ПОГРУЖНОЕ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области электротехники и внутрискважинному оборудованию, а именно может быть использовано для компенсаций реактивной мощности погружных электродвигателей (ПЭД) установок электроцентробежных насосов (УЭЦН).

В качестве электрического привода к установкам электроцентробежных насосов в основном используются погружные асинхронные трехфазные электродвигатели (АД). Коэффициент мощности установок с погружными электроцентробежными насосами, определяемый в основном cosφ ПЭД, находится в пределах 0,7-0,85 при номинальной нагрузке и может снижаться до 0,6-0,75 при недогрузках. Коэффициент мощности определяется по формуле (1) [1]:

где S - полная мощность, ВА; Р - активная мощность, Вт; Q_L - индуктивная мощность, ВАр; Q_c - емкостная мощность, ВАр.

Из формулы (1) видно, что чем меньше разность Q_L-Q_C, тем больше коэффициент мощности и при Q_L-Q_C=0 cosφ=1.

При работе УЭЦН характер потребляемой мощности активно-индуктивный. Для увеличения коэффициента мощности компенсируют индуктивную составляющую.

В настоящее время для управления УЭЦН все чаще используются системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель, которые генерируют в сеть высшие гармонические составляющие. Вследствие чего форма напряжения и тока искажается.

Высшие гармонические составляющие негативно влияют на работу батарей конденсаторов. Батареи конденсаторы, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка токами высших гармоник, которая проявляется, как правило, при возникновении в сети резонансного режима на частоте одной из гармоник.

Известен внутрискважинный компенсатор реактивной мощности [RU 145053 U1 МПК H02J 3/18, опубл. 10.09.2014], содержащий корпус с расположенными в нем косинусными конденсаторами, при этом указанный корпус выполнен с возможностью соединения с электродвигателем, отличающийся тем, что компенсатор дополнительно содержит установленный в корпусе блок системы управления и шинопроводы, причем входы косинусных конденсаторов соединены с выходами силовых модулей блока системы управления, а выходы косинусных конденсаторов соединены с шинопроводами.

Недостатком данного изобретения является отсутствие входного фильтрующего устройства высших гармонических составляющих. Вследствие чего может возникнуть резонансный режим на частоте одной из гармоник и выход их строя батареи конденсаторов и самого устройства.

Задачей изобретения является создание погружного фильтрокомпенсирующего устройства, при осуществлении которого достигается технический результат, заключающийся в уменьшении негативного влияния высших гармонических составляющих на конденсаторы, тем самым увеличивается срок их службы.

Указанный технический результат достигается тем, что погружное фильтрокомпенсирующее устройство содержит герметичный корпус с расположенными внутри конденсаторами и систему автоматического управления, при этом указанный корпус выполнен с возможностью соединения с электродвигателем, фильтрокомпенсирующее устройство дополнительно содержит установленные в корпусе катушки индуктивности, причем входы катушек индуктивности соединены с шинопроводами, выходы катушек индуктивности соединены с входами модулей тиристорных вентилей, выходы модулей тиристорных вентилей соединены с входами конденсаторов, выходы конденсаторов соединены между собой по схеме звезда, блок системы автоматического управления включает в себя трансформаторы тока, трехфазный трансформатор напряжения и систему автоматического управления.

На фиг. 1 изображено погружное фильтрокомпенсирующее устройство, соединенное с погружным электродвигателем.

На фиг. 2 изображено фильтрокомпенсирующее устройство, разрез по А-А.

На фиг. 3 изображена однолинейная схема блока системы автоматического управления погружного фильтрокомпенсирующего устройства.

Погружное фильтрокомпенсирующее устройство 1 содержит герметичный цилиндрический корпус 2, выполненный из прочного материала, например стали. Корпус 1 жестко присоединен к погружному электродвигателю 3 (фиг. 1), например, при помощи муфты. Питание электрическим током погружного электродвигателя 3 и фильтрокомпенсирующего устройства 1 осуществляется по электрическим кабелям, которые выходят из корпуса 2. Внутри корпуса 2, установлены конденсаторы 4 (фиг. 2, 3), количество которых зависит от параметров фильтрокомпенсирующего устройства 1, например требуемой вырабатываемой реактивной мощности. Для уменьшения влияния высших гармонических составляющих на работу конденсаторов 4 в корпус 2 установлены катушки индуктивности 5 (фиг. 2, 3). Входы катушек индуктивностей 5 соединены с шинопроводами 8, а выходы - с входами модулей 6 тиристорных вентилей (фиг. 3). Выходы модулей 6 тиристорных вентилей соединены с входами конденсаторов 4. Выходы конденсаторов 4 соединены между собой по схеме звезда. Для возможности регулирования вырабатываемой реактивной мощности в корпус 2 установлен блок 7 системы автоматического управления (фиг. 2). Блок 7 системы автоматического управления состоит из трансформаторов тока 8, трехфазного трансформатора напряжения 9 и самой системы автоматического управления 10 (фиг. 3).

Погружное фильтрокомпенсирующее устройство 1 работает следующим образом.

При пуске погружного электродвигателя и дальнейшей его работе происходит потребление им реактивной мощности. Так как характер потребляемой им мощности активно-индуктивный, то для уменьшения токов, протекающих по питающему кабелю, необходимо компенсировать индуктивную составляющую.

На систему автоматического управления 10 подается сигнал с трансформаторов тока 8, трехфазного трансформатора напряжения 9. Затем САУ 10 производит вычисление реактивной мощности. После вычисления реактивной мощности система САУ 10 выдает управляющий сигнал на включение тиристорных вентилей, которые коммутируют необходимое число конденсаторов 4. Таким образом, происходит компенсация реактивной мощности.

Однако при наличии в сети высших гармонических составляющих есть риск выхода из строя конденсаторов 4, так как их сопротивление зависит от частоты подаваемого тока и напряжения и определяется по формуле (2):

где ω - угловая частота, протекающего тока, рад/с; С - емкость конденсатора, Ф.

Из формулы (2) видно, что чем больше частота, тем меньше сопротивление конденсатора. Поэтому при наличии в сети высших гармонических составляющих конденсатор становится хорошим проводником, что может привести к возрастанию тока, вспучиванию и взрыву конденсатора.

Для уменьшения влияния высших гармонических составляющих на работу конденсаторов 4 на входе устанавливаются катушки индуктивности 5. Сопротивление катушек индуктивности определяется по формуле (3):

где L - индуктивность катушки, Гн.

Из формулы (3) видно, что чем больше частота, тем больше сопротивление катушки индуктивности. Поэтому катушки индуктивности 5 для высших гармонических составляющих будут плохим проводником, тем самым уменьшат их влияние на конденсаторы 4.

Список литературы

1. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник. - 10-е изд. - М.: Гардарики, 2000. - 638 с.