Рубрики
Составляющие силовой электроники

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии Владимир Павленко Валерий Климов Иван Климов Рассматриваются вопросы электрической

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии Владимир Павленко Валерий Климов Иван Климов

Рассматриваются вопросы электрической сопоставимости станций управления в структурах приводов для нефтедобывающей индустрии с разными исполнительными движками (асинхронным и вентильным) при наличии «длинного кабеля» токоподвода к погружному электродвигателю (ПЭД).

В текущее время в нефтедобывающей индустрии взамен нерегулируемых ПЭД на базе асинхронных движков все более обширное применение находят регулируемые приводы с преобразователями частоты (ПЧ). Посреди обозначенного вида оборудования можно выделить приводы с внедрением асинхронного (АД) и вентильного (ВД) движков.

Применение ПЧ в приводе с асинхронным движком позволяет решить вопрос регулирования частоты вращения насоса, но не может повысить его эффективность по сопоставлению с вентильным движком. Не считая того, существует неувязка электрической сопоставимости станции управления с исполнительным движком при наличии «длинноватого кабеля» токоподвода. Это особо проявляется в системах с высокочастотными IGBT-инверторами с ШИМ-управлением в регулируемом электроприводе с АД. В таких системах вероятны значимые перенапряжения в кабеле, соединяющем обмотки мотора с выходом инвертора, и на входе асинхронного мотора, что понижает надежность привода. Дальше будет рассмотрена природа появления перенапряжений, отрицательные причины воздействия высших гармоник и пути их понижения.

При использовании вентильного мотора обеспечивается более высочайший КПД привода и отличные регулировочные свойства при более низкой частоте коммутации транзисторов инвертора. Ниже дается сравнительный анализ спектрального состава выходного напряжения станций управления с ШИМ-инвертором и коммутатором ВД.

Структурная схема привода и участка энергопитания от ТП

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 1. Структурная схема привода и участка энергопитания от ТП

На рис. 1 приведена структурная схема привода и участок энергопитания от трансформаторной подстанции (ТП) до подключения ко входу станции управления (СУ) привода, на выходе которой установлен повышающий трансформатор напряжения (ТМПН). Структура содержит участок сетевой полосы, на котором происходит утрата мощности ΔРС, и участок кабельной полосы, подключающий ПЭД (вентильный либо асинхронный) к наземной части привода (станции управления и повышающему трансформатору), где также происходит утрата мощности ΔРК.

Анализ имеющихся структур регулируемых приводов погружных насосов

Структура привода с преобразователем частоты и асинхронным движком (ПЧ+АД)

ПЧ позволяет регулировать частоту вращения асинхронного мотора. Преобразователи частоты производятся на базе двухзвенного преобразователя (выпрямитель+инвертор). Выходной каскад станции управления представляет собой трехфазный инвертор, который может быть выполнен на базе алгоритмов двухуровневой ШИМ либо трехуровневой ШИМ с частотой коммутации IGBT-транзисторов fk в спектре 2–10 кГц [1].

Величина напряжения питания инвертора выбирается из соотношения:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где Uдв — действующее значение фазного выходного напряжения основной частоты.

Коэффициент модуляции m определяет наименьшую продолжительность импульса выходного напряжения инвертора и, как следует, позволяет выбирать величину номинального напряжения c учетом времени запирания IGBT (m = 0,8–0,9).

Современные методы управления инвертором позволяют регулировать частоту основной гармоники выходного напряжения и поддерживать нужную величину его действующего значения. Но выходное напряжение ШИМ-инвертора, кроме основной гармоники (U1), содержит широкий диапазон высших гармоник (Un) с частотами, кратными частоте коммутации fk. Действующее значение выходного напряжение инвертора станции управления может быть представлено последующим образом:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 2. Осциллограмма выходного напряжения ШИМ-инвертора

При исследовании высших гармоник питающего напряжения принципиальным вопросом является их воздействие на понижение КПД и коэффициента мощности привода, что приводит к повышению значения полной мощности, потребляемой из сети, и расчетной мощности повышающего трансформатора. На рис. 2 и 3 приведены осциллограммы выходного напряжения и тока трехуровневого инвертора. На рисунках видно, что напряжение ПЧ содержит высочайший состав в значимой мере влияющих на надежность работы привода высших гармоник, оценка которых будет дана ниже. В общем случае полная мощность (S) с учетом высших гармоник определяется 3-мя составляющими:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где P — активная мощность (Вт), Q — реактивная мощность (ВАр), H — мощность преломления (ВА).

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 3. Осциллограмма выходного тока ШИМ-инвертора

Наличие мощности преломления, вызываемой составляющими высших гармоник, разъясняет требование определенного роста полной мощности повышающего трансформатора в приводе с ПЧ. Эффективность привода будет, в главном, определяться КПД асинхронного мотора, значение которого ниже, чем у вентильного мотора.

Структура привода с вентильным движком

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 4. Структура силовой цепи преобразователей частоты для ВД

ВД представляет собой совокупа транзисторного коммутатора (инвертора) и синхронного мотора с неизменными магнитами (СДПМ). Станция управления ВД является системой с двойным преобразованием энергии и содержит 6-пульсный выпрямитель, звено неизменного тока c импульсным регулятором неизменного напряжения и IGBT-коммутатор (рис. 4). Инвертирование неизменного напряжения в переменное осуществляется мостовым трехфазным коммутатором при 120-градусной продолжительности импульса напряжения на каждом полупериоде выходного напряжения с паузами в 60 электронных градусов меж положительными и отрицательными полупериодами выходного напряжения [2]. Система управления производит регулирование величины и частоты выходного напряжения, защиту от токов перегрузки и недлинного замыкания, также от недопустимых отклонений питающей сети. Регулирование частоты вращения и момента вентильного мотора осуществляется методом конфигурации напряжения питания инвертора при помощи регулятора и частоты коммутации силовых транзисторов коммутатора. Бездатчиковая система управления ВД обеспечивается методом измерения напряжения на одной из фаз мотора в моменты, когда в ней не протекает ток. Переключение фаз осуществляется в строго определенные моменты времени, которые соответствуют данному значению противоЭДС на интервале времени, когда ток фазы равен нулю.

Транзисторный ШИМ-регулятор (4 кГц) представляет собой понижающий преобразователь неизменного напряжения. Принципная схема силовой цепи регулятора напряжения (РН) содержит (рис. 4): VT1 — силовой транзистор с ШИМ-управлением на фиксированной частоте 4 кГц; VD1–VD3 — оборотные диоды цепи защиты силового IGBT; С1 — емкость входного фильтра РН; С2 — емкость выходного фильтра РН; L1 — дроссель выходного фильтра РН.

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 5. Осциллограмма выходного напряжения коммутатора ВД

Взаимодействие коммутатора с вентильным движком сначала основано на разработке в обмотках статора нужной формы тока. Все важные свойства мотора определяются величиной и формой тока статора. На рис. 5 и 6 представлены временные диаграммы выходного напряжения и тока коммутатора вентильного мотора. Коммутация фаз мотора вызывает переходные процессы в контурах, образованных секциями обмоток статора, транзисторами и диодиками коммутатора. Питание обмоток статора ВД осуществляется от коммутатора напряжения через повышающий трехфазный трансформатор, выполненный по схеме «звезда–звезда».

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 6. Осциллограмма выходного тока коммутатора ВД

Энергетическая эффективность приводов

Энергетическая эффективность привода определяется сравнением потребляемой установкой с погружным насосом активной электронной мощности при использовании ВД с мощностью, потребляемой установкой с АД в одной и той же скважине при подъеме равного количества воды с схожего динамического уровня при схожем давлении.

Активная мощность, потребляемая приводом (Рпр), определяется выражением:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где Рд — электронная мощность, потребляемая электродвигателем; ΔРк —утраты мощности в кабеле токоподвода; ηсу — КПД станции управления; ηтр — КПД повышающего трансформатора; ήвф — КПД выходного фильтра.

КПД привода без учета утрат в кабеле токоподвода:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где ήдв — КПД электродвигателя.

Оценка энергетической эффективности приводов проводилась на базе экспериментальных исследовательских работ с внедрением спец испытательного щита СИ ЭППУ, разработанного на предприятии ООО «РИТЭК-ИТЦ» (аттестат ВНИИМС №36 от 25.12.2008). Щит содержит нужные измерительные, регистрирующие, нагрузочные средства и предназначен для натурнофизического моделирования работы привода в критериях, приближенных к реальным условиям эксплуатации ПЭД на скважине [3].

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 7. Зависимости КПД приводов от загрузки при разных длинах кабеля токоподвода

На рис. 7 приведены экспериментальные зависимости КПД от коэффициента загрузки приводов при разных длинах кабеля токоподвода [4]. Наличие кабеля приводит к дополнительным потерям мощности и, как следует, к понижению общего КПД приводов. Утраты мощности в кабеле ΔРК зависят от длины и сечения жилы кабеля, от действующего значения фазного тока мотора и температурного режима среды. В табл. 1 сведены экспериментальные значения КПД приводов различных типов и их составляющие: КПД мотора (ДВ), КПД станций управления (СУ), КПД повышающего трансформатора (ПТ) и выходного фильтра (ВФ) при номинальной нагрузке 32 кВт. Приведены значения при конкретном подключении электродвигателя к повышающему трансформатору.

Таблица 1. Значения КПД приводов

Параметр Тип привода ПЭД ПЧ-ПЭД ВД КПД СУ – 0,97 0,97 КПД ПТ 0,97 0,97 0,97 КПД ДВ 0,845 0,81 0,917 КПД ВФ – 0,97 – КПД привода 0,816 0,739 0,86

Как демонстрируют зависимости КПД приводов от нагрузки, при схожих частотах вращения насоса наибольшее значение КПД достигается при использовании вентильного привода.

Относительные утраты активной мощности в сетевой полосы ΔРС при равенстве фактических мощностей, потребляемых насосами при использовании ВД и АД, можно оценить значени- ями обобщенного энергетического показателя.

Обозначим обобщенный показатель энергетической эффективности Кэ:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где Кр вх — коэффициент мощности на входе станции управления; ήпр — КПД привода.

Можно показать, что относительные утраты активной мощности в сетевой полосы при равенстве фактических мощностей, потребляемых приводами с ВД и АД, назад пропорциональны квадрату значений обобщенных энергетических характеристик:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Относительное понижение утрат в сетевой полосы при подмене привода с АД на привод с ВД определяется по формуле:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

При значениях КПД приводов с ВД и ПЧ-ПЭД, приведенных в табл. 1, и равном входном коэффициенте мощности станций управления (0,95) в номинальном режиме работы приводов относительное понижение утрат мощности в сетевой полосы при подмене ПЭД на ВД составит 26%.

Электрическая сопоставимость в системе преобразователь частоты — асинхронный движок с длинноватым кабелем

Неувязка электрической сопоставимости (ЭМС) ШИМ-инвертора станции управления с исполнительным движком электропривода более осязаема при наличии «длинноватого кабеля». Применение транзисторных IGBT-инверторов с частотным ШИМ-управлением в регулируемом электроприводе вызывает значимые перенапряжения в кабеле, соединяющем обмотки мотора с выходом инвертора, и на входе мотора. Выходное напряжение ШИМ-инвертора в преобразователях частоты для асинхронных движков представляет собой высокочастотную последовательность прямоугольных импульсов различной продолжительности и полярности с высочайшей крутизной фронтов (рис. 2). Крутизна фронта tф импульсов напряжения определяется скоростью переключения силовых ключей инвертора и при использовании IGBT-транзисторов может составлять 0,05–0,1 мкс. Высочайшие значения dU/dt при прохождении импульсного сигнала вызывают волновые процессы в кабеле, приводящие к появлению перенапряжений на входе мотора.

Токоподводящий трехфазный кабель в системе электропривода можно рассматривать как однородную длинноватую линию с распределенными параметрами, простый участок которой состоит из активного сопротивления, поочередной индуктивности и параллельной емкости. Волновое сопротивление кабеля Z0 составляет 100–200 Ом.

Входным сопротивлением кабеля Z1 являются выходные сопротивления инвертора и повышающего трансформатора. Значение Z1 на частоте коммутации инвертора оказывается не достаточно по сопоставлению с Z0, в связи с чем можно считать Z1<Выходным сопротивлением кабеля Z2 является относительно огромное для частотного сигнала ШИМ входное сопротивление мотора, определяемое индуктивностью его обмоток Lдв и эквивалентной частотой фронта импульса tф:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Для движков мощностью 30–150 кВт это составляет 1–10 кОм, потому Z2>>Z0.

Таким макаром, при прохождении крутого фронта импульса напряжения вход кабеля (со стороны инвертора) работает в режиме недлинного замыкания, а выход (со стороны мотора) — в режиме холостого хода. Скорость распространения частотной волны (фронта импульса) по кабелю составляет 100–150 м/мкс [7]. Время прохождения импульса от выхода инвертора до мотора определяется длиной кабеля. Если это время больше либо равно времени фронта импульса tф, то из-за несогласованности волнового сопротивления кабеля с нагрузкой в конце кабеля появляется отраженная волна напряжения U2, которая суммируется с падающей (прямой) волной напряжения U1, образуя на входе мотора завышенное напряжение:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где коэффициент отражения

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Зависимость коэффициента отражения от мощности мотора приведена в табл. 2 [7].

Таблица 2. Значения коэффициента отражения

Мощность, кВт n2 19 0,9 37 0,83 75 0,76 150 0,65

Таким макаром, прохождение импульсного сигнала с крутым фронтом вызывает в кабеле волновые процессы, приводящие к перенапряжениям на обмотках мотора. Высочайшие значения импульсного перенапряжения в купе с высочайшей крутизной его фронта могут привести к понижению срока службы изоляции кабеля и обмоток.

Импульс напряжения, распространяющийся по длинноватой полосы и получивший удвоение напряжения, будет приложен к обмоткам мотора. Последние характеризуются паразитными емкостями, которые в значимой мере могут оказывать влияние на рассредотачивание импульса напряжения меж витками обмоток [8]. На рис. 8а представлена эквивалентная схема рассредотачивания паразитных емкостей обмоток мотора. Тут приняты обозначения: Смв — межвитковые паразитные емкости; Смф — межфазные паразитные емкости; Сфк — паразитные емкости фаза–корпус мотора. Эквивалентная схема фазы мотора при синусоидальной форме напряжения (рис. 8б) указывает равномерное рассредотачивание напряжения меж секциями обмотки. Другая картина имеет место при воздействии импульса напряжения. Это видно из эквивалентной емкостной схемы рассредотачивания импульса в фазной обмотке мотора (рис. 8в). Полагая Смв = Смф, можно показать, что напряжение на первых витках обмотки составит 62,5% значения импульса напряжения, приложенного к выводам статора мотора. При Смв<Смф к обмотке первой секции мотора может быть приложено до 70% импульса напряжения питания. Это событие нужно учесть при проектировании мотора, повышая изоляционные характеристики его обмоток.

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 8. Эквивалентные схемы обмоток АД: а) эквивалентная схема рассредотачивания паразитных емкостей обмоток мотора; б) эквивалентная схема фазы мотора при синусоидальной форме напряжения; в) эквивалентная емкостная схема рассредотачивания импульса

Потому что длина токоподводящего кабеля для погружных насосов может достигать 3 км, то нужно предугадывать меры по ограничению перенапряжений в системе питания мотора. Посреди их можно указать:

  • внедрение выходного дросселя инвертора;
  • применение низкочастотного выходного LC-фильтра.

Наличие выходного дросселя инвертора приводит к затягиванию фронта импульса до 4 и поболее микросекунд при относительном значении реактивной составляющей сопротивления дросселя Xs = 3–5%. Это понижает вероятные перенапряжения на обмотках мотора и скорость нарастания пиков перенапряжений. Дроссели подбираются по номинальному току и индуктивности [6]. Выходной дроссель делает дополнительные утраты мощности в приводе, составляющие 2–3% при номинальном режиме, и не позволяет стопроцентно решить делему перенапряжений при значимых длинах кабеля. Не считая того, дополнительная индуктивность на выходе инвертора понижает резонансную частоту длинноватой полосы токоподвода, что наращивает возможность резонансных явлений на высших гармониках.

Внедрение низкочастотного выходного LC-фильтра, получившего заглавие «синусный», позволяет приблизить напряжения на входе повышающего трансформатора к синусоидальной форме. В табл. 3 приведены главные технические свойства фильтра типа CNW 933 [9]. Такие фильтры рекомендуется использовать при частоте коммутации ШИМ-инвертора 4 кГц и поболее. Напряжение недлинного замыкания трехфазного дросселя составляет 8% при номинальном напряжении 400 В. Емкости фильтра включены треугольником.

Таблица 3. Характеристики синусного фильтра

Номинальный ток, А Индуктивность фазы
дросселя, мГн Емкость фильтра, мкФ Утраты при 8 кГц
и длине кабеля 200 м, Вт Масса общая, кг 20 2,9 1,5 75 10,5 30 2,0 2,2 138 16 48 1,2 4,7 170 28 60 0,98 6,8 185 32 75 0,79 6,8 225 37 90 0,68 8,0 320 48 115 0,6 12 380 60

Сравнительный анализ спектрального состава выходных напряжений станций управления с асинхронным и вентильным движками

Выходное напряжение ШИМ-инвертора содержит основную гармонику f1, величина которой пропорциональна избранному коэффициенту модуляции m, и высокочастотные гармоники, сконцентрированные в области кратных целых значений частоты коммутации [10]:

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

где f1 — основная частота (1-ая гармоника); fк — частота коммутации транзисторов инвертора; a = 0, 1, 2 … — кратность группы высокочастотных гармоник; b = 1, 2, 3… — кратность основной частоты в группе высокочастотных гармоник. 1-ая низшая из высших гармонических составляющих, энергию которой нужно учесть при анализе систем, представляет частоту (fк–2f1).

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 9. Амплитудный диапазон выходного напряжения ШИМ-инвертора без кабеля

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 10. Амплитудный диапазон выходного напряжения ШИМ-инвертора с кабелем длиной 1500 м

На рис. 9 и 10 приведены экспериментальные амплитудные диапазоны выходного напряжения ШИМ-инвертора при конкретном подключении АД к станции управления (рис. 9) и наличии кабеля токоподвода длиной 1500 м (рис. 10). Частота коммутации IGBT-инвертора составляла 2,5 кГц при частоте основной гармоники 50 Гц. В табл. 4 представлены частоты групп более значимых высших гармоник в диапазоне выходного напряжения ШИМ-инвертора, приобретенные из анализа амплитудных спектров (рис. 9 и 10).

Таблица 4. Значения частот высших гармоник ШИМ-инвертора

Длина кабеля, м Относительные значения (%) частот групп высших гармоник (кГц) 2,5 5 7,5 10 12,5 15 18,5 15 20 22 10 8 7,5 5 5 1500 20 25 17,5 40 15 5 2,5

Тут необходимо подчеркнуть выраженность резонансного явления при наличии длинноватого кабеля. Значение резонансной частоты кабеля понижается при увеличении его длины. Так, если длина кабеля составляет 100 м, то резонансная частота будет в спектре 0,5–1,5 мГц [6]. При длинах 1–2 км она миниатюризируется и двигается к значениям частот высших гармоник выходного напряжения ШИМ-инвертора. При всем этом происходит резкий рост амплитуд группы гармоник в области, совпадающей с резонансной частотой кабеля. На рис. 10 это явление отмечается на частотах, близких к 10 кГц, где амплитуда высших гармоник напряжения возрастает в 5 раз. Такие резонансные явления еще в основном усугубляют электрическую сопоставимость инвертора с движком и вызывают перенапряжения, превосходящие напряжение питания инвертора в 2–2,5 раза [6].

На рис. 11 приведен амплитудный диапазон выходного напряжения коммутатора станции управления ВД при частоте коммутации 35 Гц, соответственной частоте вращения 8-полюсного мотора 525 об/мин.

Сравнительный анализ электрических процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей индустрии

Рис. 11. Амплитудный диапазон выходного напряжения коммутатора ВД

В табл. 5 представлены частоты более значимых высших гармоник выходного напряжения при частоте коммутации 35 Гц и 200 Гц, соответственной наибольшей частоте вращения ВД 3000 об/мин.

Таблица 5. Значения частот высших гармоник коммутатора ВД

Частота
коммутации
f1, Гц Частоты высших гармоник, Гц f5 f7 f7+f1 f7+2f1 f11–f1 f11 35 175 245 280 315 350 385 200 1000 1400 1600 1800 2000 2200

Энергия высших гармоник находится в спектре частот 175–385 Гц при малой частоте вращения ВД и в спектре 1000–2200 Гц при наибольшей частоте вращения ВД, что находится существенно левее резонансной частоты кабеля и не вызывает усиления какой-нибудь высшей гармоники.

Как видно из сопоставления спектрального состава выходного напряжения, при использовании ШИМ-инвертора в приводе с АД появляются на порядок более высочайшие частоты гармонических составляющих по сопоставлению с коммутатором ВД, вызывающие негативное воздействие на ресурсное состояние обмоток асинхронного мотора и изоляцию кабеля токоподвода.

Выводы

  1. Вентильный привод, владея завышенным КПД по сопоставлению с другими типами приводов, является более действенным при использовании его для регулирования частоты вращения центробежных и винтообразных погружных насосов в нефтедобывающей индустрии.
  2. Спектральный состав выходного напряжения при использовании ШИМ-инвертора имеет на порядок более высочайшие частоты гармонических составляющих по сопоставлению с коммутатором ВД, что вызывает негативное воздействие на ресурсное состояние обмоток асинхронного мотора и изоляцию кабеля токоподвода. Применение ШИМ-инвертора в составе привода с ПЭД просит дополнительного выходного фильтра, снижающего общий КПД системы.