Значительное расширение задач при бурении нефтегазовых скважин, связанных с видом скважины – наклонно-направленные, горизонтальные и со специфическими условиями бурения, повышают требования к электроприводу. Нерегулируемый электропривод буровых насосов лишь в минимальной степени отвечает современным требованиям технологии бурения и большую часть своей работы эксплуатируется в недогруженном режиме. Регулируемый электропривод позволяет по мере углубления скважины поддерживать давление на выходе бурового насоса постоянным. При выполнении этого условия электродвигатель полнее используется по мощности, что приводит к снижению потерь мощности в электродвигателе и снижению расхода электроэнергии.
Буровые насосы снабжаются сменными поршнями и втулками ряда диаметров. Использование сменных поршней и втулок разных диаметров представляет собой по существу ступенчатое регулирование выходных параметров насоса – подачи и давления. При регулируемом электроприводе для изменения подачи и давления достаточно изменять частоту вращения электродвигателя. Использование регулируемого электропривода позволяет сократить число используемых поршней и втулок, а также оптимизировать их смену, сократить время бурения и время простоя буровой бригады, связанного со сменой поршней и втулок. При этом применение регулируемого электропривода буровых насосов обеспечивает наиболее полное использование мощности насоса, возможность реализации оптимальных режимов бурения, сокращение аварийности, повышение показателей бурения в целом.
Целью работы является обзор эксплуатируемых в ООО «УК «Татбурнефть» систем регулируемых электроприводов буровых насосов и анализ их влияния на электрическую сеть.
В настоящее время применяются следующие основные системы ПЧ на базе автономных инверторов напряжения: ПЧ прямого преобразования, двухтрансформаторные ПЧ и многоуровневые ПЧ. В зависимости от схемы силовой электронной части многоуровневые ПЧ выполняются либо ячейкового типа, либо по мостовой схеме [1, 2, 3].
В ПЧ прямого преобразованиянапряжение питающей сети и номинальное напряжение двигателя соответствуют напряжению преобразователя частоты. Силовые схемы выпрямителя выполняются на базе трехфазных мостов. При питании от высоковольтной электрической сети напряжением 6 или 10 кВкаждое вентильное плечо выпрямителя составлено из несколькихпоследовательно включенных вентилей. Такой высоковольтный ПЧ прямого преобразования имеет сложные схему силовой части и систему управления и контроля целостности силовых полупроводниковых приборов на стороне высокого напряжения. Существенным недостатком высоковольтных ПЧ прямого преобразования является их высокая стоимость [3]. Поэтому в БУ применяют низковольтный ПЧ с установкой понижающего трансформатора на входе. При этом система электропривода содержит трансформатор Т, блок выпрямителей В, блок инверторовИ и электродвигатель М (рисунок 1).
Схема «Выпрямитель-Инвертер» состоит из трансформатора Т, выпрямителя В и инвертера И (рисунок 1). На буровых установках трансформатор понижает напряжение от 6 кВ до 690 В. Выпрямитель в свою очередь состоит из двух трехфазных 6-пульсных неуправляемых выпрямителей, а инвертер – из трех управляемых однофазных инвертеров, питающихся от общих шин постоянного тока. Схема содержит коммутирующие дроссели L на входе выпрямителя и фильтрующие дроссели на выходе инвертеров для подавления высших гармоник.
Входное трехфазное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в блоке выпрямителей B, а затем вновь преобразуется в блоке инверторовИ в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых.осуществляется в инверторах за счет высокочастотного широтно-импульсного управления. Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления СУИ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции. Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируются три однофазных напряжения, которые образуют трехфазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Использование трех однофазных инверторов вместо одного трехфазного позволяет управлять каждым из фазных напряжений на входе электродвигателя раздельно. Нагрузка поршневого насоса в процессе одного цикла перемещения изменяется. При трехфазном инверторе это может привести к изменению величины фазных напряжений и появлению не симметрии напряжений. Раздельное формирование фазных напряжений позволяет симметрировать фазные напряжения, что повышает качество электрической энергии на выходе ПЧ.
На рисунке 2 показаны осциллограммы тока и напряжения, снятые со стороны первичной обмотки трансформатора Т (рисунок 1) при работе бурового насоса с преобразователем частоты по схеме «трансформатор – выпрямитель- инвертор». Из графика видно, что напряжение имеет практически гладкую форму, а ток имеет пульсирующий характер. Искажение формы кривой тока и напряжения связано как с содержанием высших гармоник, так и характером поршневой нагрузки.
Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную составляющую (50Гц) и высшие гармоники (частоты кратные 50Гц). Например, 250 Гц – 5-я гармоника и 350 Гц – 7-я гармоника [4, 5]. Сумма частот, которые могут быть добавлены к основной синусоиде 50 Гц для получения существующей формы тока или напряжения и называется гармониками.
При работе частотно-регулируемого электропривода в электрической сети появляющиеся высшие гармоники, негативно влияют на остальные приемники электроэнергии. В целом это приводит к менее эффективному использованию электроэнергии, уменьшению срока службы оборудования и, как следствие, увеличению издержек производства. Несинусоидальность напряжения и тока обуславливает дополнительные потери и нагрев, а также ускоренное старение изоляции электрооборудования [4].
Параметры промышленной питающей электросети должны соответствовать требованиям ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения» [6]. Среди показателей качества электроэнергии (КЭ) стандартом определены два параметра, характеризующие степень искажения формы синусоиды напряжения в электросети:
– коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения * KU
где U(1) – действующее значение междуфазного (фазного) напряжения 1-ой гармоники (основной частоты); U(2), U(3) … U(40) – действующие значения междуфазного (фазного) напряжения высших гармоник, кратных по частоте основной гармонике (при определении коэффициента искажения синусоидальности KU стандарт предписывает учитывать гармоники только от 2-ой до 40-й и не учитывать гармоники, уровень которых менее 0,1 %);
* Другие названия KU – «коэффициент гармоник», «коэффициент нелинейных искажений». В иностранной литературе он обозначается как THD (TotalHarmonicDistortion – коэффициент суммарных гармонических искажений).
– коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
где n – номер гармонической составляющей, кратной основной частоте, в спектре сетевого напряжения.
Коэффициент искажения синусоидальности KU определяет долю суммарного напряжения высших гармоник в питающем напряжении электросети по отношению к напряжению основной частоты, а коэффициент n-ой гармонической составляющей KU(n) характеризует вклад конкретной гармоники в общие искажения. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения для сетей напряжения 0,38 KВ составляет 8 %, предельно допустимое значение составляет 12 %.
Нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей для каждой гармоники приведено в ГОСТ 13109-97, например, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т. д. Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей для каждой гармоники в 1,5 раза больше нормально допустимого:
KU(n)пред = 1,5 ⧠ KU(n)норм [6].
На рисунке 3 показан спектр гармоник питающего напряжения при работе бурового насоса при системе «трансформатор – выпрямитель – инвертор». Из рисунка видно, что основной вклад в искажение синусоидальности напряжения сети при работе преобразователя частоты в электроприводе бурового насоса вносят 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники (т. е. 250, 350, 550 и 650 Гц соответственно). Тем не менее, все значения гармонических составляющих напряжения находятся в пределах допустимых ГОСТ13109-97 [6].
Если используется высоковольтный электродвигатель, напряжение которого отличается от напряжения ПЧ, то возможно использование двухтрансформаторного ПЧ. При этом система электропривода содержит понижающий трансформатор на входе, низковольтный преобразователь с выпрямителем и инвертором, повышающий трансформатор и электродвигатель. Основными недостатками двухтрансформаторных преобразователей являются низкие по сравнению с другими схемами КПД (93…96%) и надежность. Кроме того, такие преобразователи из-за насыщения сердечника выходного трансформатора имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя
(nном. > n> 0,5nном.) [2]. Такие недостатки отсутствуют у многоуровневых ПЧ.
В зависимости от схемы силовой электронной части многоуровневые ПЧ выполняются либо ячейкового типа, либо по мостовой схеме [2, 3, 7, 8]. Схема высоковольтного преобразователя частоты ячейкового типа с многоуровневой ШИМ показана на рисунке 4. Схема состоит из сухого трансформатора Т, имеющего вторичные обмотки со сдвигом фаз между напряжениями для обеспечения многопульсного преобразования.
Высокое напряжение на выходе преобразователя частоты формируется за счет последовательного включения силовых ячеек Я (рисунок 4).Силовые ячейки подключены последовательно по 5 на каждую фазу. На рисунке 5 представлена векторная диаграмма формирования фазного и линейного напряжения на выходе преобразователя частоты.
На рисунке 6 показаны осциллограммы тока и напряжения в сети, снятые со стороны первичной обмотки трансформатора Т (рисунок 4) при работе бурового насоса с высоковольтным преобразователем частоты. Из графика видно, что напряжение имеет практически гладкую форму. Формы кривой тока более гладкая по сравнению с преобразователем частоты по схеме «Выпрямитель-Инвертор».
На рисунке 7 показан спектр гармоник питающего напряжения на выводах электродвигателя при работе бурового насоса с высоковольтным преобразователем частоты. Из рисунка видно, что при работе высоковольтного преобразователя частоты в сети присутствуют 3-я, 5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 19-я, 23-я, 29-я и 35-я гармоники. Тем не менее, все значения гармонических составляющих напряжения находятся в пределах допустимых ГОСТ13109-97. Так, например, для 5-ой гармоники напряжения нормально допустимое значение 4 %, предельно допустимое 6 %, для 7-ой нормально допустимое 3 %, предельно допустимое 4,5 %.
Схема «Тиристорный преобразователь – Двигатель постоянного тока», нашедшая применение в буровых установках,показана на рисунке 8. Схема состоит из тиристорного преобразователя ТП и двигателя постоянного тока ДПТ. Тиристорным преобразователем осуществляется питание постоянным током обмотки якоря ДПТ и обмотки возбуждения ОВ.
На рисунке 9 показаны осциллограммы тока и напряжения питающей сети, снятые на входе тиристорного преобразователя ТП (рисунок 8) при работе бурового насоса.
На рисунке 10 показан спектр гармоник питающего напряжения при работе бурового насоса с электроприводом постоянного тока. Из рисунка видно, что в сети присутствуют 3-я, 5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я, 23-я, 29-я, 25-я, 29-я, 31-я, 35-я и 37-я гармоники. Тем не менее, все значения гармонических составляющих напряжения находятся в пределах допустимых ГОСТ13109-97.
Типы преобразователей, электродвигателей и буровых насосов из рассмотренных примеров приведены в таблице 1.
Выводы
Наиболее сильное влияние на электрическую сеть оказывает электропривод постоянного тока. В каждой из рассмотренных схем приняты специальные технические решения для снижения влияния электропривода на сеть. Так, в схеме «трансформатор – выпрямитель – инвертор»на входе использованы дроссели, в схеме высоковольтного преобразователя частоты с многоуровневой ШИМ снижение влияния на сеть достигается путем топологии построения схемы, а в схеме «Тиристорный преобразователь – Двигатель постоянного тока» на входе выпрямителя использован реактор. При этом при всех рассмотренных схемах регулируемого электропривода, при использовании их на буровых установках, все значения гармонических составляющих напряжения находятся в пределах допустимых ГОСТ13109-97.
Никулин О.В., Ведущий инженер-энергетик, ООО «УК «Татбурнефть», к.т.н.
Шабанов В.А., профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университет, к.т.н.
Литература
1. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем. – Новости электротехники. – 2005.– №2.– С. 23.
2. Бурдасов Б. К., Нестеров С. А. Многоуровневые и каскадные преобразователи частоты для высоковольтных электроприводов переменного тока. URL: http://fetmag.mrsu.ru/2011-1/pdf/Frequency_Converters.pdf(дата обращения: 21.08.2015).
3. Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Калимгулов А.Р., Хакимьянов М.И., Токмаков Д.А., Шепелин А.В. Эффективность использования безтрансформаторных многоуровневых преобразователей частоты в электроприводе магистральных насосов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2015. №5. С.493-515. URL: http://ogbus.ru/issues/5_2015/ogbus_5_2015_p493-515_ShabanovVA_ru.pd
4. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 160 с.
5. Барутсков И. Б., Вдовенко С. А., Цыганков Е. В. Гармонические искажения при работе преобразователей частоты // Главный энергетик, 06.2011, с. 5-15.
6. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
7. Донской Н., Иванов А., Матисон В., Ушаков И. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника. – 2008.– № 1.– C. 26-32.
8. Иванов А.Г., Ушаков И.И. Бестрансформаторный многоуровневый инвертор для высоковольтного электропривода // Силовая электроника. – 2011.– №4.– C. 36-44.
