RU2584817C1

RU2584817C1 - Method of controlling start-up of asynchronous electric motor of submersible pump

Info

Publication number: RU2584817C1
Application number: RU2015102958/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Петрович Чернов
Original assignee: Николай Петрович Чернов
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-05-20

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, specifically to controlling start of asynchronous electric motor. Method of controlling start-up of asynchronous electric motor of submersible pump consists in feeding commands for switching on power units of module of two phases in amplitude linear voltage, then command is sent to inclusion of a third unit of power module in amplitude of phase voltage and vacuum switching-on high-voltage shunt contactor. For such control method there are no free current components in stator windings and are present in stator windings of electric motor only forced current components. Use of disclosed method enables to eliminate effect of higher harmonic current components associated with them brake moments and electrical losses in electric motor, and in network.

EFFECT: high energy efficiency and reliability of controlling start and wedging of rotor of asynchronous electric motor of submersible pump.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к управлению асинхронными электродвигателями погружных насосов для нефтедобычи.The invention relates to the control of asynchronous electric motors of submersible pumps for oil production.

В настоящее время широко применяется способ управления частотой вращения ротором трехфазных асинхронных электродвигателей погружных насосов с использованием низковольтных частотных преобразователей, которые через повышающий трансформатор управляют частотой вращения ротора электродвигателя (Станции управления Электон-05 ПЧ-ТТПТ-ХХ-380-50-1УХЛ1, Руководство по эксплуатации ЦТКД 065 РЭ, Версия 9.16, ЗАТО г. Радужный, Владимирской области. 2007).Currently, the method of controlling the rotational speed of three-phase asynchronous electric motors of submersible pumps using low-voltage frequency converters that control the rotational speed of the electric motor rotor through a step-up transformer is widely used (Electron-05 Control Station ПЧ-ТТПТ-ХХ-380-50-1УХЛ1, Manual operation of the central heating system 065 RE, Version 9.16, closed city of Raduzhny, Vladimir Region. 2007).

Недостатком вышеописанного способа является невозможность управления электродвигателем при отказе частотного преобразователя и невозможность запуска электродвигателя с использованием частотного преобразователя при заклинивании ротора электродвигателя. Известно, что одними из основных причин отказов (67%) погружных насосов на месторождениях Западной Сибири являются солеотложение и засорение рабочих органов механическими примесями. При этом происходит увеличение момента нагрузки на валу погружного насоса вплоть до его полного заклинивания. В технологических регламентах нефтяных компаний предусматриваются не более трех расклинивающих пусков (Ведерников В.А., Лысова О.А., Лопатин P.P. «Исследование и анализ процесса «расклинивания» погружных насосов установок добычи нефти» Вестник кибернетики, 2010). В случае неразворота вала погружных насосов выполняются дорогостоящие спускоподъемные операции по замене погружного оборудования.The disadvantage of the above method is the inability to control the motor in the event of a failure of the frequency converter and the inability to start the motor using the frequency converter when the motor rotor is jammed. It is known that one of the main causes of failure (67%) of submersible pumps in the fields of Western Siberia is the scaling and clogging of the working bodies with mechanical impurities. In this case, an increase in the load moment on the shaft of the submersible pump occurs until it is completely jammed. The technological regulations of oil companies provide for no more than three proppant launches (Vedernikov V.A., Lysova O.A., Lopatin P.P. “Research and analysis of the process of“ wedging ”submersible pumps of oil production units, Vestnik kibernetiki, 2010). In the event that the shaft of the submersible pumps is not rotated, expensive tripping operations are carried out to replace the submersible equipment.

Устранению вышеуказанных недостатков предназначен способ управления трехфазным асинхронным электродвигателем погружного насоса, взятый за аналог и приведенный в патенте РФ №2308144 «Способ управления трехфазным асинхронным электродвигателем погружного насоса и система управления электродвигателем погружных насосов». В нормальном режиме работы система управления электродвигателем погружного насоса обеспечивает управление электродвигателем с использованием частотного преобразователя. При возникновении аварийного режима, например при отказе частотного преобразователя или заклинивании ротора электродвигателя, при помощи переключателя режима управления задают режим прямого пуска от электрической сети. В этом режиме передача электроэнергии на электродвигатель происходит, минуя частотный преобразователь (трехфазная электрическая сеть, повышающий трансформатор напряжения, трехфазный асинхронный электродвигатель). При таком способе управления пуском возникающие в статорной цепи свободные составляющие тока приводят к возникновению значительных более чем 10-кратных бросков тока, знакопеременным ударным моментам, которые не способствуют расклиниванию ротора, но могут привести к выходу из строя электродвигателя и тем самым снижению надежности погружных насосов. Применение повышающего трансформатора, выходного синусоидального фильтра приводит к увеличенным массогабаритным показателям и снижению КПД всей системы управления более 8% (Павленко В., Климов В., Климов И. «Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности», Силовая электроника 2010. №3), и тем самым к снижению энергетической эффективности. Для улучшения переходных процессов и уменьшения потерь электродвигателя рекомендуют (Федотов А.В., Хомченко В.Г., Жильцов В.В., Компанейц А.Н., Скабкин Н.Г. «Моделирование привода погружного насоса интеллектуальной скважины» Омск, Издательство ОмГТУ, 2012) перенос повышающего трансформатора на вход частотного преобразователя. Применение многоуровневых инверторов напряжения, так как в этом случае отпадает необходимость в выходном синусоидальном фильтре, в качестве высоковольтного частотного преобразователя с непосредственным подключением к нему электродвигателя позволяет повысить КПД системы управления. Однако ввиду низкой перегрузочной способности частотных преобразователей не удается решить вопрос расклинивания ротора электродвигателя.The aforementioned drawbacks are addressed by a method for controlling a three-phase asynchronous submersible pump electric motor, taken as an analogue and given in RF patent No. 2308144 "Method for controlling a three-phase asynchronous submersible pump electric motor and a submersible pump electric motor control system". In normal operation, the submersible pump motor control system controls the motor using a frequency converter. In the event of an emergency mode, for example, in the event of a frequency converter failure or jamming of the rotor of the electric motor, the direct start mode from the electric network is set using the control mode switch. In this mode, electric power is transferred to the electric motor bypassing the frequency converter (three-phase electric network, step-up voltage transformer, three-phase asynchronous electric motor). With this method of starting control, the free components of the current arising in the stator circuit lead to the appearance of significant more than 10-fold inrush currents, alternating shock moments that do not contribute to the wedging of the rotor, but can lead to failure of the electric motor and thereby reduce the reliability of submersible pumps. The use of a step-up transformer, an output sinusoidal filter leads to increased overall dimensions and a decrease in the efficiency of the entire control system by more than 8% (Pavlenko V., Klimov V., Klimov I. “Comparative analysis of electromagnetic processes in the structures of electric drives in the oil industry”, Power Electronics 2010. No. 3), and thereby reduce energy efficiency. To improve transient processes and reduce losses of the electric motor, they recommend (Fedotov A.V., Khomchenko V.G., Zhiltsov V.V., Kompaneyts A.N., Skabkin N.G. “Modeling the drive of a submersible pump of an intellectual well” Omsk, Publishing House OmSTU, 2012) transfer of a step-up transformer to the input of a frequency converter. The use of multi-level voltage inverters, since in this case there is no need for an output sinusoidal filter, as a high-voltage frequency converter with a direct connection of an electric motor to it, allows to increase the efficiency of the control system. However, due to the low overload capacity of the frequency converters, it is not possible to solve the problem of wedging of the rotor of the electric motor.

В настоящее время ЗАО «ЧЭАЗ» (http://www.cheaz.ru) поставляет комплектные трансформаторные подстанции серии БМ КТП ПН для погружных насосов, которые предназначены для приема электрической энергии трехфазного напряжения 6 кВ, ее преобразования и питания, управления и защиты погружных электродвигателей мощностью до 500 кВт. БМ КТП ПН состоит в основном из ячейки высоковольтного ввода, трансформатора ТМПНГ-1000/6 и устройства плавного пуска высоковольтных электродвигателей УППВЭ1 ПН. Трехфазные масляные трансформаторы ТМПНГ служат для преобразования электрической энергии сетевого напряжения в необходимое выходное напряжение для электродвигателя погружного насоса путем ступенчатого регулирования, которое через трансформаторы тока ТА1 подается на вход УППВЭ1 ПН, схема которого приведена на фиг. 1.Currently, CHEAZ CJSC (http://www.cheaz.ru) supplies complete transformer substations of the BM KTP PN series for submersible pumps, which are designed to receive electric energy of three-phase voltage of 6 kV, its conversion and power supply, control and protection of submersible pumps electric motors with power up to 500 kW. BM KTP PN consists mainly of a high-voltage input cell, transformer TMPNG-1000/6 and a soft-start device for high-voltage electric motors UPPVE1 PN. Three-phase oil transformers TMPNG are used to convert the electrical energy of the mains voltage to the required output voltage for the submersible pump electric motor by step regulation, which is fed through the current transformers TA1 to the input UPPVE1 PN, the circuit of which is shown in FIG. one.

Устройство плавного пуска погружного насоса УППВЭ1 ПН предназначено для обеспечения плавного, безударного пуска высоковольтного электродвигателя погружного насоса. В шкафу Е1 для УППВЭ1 ПН размещены вводной высоковольтный вакуумный контактор QF1, шунтирующий высоковольтный вакуумный контактор К1, три блока силовых модулей БСМ, состоящих из нескольких последовательно соединенных против параллельно соединенных пар тиристоров, трансформатор напряжения Т1 и контроллер станции управления с встроенным пультом управления. Плавный пуск электродвигателя M1 достигается формированием заданного темпа нарастания напряжения на двигателе от нуля до номинального значения. Регулирование напряжения на двигателе обеспечивается путем фазового управления тиристорами устройства плавного пуска по заданной токовой диаграмме. Пуск электродвигателя до номинальной скорости осуществляется контроллером станции управления. По окончании пуска электродвигателя до номинальной скорости контроллер станции управления выдает команду на включение шунтирующего высоковольтного вакуумного контактора К1 и двигатель M1 напрямую подключается к сетевому трансформатору. Устройства плавного пуска УППВЭ1 ПН позволяют ограничить пусковые токи электродвигателя, существенно снижать ударные механические нагрузки на подшипники электродвигателя и насосные установки. Непосредственное подключение электродвигателя к сетевому трансформатору позволяет значительно повысить КПД системы управления.The soft starter of the submersible pump UPPVE1 PN is designed to provide a smooth, shock-free start of the high-voltage electric motor of the submersible pump. In the E1 cabinet for UPPVE1 PN there is an input high-voltage vacuum contactor QF1, a shunting high-voltage vacuum contactor K1, three blocks of BSM power modules, consisting of several thyristor pairs connected in series against each other, a voltage transformer T1 and a control station controller with an integrated control panel. Soft start of the electric motor M1 is achieved by the formation of a predetermined rate of increase in voltage across the motor from zero to the nominal value. The voltage regulation on the motor is provided by phase control of the thyristors of the soft starter according to a given current diagram. The electric motor is started up to the rated speed by the controller of the control station. At the end of starting the electric motor to the rated speed, the controller of the control station issues a command to turn on the shunting high-voltage vacuum contactor K1 and the motor M1 is directly connected to the mains transformer. Soft starters UPPVE1 PN allow you to limit the starting currents of the electric motor, significantly reduce shock mechanical loads on the bearings of the electric motor and pump units. Direct connection of the electric motor to the mains transformer can significantly increase the efficiency of the control system.

Фазовое управление тиристорами устройства плавного пуска приводит к увеличению высших гармонических составляющих тока, протекающих в статорной обмотке электродвигателя. Высшие гармонические составляющие тока и магнитного потока приводят к появлению вращающих и тормозящих моментов от взаимодействия токов и потоков одного порядка, а также колебательных моментов (Вольдек А.И. Электрические машины, 1978) от взаимодействия между собой гармонических разных порядков. Направления вращения магнитных полей, созданных высшими гармоническими тока, различны, что приводят к уменьшению величины пускового момента и снижению надежности расклинивания ротора электродвигателя, а высшие гармонические составляющие тока ухудшают энергетическую эффективность всей системы во время пуска.Phase control of the thyristors of the soft starter leads to an increase in the higher harmonic components of the current flowing in the stator winding of the electric motor. Higher harmonic components of the current and magnetic flux lead to the appearance of rotational and braking moments from the interaction of currents and flows of the same order, as well as vibrational moments (Voldek A.I. Electric machines, 1978) from the interaction of harmonic different orders. The directions of rotation of the magnetic fields created by the higher harmonic currents are different, which leads to a decrease in the starting torque and a decrease in the reliability of the motor rotor wedging, and higher harmonic components of the current degrade the energy efficiency of the entire system during start-up.

Техническая сущность предлагаемого способа заключается в повышении надежности и энергетической эффективности систем управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса.The technical essence of the proposed method is to increase the reliability and energy efficiency of control systems for starting an asynchronous submersible pump electric motor.

В предлагаемом способе управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса первоначально подают команду на включение блоков силового модуля двух фаз в амплитуде линейного напряжения, после чего подают команду на включение третьего блока силового модуля в амплитуде фазного напряжения и на включение вакуумного высоковольтного шунтирующего контактора.In the proposed method for controlling the start-up of an asynchronous submersible pump electric motor, a command is initially given to turn on the power modules of two phases in the amplitude of the line voltage, after which a command is sent to turn on the third block of the power module in the amplitude of the phase voltage and to turn on the vacuum high-voltage shunt contactor.

Применение такого способа управления пуском асинхронных электродвигателей погружных насосов обеспечивает отсутствие свободных составляющих тока в статорных обмотках электродвигателя и тем самым отсутствие значительных колебаний моментов. Поскольку блоки силового модуля находятся под 5-кратным током не более 50 мс, а остальное время они зашунтированы, то массогабаритные показатели БСМ будут тоже незначительными. При таком способе управления отпадает необходимость в блоке силового модуля в одной фазе, в этом случае стоимость и габариты устройства будут в 1.5 раза дешевле и меньше.The use of this method of controlling the start-up of asynchronous electric motors of submersible pumps ensures the absence of free components of the current in the stator windings of the electric motor and thereby the absence of significant moment fluctuations. Since the power module blocks are under a 5-fold current of no more than 50 ms, and they are shunted for the rest of the time, the overall dimensions of the BSM will also be insignificant. With this control method, there is no need for a power module block in one phase, in this case the cost and dimensions of the device will be 1.5 times cheaper and less.

Отношение пускового момента к номинальному моменту погружных электродвигателей составляет значительную величину. Электродвигатели типа ЭДТ-80-103М1 ОАО «АЛНАС» при 5-кратном токе развивают 3-кратный пусковой момент. Использование предложенного способа управления пуском асинхронных электродвигателей погружных насосов позволяет расклинивать ротор электродвигателя. Трансформатор типа ТМПНГ, входящий в состав БМ КТП ПН, позволяет регулировать выходное напряжение и необходимый пусковой момент электродвигателя погружного насоса.The ratio of starting torque to the rated torque of submersible motors is significant. Electric motors of the type EDT-80-103M1 of OJSC ALNAS at a 5-fold current develop a 3-fold starting torque. Using the proposed method for controlling the starting of asynchronous electric motors of submersible pumps allows the motor rotor to be wedged. The transformer type TMPNG, which is part of BM KTP PN, allows you to adjust the output voltage and the necessary starting torque of the submersible pump motor.

Ограниченный объем пространства внутри обсадных колонн промысловых скважин требует свои отличительные особенности к конструкции погружных электродвигателей, чем по отношению к электродвигателям общепромышленного исполнения. Погружные двигатели имеют «большое» отношение своей длины к диаметру. «Малые» диаметральные габариты приводят к тому, что погружные двигатели имеют относительно меньший объем стали, меньшее количество зубцов статора и ротора. Все это приводит к тому, что погружные электродвигатели имеют более высокий уровень насыщения стали, заметное наличие зубцовых гармоник и трудно поддаются математическому моделированию.The limited amount of space inside the casing strings of production wells requires distinctive features for the design of submersible electric motors than for electric motors of general industrial design. Submersible motors have a “large” ratio of their length to diameter. "Small" diametrical dimensions lead to the fact that submersible motors have a relatively smaller volume of steel, fewer teeth of the stator and rotor. All this leads to the fact that submersible motors have a higher level of steel saturation, the noticeable presence of tooth harmonics and are difficult to mathematically model.

На фигурах 2 и 3 приведены осциллограммы пуска асинхронного электродвигателя общепромышленного исполнения типа 4A160S4Y3, которые получены путем моделирования с учетом активного сопротивления погружного кабеля равной по величине 0,3 Ом. Осциллограммы пуска асинхронного электродвигателя на фиг. 3 получены при увеличении сетевого напряжения на 15% от сетевого напряжения, взятого при моделировании осциллограмм, приведенных на фиг. 2. При увеличении сетевого напряжения на 15% пусковой момент увеличивается в 1.3 раза, время пуска уменьшается в 1.3 раза.Figures 2 and 3 show the oscillograms of starting an asynchronous electric motor of general industrial design type 4A160S4Y3, which are obtained by modeling, taking into account the active resistance of the immersion cable, equal to 0.3 Ohm. Oscillograms of starting an induction motor in FIG. 3 are obtained by increasing the mains voltage by 15% of the mains voltage taken during the simulation of the oscillograms shown in FIG. 2. With an increase in mains voltage by 15%, the starting torque increases by 1.3 times, the starting time decreases by 1.3 times.

Использование предложенного способа позволяет регулировать пусковой момент погружных электродвигателей, при 4.6-кратном токе достигается 3-кратный пусковой момент, что повышает надежность пуска и расклинивания ротора погружного электродвигателя.Using the proposed method allows you to adjust the starting torque of submersible motors, with a 4.6-fold current, a 3-times starting torque is achieved, which increases the reliability of starting and wedging the rotor of a submersible electric motor.

Применение предложенного способа позволяет исключить влияние высших гармонических составляющих тока, связанных с ними тормозных моментов и электрических потерь как в электродвигателе, так и в сети во время пуска, и тем самым повысить энергетическую эффективность системы управления пуском асинхронного электродвигателя погружного насоса.The application of the proposed method eliminates the influence of higher harmonic components of the current, associated braking moments and electrical losses both in the electric motor and in the network during start-up, and thereby increase the energy efficiency of the start-up control system of an asynchronous submersible pump electric motor.

Claims

A method for controlling the start-up of an asynchronous submersible pump electric motor, connected in phase to the phases of a network transformer with an adjustable output voltage through the contacts of the high-voltage vacuum contactor, in parallel with the contact of the vacuum high-voltage shunt contactor with the power module unit, characterized in that they command the inclusion of the two-phase power module blocks in amplitude line voltage, after which they give a command to turn on the third block of the power module in the phase voltage and high-voltage vacuum switch shunt contactor.