пуска является важным фактором избежания гидравлических ударов в системе. Проведено исследование влияния формы и интенсивности нарастания напряжения на пусковые энергетические характеристики. Интегральные характеристики приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Расчетные данные

Постоянная времени Т, с	Pn, кВт	Qn, кВАр	Sn, кВА	Kмп	зn
0	570.7	2029	2133	0.267	0.396
0.1	602.2	2226	2334	0.259	0.348
0.2	688.4	2593	2719	0.254	0.330
0.5	980.1	4091	4265	0.230	0.219

Таким образом, предлагаемые методика и программа расчета энергетических показателей позволяют оценить характер переходных процессов и определить энергозатраты в динамических режимах различных систем электропривода центробежных механизмов.

Вывод

Согласно с общепринятыми допущениями составлена математическая модель линеаризованного асинхронного двигателя в пределах линейного участка механической характеристики и системы «Преобразователь частоты-Асинхронный двигатель».

Анализированы энергетические показатели электропривода центробежных насосов в переходных режимах.

Разработана упрощенная и уточненная математическая модель асинхронных электроприводов насосных агрегатов.

Анализированы результаты моделирования изменения статорных, роторных токов, моментов и КПД при прямом и плавном пуске асинхронных двигателей согласно разработанному алгоритму расчета динамических характеристик насосного агрегата.

Заключение

1. Анализ литературного обзора показал, что добыча и перекачка нефти в большей части достигается центробежными электронасосами. Это показывает перспективу широкого использование и внедрения устройств центробежного электронасоса и регулирование его режимов работы электрическими и механическими способами.

...