УМЕНЬШЕНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ЧАСТОТНОГО ПРИВОДА БУРОВОГО НАСОСА

В промышленности нефти и газа используется огромное число различных механизмов работающих от электрической энергии. Один из распространенных механизмов - это буровой насос, привод которого работает от электрического двигателя [5, с. 142]. Электропривод бурового насоса работает эффективнее всего при использовании частотного регулирования. Однако частотный электропривод внедрен не на всех буровых насосах, работающих в нефтегазовой отрасли. Для дальнейшего увеличения добычи нефти, способствовающего удержанию большой доли рынка, успешного выполнения производственных и экономических задач, неизбежно требуется реконструкция электроприводов и электрооборудования. До сих пор эксплуатируются буровые насосы работающие от нерегулируемого электродвигателя, регулирование таких насосов происходит с за счет использования комплекта сменных поршней разного диаметра. Двигатель в такой буровом насосе, большую часть времени работает ниже своих номинальных значений. На определённых интервалах глубин скважины подача насоса снижена [1, c. 145]. У нерегулируемого электропривода энергетические показатели не имеют высоких значений.

В связи с этим, помимо замены изношенного или морально устаревшего оборудования нефтегазовой промышленности на новое, возможна модернизация уже имеющихся электроприводов. Модернизация может осуществлена доукомплектованием существующих на предприятии электрических машин и систем управления различными регулируемыми преобразователями. Например такими, как тиристорные преобразователи напряжения или частотные преобразователи, а также и другими различными частями регулируемого электрического привода.

При использовании частотного регулирования асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет наиболее высокие энергетические показатели; обеспечивает длительный режим работы; имеет возможность ограничения пусковых токов, имеет широкий диапазон регулирования.

Однако, имея широко известные достоинства, частотный асинхронный электропривод имеет и недостатки. Его основной недостаток заключается в том, что он оказывает негативное влияние на питающую сеть и на двигатель.

Влияние на сеть выражается в искажении синусоиды питающего напряжения, происходит это из-за использования диодного мостового выпрямителя, использующегося для преобразования переменного напряжения в постоянное. Искажение формы питающего напряжения зависит как от мощности электропривода, так и от внутреннего сопротивления сети. На двигатель же искажение формы питающего напряжения выражено в его дополнительном нагреве за счет пульсаций тока статора, которые возникают при работе широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Для выпрямления напряжения используются различные схемы, среди которых наибольшее распространение получила 6-пульсная схема (рис.1).

Рисунок 1. 6-пульсная схема выпрямления

В преобразователях частоты применяются. также схемы, имеющие количество полупериодов больше 6 [2, c. 113]. Плюс этих схем состоит в том, что существенно уменьшается уровень гармонических искажений. Например 12-пульсная схема (рис.2) [2, c. 141]. Однако сложность и дороговизна таких схем ограничивает круг областей, в которых они могли бы использоваться, оставаясь экономически целесообразными.

Рисунок 2. 6-пульсная схема выпрямления

Целью работы является нахождение наиболее эффективного способа уменьшения высших гармоник для улучшения электромагнитной совместимости, в качестве примера был взят буровой насос УНБТ-1180, приводимый в движение двигателем ATB SEVER - 2. SRZKIT 423 Lk-6. Для этого была собрана математическая модель в  приложения Simulink пакета MATLAB (рис.3) [3, c. 248].

Рисунок 3. Математическая модель для частотного электропривода бурового насоса

В библиотека Matlab содержится множество «готовых» механизмов зарубежных производителей с известными параметрами схем замещения, но также параметры можно задавать в вручную. Были рассчитаны параметры всех элементов математической модели. Основные параметры двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры двигателя ATB SEVER - 2. SRZKIT 423 Lk-6

Математическая модель состоит из трехфазного источника питания, трехфазного трансформатора, выпрямителя, звена постоянного тока, инвертора, асинхронного двигателя, осциллограф. За формирования сигналов управления IGBT-транзисторами инвертора напряжения отвечает блок ШИМ генератор из стандартной библиотеки Matlab Simulink. ШИМ генератором управляющий сигнал приходит со скалярной системы автоматического управления.

В качестве показателя, который покажет какой способ снижения сетевых гармоник исследуемого частотного электропривода наиболее эффективен, взят коэффициент гармонических искажений(КГИ). Он служит для количественной оценки нелинейных искажений и измеряется в процентах.

С помощью математической модели, при различной конфигурации, был проведен ряд вычислений. Сравнение со значениями ГОСТ 32144-2013 [4, c. 7] приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Результаты исследования электромагнитной совместимости

Используя 6-ти пульсную схему полученные результаты близки с максимально допустимыми значениями согласно ГОСТ 32144-2013. Использование реакторов дает повышает результат, уменьшая КГИ, но не существенно.

Поочередно установив фильтр сначала 5-й гармоники, а затем 7-й зафиксировано их понижение в 1,25 раза и 1,07 соответственно. Использование комплексного решения с фильтрами 5-й и 7-й гармоники с реактором в цепи постоянного и переменного тока дает значительное улучшение гармонического состава питающей сети.

Наиболее эффективным решением является использование 12-ти пульсной схемы выпрямления с использованием разделительного трансформатора «звезда-треугольник». Снижение КГИ составило 1,9 раза. Между вторичными обмотками трансформатора осуществляется сдвиг фаз на 30 градусов что ведет к подавлению 5 и 7 гармоники.

Список литературы:

1. Балденко Ф.Д. Расчеты бурового оборудования. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. – 428 с.
2. М.В. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский.. Преобразовательная техника: учебное пособие. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 425 с.
3. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. – 368 с.
4. ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
5. Цылев П.Н. Электропривод и электрооборудование технологических объектов нефтегазовой отрасли: учеб. пособие / П.Н. Цылев. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 192 с.