CN101030744A

CN101030744A - 潜油电泵启动装置

Info

Publication number: CN101030744A
Application number: CN 200710013930
Authority: CN
Inventors: 王心刚; 贺利; 满德金; 阳忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2007-09-05

Abstract

本发明涉及一种潜油电泵启动装置，提供了一种能够延长潜油电泵的维修周期，提高单井产量的装置。该装置由磁控电抗器、控制中心组成，磁控电抗器串联在电源和潜油电机之间，每个电抗器包括两个口型铁心和三个绕组，两个是交流绕组，一个是直流绕组；控制中心控制磁控电抗器的接通和断开及饱和程度。控制中心通过智能可控整流模块输出直流电压，调节直流绕组的电流大小，控制铁心的饱和程度，改变交流绕组的电抗值实现调压启动。本装置采用斜坡电压启动，加到电机上的电压由小到大斜坡线性上升，尤其适合电潜泵的启动。磁控软启动装置的控制中心采用工业PLC，具有可靠性高、抗干扰等优点。

Description

潜油电泵启动装置

一、技术领域：本发明涉及一种中压潜油电泵智能磁控无级调压启动控制装置尤其是一种潜油电泵启动装置。

二、背景技术：电潜泵的启动方法有多种，如传统的有级调压启动方法有：星/角变换启动，自耦变压器启动，串连电抗器启动等等。无级调压启动方法有：液阻软启动、晶闸管软启动、变频启动等。电潜泵主要启动方法的特点如下：

1、液阻软启动：液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制。液阻的热容量大。液阻软启动有以下缺点：一是液阻箱容积大；二是移动极板需要有一套伺服机构，难以实现启动方式的多样化；三是液阻软启动维护周期短；四是液阻软启动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的现场。

2、晶闸管软启动：目前在低压(380伏)范围内，晶闸管软启动产品价格已经下降到液阻软启动的大约2倍。而其主要性能却优于液阻软启动。与液阻软启动相比，它具有体积小、结构紧凑，功能齐全，菜单丰富，启动重复性好，保护周全等优点。晶闸管软启动产品的缺点有：一是高压产品的价格太高；二是晶闸管引起的高次谐波较严重；三是故障率高；尤其是中压软启动，在潜油电泵控制中，一般启动几次就损坏了。

3、变频启动通过改变供电电源的频率，启动时，使潜油电机从零转速开始，无级升到额定转速，达到限制启动电流的目的。目前在油田电泵井试用过的变频启动器有两种形式：一是直接使用中压变频器；二是由升压变压器、降压变压器和低压变频器组成的变频启动器。变频器的最大优势是调速，而仅仅应用在电潜泵的启动上，难以发挥其主要作用，所以，无论使用什么形式的变频启动，都存在造价太高，一次投资大的缺点。从油田电泵井曾经使用或正在使用的启动控制器看，晶闸管软启动在使用了一段时间后，由于自身故障率高，经常造成电泵井的启动失败而逐渐淘汰；变频软启动由于价格太高很难推广。

目前，油田已进入高含水开发后期，大量采用电动潜油离心泵(简称电潜泵)提液上产成为一个重要的开发特点。随着电潜泵井的增多及电潜泵的工作环境特殊，由于它或由它引起的故障将对生产带来很大的影响，电潜泵在使用和维护的过程中，主要存在以下问题：耗能较大：电潜泵的功率一般在100KW左右。自身造价高：一套电泵机组至少十几万元。故障后的作业费用高：电泵出故障后，维修费用可高达十几万元。造成电潜泵故障的原因有多种，其中电潜泵的电机轴、泵轴、供电电缆这三项的损坏事故，可占电潜泵机组故障总数的50％，这些损坏除了制造使用的原因外，还与电潜泵的结构特点和启动条件有关，而频繁工频启动电潜泵是故障频繁发生的主要原因，电潜泵在工频启动时，具有以下缺点：

1、启动电流大：瞬时启动电流约为额定工作电流的5～7倍，对电缆和电动机的冲击较大。如果电缆、电动机使用年限较长，或本身存在质量缺陷，绝缘较差，就很容易发生电缆击穿或电动机烧毁。

2、电机电缆压降大：启动时电机电缆的反压较高，使绝缘性能降低，每次开机都会使电泵机组寿命大打折扣。

3、机械冲击大：工频启动时，启动钮矩瞬间加到电潜泵轴上，对电潜泵的机械冲击大，影响了电潜泵的使用寿命。

三、发明内容：本发明的目的在于提供一种能够延长潜油电泵的维修周期，延长电泵油井的开采寿命，提高单井产量，降低单井生产成本的潜油电泵启动装置。

潜油电泵启动装置包括磁控软启动装置，通过串连在电机供电回路的一个电抗值可平滑调节的三相电抗器实现无级调压启动，磁控软启动包括磁饱和铁芯电抗，磁饱和电抗器包括具有串在三相电动机定子进线侧的交流绕组，还包括有控制铁芯饱和程度的直流绕组，交流绕组每相采用了2个交流绕组，它们在直流绕组上的感应电势是反极性的，磁控软启动装置为电流反馈闭环控制，来实现恒流软启动、带有限初始脉冲电流冲击的软启动、斜坡电压启动，也可以实现软停止，磁饱和电抗器冷却方式为空气自然冷却。由PLC控制磁控软启动。还包括磁控电抗器调节器，其包括直流控制线圈、智能可控整流模块、模块保护电路，直流控制线圈负责给磁控电抗器加直流励磁使其逐渐饱和，降低磁控电抗器的电压；智能可控整流模块由控制中心控制其输出直流电压，从而改变直流线圈的励磁电流，达到控制电抗器饱和。控制中心采用工业PLC控制。

采用上述结构以后，磁控软启动装置通过串连在电机供电回路的一个电抗值可平滑调节的三相电抗器实现无级调压启动。电抗值的调节是平滑的，通过控制中心按反馈原理实现。磁控软启动用磁饱和铁芯电抗取代固定铁芯电抗，与固定铁芯电抗软启动不同，磁饱和电抗器除了具有串在三相电动机定子进线侧的交流绕组(工作绕组)以外，还有控制铁芯饱和程度的直流绕组(励磁绕组或控制绕组)，为了抵消交流绕组对于直流绕组的反作用，减少交流绕组电流在直流绕组上的感应电势，每相采用了2个交流绕组，它们在直流绕组上的感应电势却是反极性的。在启动过程中不断增加铁芯饱和度，减少交流线圈电感值，在电机的速度接近额定值时电抗的端电压小，被短接时不会有明显的二次冲击电流。磁控软启动装置采用电流反馈闭环控制，可实现恒流软启动、带有限初始脉冲电流冲击的软启动、斜坡电压启动，也可以实现软停止。因为磁饱和电抗器在软启动过程结束后即被旁路，其冷却方式为空气自然冷却。本启动控制装置采用斜坡电压启动，加到电机上的电压由小到大斜坡线性上升，它是将传统的降压启动从有级变成了无级，降低电机启动时对电泵轴的机械冲击和对电网的冲击，尤其适合电潜泵的启动。磁控软启动装置的控制中心采用工业PLC，具有可靠性高、抗干扰、在线调试、功能齐全、维护简单等优点。

四、附图说明：附图为本发明独立结构磁控饱和电抗器示意图。

五、具体实施例：潜油电泵启动装置包括磁控软启动装置，通过串连在电机供电回路的一个电抗值可平滑调节的三相电抗器实现无级调压启动，磁控软启动包括磁饱和铁芯电抗，磁饱和电抗器包括具有串在三相电动机定子进线侧的交流绕组，还包括有控制铁芯饱和程度的直流绕组，交流绕组每相采用了2个交流绕组，它们在直流绕组上的感应电势是反极性的，磁控软启动装置为电流反馈闭环控制，来实现恒流软启动、带有限初始脉冲电流冲击的软启动、斜坡电压启动，也可以实现软停止，磁饱和电抗器冷却方式为空气自然冷却。由PLC控制磁控软启动。还包括磁控电抗器调节器，其包括直流控制线圈、智能可控整流模块、模块保护电路，直流控制线圈负责给磁控电抗器加直流励磁使其逐渐饱和，降低磁控电抗器的电压；智能可控整流模块由控制中心控制其输出直流电压，从而改变直流线圈的励磁电流，达到控制电抗器饱和。控制中心采用工业PLC控制。

本装置通过串连在电机供电回路的一个电抗值可平滑调节的三相电抗器实现无级调压启动。电抗值的调节是平滑的，通过控制中心按反馈原理实现。磁控软启动用磁饱和铁芯电抗取代固定铁芯电抗，与固定铁芯电抗软启动不同，磁饱和电抗器除了具有串在三相电动机定子进线侧的交流绕组(工作绕组)以外，还有控制铁芯饱和程度的直流绕组(励磁绕组或控制绕组)，为了抵消交流绕组对于直流绕组的反作用，减少交流绕组电流在直流绕组上的感应电势，每相采用了2个交流绕组，它们在直流绕组上的感应电势却是反极性的。在启动过程中不断增加铁芯饱和度，减少交流线圈电感值，在电机的速度接近额定值时电抗的端电压小，被短接时不会有明显的二次冲击电流。磁控软启动装置采用电流反馈闭环控制，可实现恒流软启动、带有限初始脉冲电流冲击的软启动、斜坡电压启动，也可以实现软停止。因为磁饱和电抗器在软启动过程结束后即被旁路，其冷却方式为空气自然冷却。

如图所示：1、2-A相铁心 3、4-B相铁心 5、6-C相铁心 7、8-A相交流绕组 10、11-B相交流绕组 13、14-C相交流绕组9-A相直流绕组 12-B相直流绕组 15-C相直流绕组

本装置的硬件主要由以下几部分组成：

1、磁控电抗器

磁控电抗器是由特殊工艺结构设计的新型电抗器，具有可调范围大、体积小、噪音低、功率损耗小等优点。针对不同功率、不同电压等级、不同启动要求的各类负载，磁控电抗器的设计计算又很大差别，由于铁芯材料磁导率的非线性，在设计磁控电抗器时，除了先根据理论公式初步确定铁芯、交流绕组、直流控制绕组基本参数外，需要做大量的模拟实验，通过实验数据的总结、比对、调整、分析，得到与控制要求相吻合的设计参数。

启动时，磁控电抗器产生符合设计要求的电压降，使加到潜油电机的电压较低，启动电流在电机额定电流以下，随着控制电路的调节，使磁控电抗器上的压降逐渐减小，电机电压无级上升，电机转速缓慢上升，直至电机接近全压，启动过程结束。

2、磁控电抗器调节器

该部分主要由直流控制线圈、智能可控整流模块、模块保护电路等组成。直流控制线圈负责给磁控电抗器加直流励磁使其逐渐饱和，降低磁控电抗器的电压；智能可控整流模块由控制中心控制其输出直流电压，从而改变直流线圈的励磁电流，达到控制电抗器饱和的目的；在启动过程中，直流线圈的感应电压有时会很高，通过线路的连接传到智能模块，严重时会击穿模块，模块保护电路能有效抑制过电压产生或给过电压提供放电回路，起到保护智能模块的作用。

3、控制中心

控制中心采用工业PLC控制，作为成熟的工业控制器，PLC具有运算速度快，控制精度高，抗干扰能力强，可靠性高等优点。

控制中心具有以下作用：

(1)智能模块控制：根据反馈电流的大小，自动设置输出时间、输出电压上升率等。

(2)接受主电路的电流反馈信号，以此作为控制电压输出的判断依据，实时调节输出电压，达到顺利启动的目的。

(3)启动过程监控：能监视启动过程中的各种异常变化，并根据出现启动异常的器件、接点、电机电流值、输出电压等的不同，做相应的处理。

(4)具有过载、过流、断相、接触器故障、扩展模块故障保护等功能。

(5)具有启动电流设定、启动时间设定、运行电流监控、保护延时时间调整等。

(6)具有软停机功能：可避免电潜泵因直接停机造成的机械冲击。

主程序模块主要有以下控制处理模块组成：初始化模块、控制器状态监控模块、PID控制模块、故障处理模块、电机电流处理模块、参数设置模块、输出模块等。控制器的软件主要完成反馈电流的采集处理、电流的计算、过载的判断、缺相处理、扩展模块检测、启动时间、启动电流的设定接受、监视量的显示、启动失败报警等功能。

Claims

1、一种潜油电泵启动装置，由磁控电抗器、控制中心组成，其特征在于：磁控电抗器串联在电源和潜油电机之间，每个电抗器包括两个口型铁心和三个绕组，两个是交流绕组，一个是直流绕组；控制中心控制磁控电抗器的接通和断开及饱和程度。

2、根据权利要求1所述的潜油电泵启动装置，其特征在于：控制中心通过智能可控整流模块输出直流电压，调节直流绕组的电流大小，控制铁心的饱和程度，改变交流绕组的电抗值实现调压启动。

3、根据权利要求1所述的潜油电泵启动装置，其特征在于：交流绕组每相采用了2个交流绕组串联。

4、根据权利要求1所述的潜油电泵启动装置，其特征在于：控制中心采用工业PLC控制。