Автоматическое управление приводом погружного насоса нефтяной скважины в условиях Красноленинского месторождения

Так как величина индуктивного сопротивления  двигателя пропорциональна частоте, то для сохранения тока и других переменных двигателя такими же, как и при номинальной частоте, необходимо одновременно с изменением частоты изменять и напряжение питающей сети. Было установлено, что для регулирования нагрузки с вентиляторной характеристикой оптимальным законом является закон Костенко [7]:

                                             

                                                          (3.4.1)

 

Экспериментально установлены [3] рациональные пределы регулирования частоты погружного насоса: (+10…-20)% (рис.3.4.1).

Рис.3.4.1 Частотное управление насосом

Система управления строится на базе программируемого контроллера, с помощью которого осуществляется:

1)  управление силовой частью преобразователя;

2)  защита и сигнализация электропривода;

3)  контроль состояния и диагностирование неисправностей компонентов электропривода;

3.5 ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Принципиальная возможность регулирования  угловой скорости асинхронного двигателя  изменением частоты вращения вытекает из (3.5.1) [22] :

                                              (3.5.1)

 

Для осуществления частотного регулирования  угловой скорости находят применение статические преобразователи на основе IGBT-транзисторов, на выходе которых по требуемому соотношению меняется как частота, так и амплитуда напряжения. Структурная схема преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией представлена на рис.3.5.1.

 

Рис.3.5.1 Структурная схема преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией

Условные обозначения: В - выпрямитель; ШИМ – широтно-импульсный преобразователь; БУ- блок управления; М- асинхронный короткозамкнутый двигатель.

Преобразователь состоит из двух силовых  элементов - неуправляемого выпрямителя В и широтно-импульсного преобразователя ШИМ. Индуктивно-емкостной фильтр совместно с диодным мостом обеспечивает постоянное напряжение на входе инвертора на транзисторах IGBT. Инверторный мост формирует симметричное, трехфазное напряжение, регулируемое методом широтно-импульной модуляции, подаваемое на двигатель. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит блок управления.

3.6 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ НАСОСА И ЕЕ ОПИСАНИЕ

Система должна удовлетворять требованиям, изложенным в техническом задании. Этим требованиям удовлетворяет  электропривод Триол АТ04, схема  которого приведена на рис.3.6.1  [12].

Рис.3.6.1 Функциональная  схема частотно регулируемого привода Триол

В -  выпрямитель,   ФС – с  иловой  LC-фильтр  звена  постоянного  напряжения,    АИН – транзисторный автономный инвертор напряжения, ДН -  датчик напряжения,  ДТ -  датчик тока, ИП -  источник питания, МК – микропроцессорный контроллер,    ФИ – формирователь управляющих сигналов транзисторов, ПУ -  пульт управления, УВВ – устройство ввода-вывода (внешний интерфейс), Тр- повышающий трансформатор, L- реактор, Ф2В – выходной фильтр.

 

Силовой канал  В-ФС-АИН-L-Тр осуществляет выпрямление, последующее ШИМ - управляемое инвертирование выпрямленное напряжение в переменное регулируемого значения и частоты и его дальнейшее трансформирование до определяемой параметрами приводного электродвигателя величины.

Реактор L совместно с  выходным фильтром служат для ограничения крутизны фронтов выходных импульсов напряжения АИН, исключения эффекта длиной линии (выход инвертора напряжения - двигатель) и связанных с этим перенапряжений на клемниках АД.

Датчики тока ДТ и напряжения ДН в силовом канале ПЧ служат для контроля, регулирования и изменения электрических параметров электропривода, в том числе для токовой защиты и от недопустимых отклонений напряжения.

Многоканальный источник питания  ИП устройств управления, регулирования и защиты электропривода преобразует сетевое переменное напряжение или выходное напряжение звена постоянного тока вы систему напряжений постоянного тока требуемых уровней.

МК осуществляет формирование сигналов управления режимами  работы электропривода  с заданными параметрами, сигналов ШИМ -  управления транзисторами АИН, сигналов защит и аварийного отключения электропривода,  прием и передачу внешних управляющих, задающих и информационных сигналов.

В качестве УВВ (внешнего интерфейса) для приема и передачи сигналов МК имеет набор дискретных и аналоговых входов/выходов, последовательный канал связи, в том числе для связи с дистанционным  пультом управления ДУ.

Формирователи ФИ-драйверы формируют  требуемый уровень управляющих  сигналов силовых IGBT .

Пульты ПУ (встроенный) и ДУ (дистанционный) содержат клавиатуру для управления режимами работы, задания и программирования параметров, а также элементы индикации и сигнализации для отображения значений параметров и диагностирования состояния электропривода.

3.7 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ

По результатам расчета мощности выбираем двигатель ПЭД28-103МЗ (28 кВт, 850 В, 3000 об/мин).

Паспортные данные этого двигателя:

Рн=28 кВт ;  Un=850 B ;  cos _n=0.74 ; h_n=72 % ;  Sn=0.018 ;

f_n=50 Гц ;   Sk=0.125 ;  J=5,2 А/мм²

I_n= = =37 A                        (3.7.1)

 

Рис.2. Г-образная схема размещения АД для номинального режима.

 Параметры  Г – образной схемы  замещения АД для номинального режима в относительных единицах:

 A           (3.7.2)

                                         (3.7.3)

Коэффициент перевода относительных  единиц в физические:

                              (3.7.4)

Взаимная индуктивность статора  и ротора, приведеная cтатору:

                         (3.7.5)

Активное сопротивление фазы обмотки  статора:

R_s = R₁C = 0.032· 13,26 = 0,42Ом                         (3.7.6)

Индуктивность фазы обмотки статора:

                   (3.7.7)

Поправочный коэффициент для параметров Г-образной схемы замещения:    

                                   (3.7.8)

Активное сопротивление ротора, приведенное к статору:

 Ом                         (3.7.9)

Индуктивность фазы обмотки ротора, приведенная к статору:

 Гн               (3.7.10)

Через первичные параметры определяется переходная индуктивность асинхронной  машины.

Переходная индуктивность статора:

Гн                         (3.7.11)

Переходная индуктивность ротора:

Гн                (3.7.12)

Постоянная времени обмотки  ротора:

cек                            (3.7.13)

Постоянная времени обмотки статора:

 сек                               (3.7.14)

Коэффициент магнитной связи статора:

                                   (3.7.15)

Коэффициент магнитной связи ротора:

K_r=                                 (3.7.16)

Расчет механической характеристики двигателя

Номинальное и критическое скольжение:

Sн = 0.018

Sк = 0.125

Число пар полюсов                                                 (3.7.17)

 

Синхронная частота вращения ротора:

ω_c=   рад/с                     (3.7.18)

Кратность пускового и критического моментов:

m_п=M_п/М_н=1.4  m_к=М_к/М_н=2.5

Номинальный момент двигателя:

                          (3.7.19)

Пусковой момент двигателя по справочным данным:

M_п=1.4М_н=1.4· 91=128 Нм

Критический момент:

М_к=2.5 ·91=228 Нм

3.8 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСРЕДСТВОМ ПРОГРАММЫ  MATLAB И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

На основе полученных соотношений  предложена структурная схема рис.3.8.1:

Рис.3.8.1 Схема моделирования привода с частотным управлением (U/f=const).

В качестве задатчика интенсивности  используется апериодическое звено  первого порядка с постоянной времени τ=2 (рис.3.8.2).

 

 

 

 

Рис.3.8.2 Схема задатчика интенсивности

Блок алгоритма управления по закону U/f=const c IR-компенсацией (рис.3.8.3), которая выполнялась на основе начального задания U, формирует и подает на вход ШИМ-инвертора три синусоидальных сигнала с единичной амплитудой.

 

Рис.3.8.3 Блок формирования закона Костенко

ШИМ-инвертор формирует шесть импульсов  управления ключами, реализованными на IGBT – транзисторах с обратными диодами, необходимыми для отведения реактивной энергии в сеть при торможении.

Графики переходных процессов привода  приведены на рис. 3.8.4. Привод разгоняется до номинальной скорости за 2 секунды, через 3 секунды двигатель затормаживается до 200 рад/с, затем на 7-ой секунде производится наброс двукратной нагрузки, при этом ток статора возрастает в 2 раза, затем через 1 секунду сброс нагрузки.

Рис.3.8.4 Переходные процессы системы

3.9 ОПИСАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА SIMATIC S7-200

Модульная структура  контроллера, простота реализации на его основе децентрализованных систем управления, дружественный пользовательский интерфейс и возможность эксплуатации без принудительного охлаждения, превращают SIMATIC S7-200 в привлекательное средство решения самых разных задач автоматизации среднего производственного уровня. Наличие в семействе шести различных по мощности центральных процессорных устройств и широкого спектра специализированных модулей с разнообразными функциональными возможностями позволяют пользователю выбрать именно те компоненты, которые в наибольшей степени удовлетворят требованиям стоящей перед ним задачи управления. Модульная структура контроллеров SIMATIC S7-200 обеспечивает возможность последующего наращивания и модернизации системы управления путем добавления дополнительных модулей.

Схема подключения контроллера Siemens S7-200 к системе приведена на рисунке 3.9.1.

Рис. 3.9.1 Схема подключения контроллера Siemens S7-200

Контроллер имеет 8 дискретных входов, 6 аналоговых входов, 1 дискретный выход  и 1 аналоговый выход.

Защиты, реализуемые контроллером:

1. самозапуск насоса в автоматическом режиме при появлении напряжения после его исчезновения с выдержкой времени 0.5-100 мин.
2. отключение двигателя с выдержкой времени 2с при перегрузке по току более чем на 40%;
3. отключение двигателя с выдержкой времени 20с при перегрузке по току более чем на 15%;
4. отключение двигателя с выдержкой времени 20с при снижении нагрузки по току более чем на 15 % от установившегося рабочего значения;
5. отключение двигателя при снижении изоляции ниже 30 кОм;
6. отключение двигателя максимально защитой и защитами от перегрузки и недогрузки, если срабатывание указанных защит вызвано отклонением напряжения питающей сети за пределы рабочей зоны.
7. невозможность самозапуска двигателя после срабатывания любой защиты, кроме перечисленных в п.п. 6;
8. отключение двигателя при недопустимых снижениях или превышениях давления в нефтепроводе по сигналам контактного манометра.

 

Программа реализации защит на релейно-контакторном языке приведена ниже.

Работа схемы: при нажатии кнопки пуск I0.0 при условии, что I0.2 замкнуто, то есть в сети есть напряжение, происходит запоминание состояния М0.0 из 0 в 1. М0.0 замыкает свой контакт в ветви 3, при появлении напряжения после его исчезновения происходит самозапуск  через 30 секунд (Т37) и подается сигнализация на Q0.0.

При увеличении тока выше 52 А (AIW0) двигатель отключится через 2 с (Т38); при превышении значения тока выше 42 А двигатель отключится через 20 с (Т39); при снижении тока ниже 32 А произойдет отключении двигателя чрез 20 с (Т40), а через 30 с произойдет самозапуск  двигателя.

При уменьшении изоляции ниже 30 кОм - I0.6 и при увеличении температуры выше 120С - I0.7 произойдет отключение двигателя.

При повышении напряжения выше 420В -  I0.4 и повешении тока выше 42А AIW0.0 двигатель отключится через 20с (Т42), и по прошествии 30 секунд (Т43)произойдет самозапуск.

При снижении напряжения  ниже 320 В - I0.4 и снижении тока ниже 32А - AIW0.0 двигатель отключится через 20с (Т44), и по прошествии 30 секунд (Т45)произойдет самозапуск.

При срабатывании защиты от недопустимых давлений срабатывает контакт  I0.3, и двигатель отключается.

4. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОГРУЖНОГО НАСОСА НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ