Устройство управления трехфазным реверсивным тиристорным преобразователем для электронагрева нефтескважин
Курсовая работа
Устройство
управления трехфазным реверсивным тиристорным преобразователем для
электронагрева нефтескважин
Техническое задание
Разработка схемы для электронагрева
нефтескважины сводится к выбору схемы тиристорного преобразователя ТП и схемы
силового блока СБ:
на базе реверсивной
трехфазной мостовой схемы выпрямления СБ:
ТП является преобразователем частоты
(ТПЧ), который вырабатывает на выходе напряжение с заданной частотой f ≈ 5 Гц.
Сопротивление электрической цепи
скважины R=0,2 Ом, Zн ≈ R.
на базе реверсивной
трехфазной мостовой схемы выпрямления СБ, но с частотой 50 Гц.
I=500 А
Комплексное сопротивление цепи
нагрузки Zн = 1 Ом
Введение
Парафинизация технологического
оборудования является одной из актуальных проблем нефтегазодобывающего
комплекса. Отложения парафина на поверхности оборудования снижает добычу нефти
и газа, сокращает межремонтный период, увеличивает затраты и повышает
себестоимость добываемой продукции.
Наряду с множеством способов очистки
нефтескважин в последнее десятилетие эффективное развитие получили
электрические методы с использованием силовых источников напряжения и тока. По
принципу действия указанные методы используют электронагрев скважин в зоне
отложения парафина. При этом используется либо способ прямого электронагрева,
когда в скважине из элементов ее трубопровода и погружного контакта создают
электрическую цепь - нагреватель, по которой пропускают ток, либо применяют
способ косвенного подогрева при помощи специального электронагревателя, который
с кабелем опускают на лебедке в зону парафиноотложения с перемещением его в
этой зоне. В отличие от первого во втором случае требуется специальный
электронагреватель и дорогостоящий кабель примерно километровой длины.
Следует отметить, что способ прямого
электронагрева используется также для разжижения нефти. В связи с широким
внедрением силовой полупроводниковой техники, в частности тиристорных
преобразователей, появились большие возможности в регулировании температуры и
автоматизации указанного процесса.
Уровень предлагаемых отечественных
технических решений выше, чем в аналоге «Паратрол» США.
1. Способы и устройства
электронагрева нефтескважин с целью их очистки от парафина
1.1 Методы очистки
нефтескважины от парафина
нефтескважина
электроснабжение парафин очистка
Парафинизация технологического
оборудования является одной из актуальных проблем в нефтедобывающей
промышленности. При эксплуатации нефтескважин отложение парафина в
насосно-компрессорной трубе (НКТ) приводит к уменьшению полезного сечения НКТ,
и, как следствие, к значительному снижению производительности добычи нефти и
увеличению расхода электроэнергии при ее откачке. Решение задачи по
предотвращению формирования и очистки от асфальтосмолопарафиновых отложений
(АСПО) (для упрощения в дальнейшем будем называть парафиновых отложений)
позволит существенно снизить текущие и капитальные затраты в технологии
нефтедобычи [1-6, 13, 14].
Рассмотрим данный вопрос
применительно к региону Татарстана. В АО «Татнефть» различными методами борьбы
с парафином охвачено около 11 тыс. скважин (практически 100% девоновского
фонда). При этом до 40% подземного ремонта скважин (ПРС) выполняется из-за
запарафинивания НКТ. По приближенным оценкам общие затраты, связанные с
запарафиниванием (с учетом недобора нефти) в 1995 г. составили около одного
триллиона рублей.
Сложности борьбы с отложениями АСПО
связаны со слабой изученностью механизма формирования этих отложений, который
до сих пор находится в дискуссионном состоянии. Согласно теории кристаллизации
отложения парафина, асфальтенов и смол происходит на активных центрах
кристаллизации, как внутри объема жидкости, так и на стенках НКТ. Нефть в
процессе подъема по НКТ к устью скважины обволакивает металлическую поверхность
НКТ и штанг и всплывает вверх, касаясь металла. В результате при хорошей
гидрофобности (смачивании) металлической поверхности НКТ на последней
образуются парафинсодержащие фракции. Предотвращение парафинизации НКТ может
быть достигнуто за счет гидрофилизации (несмачиваемости) поверхности НКТ и штанг,
либо путем создания искусственных активных центров внутри объема жидкости.
Кроме предотвращения образования парафина, известно множество методов очистки
НКТ от АСПО. В настоящее время методами борьбы с отложением парафина в мировой
практике являются:
. Промывка скважин
ингибиторами, либо химическими реагентами и горячей водой (гидрохимический
способ).
. Применение скребковых
инструментов (механический способ).
. Применение футерованных НКТ
за счет нанесения на их внутреннюю поверхность гранулированного стекла или
эпоксидной смолы.
. Применение бактерицидной
защиты.
. Применение магнитных
методов защиты (установки «Магнифло»).
. Применение специальных
электронагревателей. Нагреватель опускают в колонну и подают на него
напряжение. Тепловая энергия нагревателя передается разрушаемым гидратам и
застывшим парафиновым отложениям в НКТ и расплавляет их.
. Применение электронагрева
нефтескважины с помощью специальных электроустановок с использованием в
качестве нагревательного элемента составных частей скважины (прямой
электронагрев).
На рис. 1.1 приведена диаграмма,
иллюстрирующая объемы применения основных методов депарафинизации в АО
«Татнефть в 1995 г. Как следует из диаграммы, наиболее распространенным методом
является промывка скважины нефтью, дистиллятом, их смесями.
Недостаток этого метода -
необходимость большой частоты промывок (до 6 и более операций на одной скважине
в год).
Применение магнитных и электрических
методов очистки НТК от парафина наиболее перспективно. Казалось бы, наиболее
экономичным способом должен быть способ магнитной очистки, получивший
наибольшее распространение в Канаде. Однако, испытания установок «Магнифло» в
России показало их недостаточную эффективность, особенно, когда в нефти, кроме
парафина, имеется повышенное содержание окисленных высокооктановых компонентов.
В результате после некоторого времени работы, НКТ засоряются.
Рис. 1.1. Диаграмма объемов
применения методов депарафинизации в АО «Татнефть» в 1995 г.
- промывка скважин, 2 - футерованные
НКТ, 3 - металлические скребки, 4 - ингибиторы, 5 - центраторы - скребки, 6 -
теплофизические методы, 7 - микробиология
Наиболее перспективным способом
очистки нефтескважин от парафина является способ прямого электронагрева,
который кроме основного назначения применяется также для разжижения нефти.
1.2 Способ прямого
электронагрева нефтескважин
Способ прямого электронагрева
заключается в том, что в скважине с использованием НКТ, обсадной колонны и
опускаемого на глубину около 800 м погружного электрического контактного
устройства создают электрическую цепь, через которую пропускают электрический
ток [1-6]. В этом случае за счет выделения мощности в указанной электрической
цепи разогревается НКТ, при этом парафин размягчается и откачивается с нефтью наверх.
Обычно температура нефти на выходе скважины колеблется от +24°С до +37°С и
достаточна для очистки НКТ от АСПО. При этом в зависимости от указанной выше
температуры и глубины скважины ток в электрической цепи составляет 200 ч 500 А.
Для осуществления данного способа, кроме указанного выше, необходимо:
электрическая изоляция НКТ от
обсадной колонны при помощи специальных изоляторов;
электрическая изоляция подземной
части НКТ от наземной части НКТ и станка-качалки при помощи изоляционной муфты,
а также изоляция стальной штанги от электрической цепи.
Напряжение к указанной цепи
подводится обычно от силового трансформатора мощностью не менее 100 кВА через
блок ввода и герметизации по специальному кабелю. На рис. 1.2 показана
функциональная электрическая схема, реализующая способ прямого электронагрева
нефтескважины с использованием однофазного трансформатора на промышленной
частоте 50 Гц.
Учитывая тот факт, что электрическая
цепь «НКТ - погружной контакт - обсадная колонна» представляет собой «RL» - нагрузку с
распределенными параметрами активного сопротивления R и индуктивности L, имеем модуль сопротивления цепи.
Рис. 1.2. Схема установки
электронагрева
, (1.1)
где щ - циклическая частота
тока.
Из (1.1) следует, что с
уменьшением частоты щ снижается 
, что при требуемой
величине тока I = const, обеспечивает
уменьшение напряжения, подводимого к электрической цепи скважины, и снижает
установленную мощность силового трансформатора и установки в целом. Очевидно,
минимальная мощность имеет место при нагреве постоянным током (щ = 0), но в
этом случае в межтрубном пространстве скважины возможен электролиз с
разрушением НКТ и разложением имеющейся там воды на кислород и водород с
возможностью взрыва. Поэтому целесообразно применение электронагрева с частотой
примерно на порядок меньше частоты питающей сети (около 5 Гц) от
преобразователя частоты.
Следует отметить, что
использование однофазного трансформатора с подключением его первичной обмотки
со стороны 380 В к трансформатору, установленному для питания
электрооборудования станка-качалки на скважине, имеет существенный недостаток.
Недостаток заключается в том, что в этом случае возникает искажение (асимметрия)
в системе трехфазного напряжения (смещение нуля) скважинного трансформатора,
приводящее к ухудшению работы двигателей, подключенных к данному
трансформатору. Поэтому целесообразным является подключение трансформатора
установки электронагрева и депарафинизации нефтескважин (УЭНДС) со стороны 6
(10) кВ.
Наиболее оптимальным
вариантом является использование преобразователя частоты в качестве источника
тока с частотой до 5 Гц (см. ниже). При этом УЭНДС может быть передвижной или
стационарной.
Процесс очистки НКТ от
парафина продолжается в течение 3 ч5 суток в месяц в зависимости от режима
работы установки. В процессе очистки добыча (подъем) нефти не останавливается,
установка работает совместно со станком-качалкой.
Внедрение установок
электронагрева нефтескважин обеспечивает:
- увеличение дебита скважины,
отсутствие нарушения
эксплуатационных качеств пласта нефти,
отсутствие загрязнения
окружающей среды,
низкие эксплуатационные
затраты на очистку по сравнению с другими методами,
совместимость с эксплуатационными
режимами и режимом ремонтных работ,
снижение общих расходов по
обслуживанию скважины и возможность очистки скважины одновременно с подъемом
нефти без остановки станка - качалки.
1.3 Установка
электронагрева нефтескважины типа «Паратрол»
Фирмой «Production Texnologies International» (США) была
запатентована новая установка «Паратрол» [1], в которой предложен способ
безопасного подвода электричества в колонну труб таким образом, что сама эта
колонна становится нагревательным элементом. Для защиты человека от
электрического тока все устье скважины заземляется. Эта установка образует из
НКТ, обсадной колонны и погружного контакта нагревательную электрическую цепь.
Электрический ток подводится в трубопровод при помощи трансформатора, имеющего
несколько ступеней (отводов), позволяющих регулировать уровень тока и
температуру нагрева НКТ. Величина температуры должна превышать температуру
помутнения парафина (для нефтедобывающих регионов США около 35°С), что
обеспечивает его расплавление и вымывание вместе с нефтью. Погружной контакт
устанавливается ориентировочно на глубину 0,62 км. Изоляционная муфта
устанавливается под устьем скважины ориентировочно на расстоянии от одного до
нескольких метров от поверхности земли. На каждом звене трубопровода длиной примерно
10 м между изоляционной муфтой и погружным контактом устанавливаются 4
изолятора. Изоляционная насосная штанга выполнена из стекловолокна, чтобы
исключить прохождение электрического тока через полированный металлический шток
к наземному оборудованию. Принцип работы установки описан выше. Установка (рис.
1.3) питается через однофазный трансформатор.
Параметры силовых установок
«Паратрол» самые разнообразные. Так, например, установка «Паратрол»,
поставленная США в НГДУ «Актюбанефть», имеет следующие данные:
мощность 105 кВА;
напряжение 380/360 В, 50 Гц;
максимальный ток 300 А.
Регулирование вторичного напряжения
трансформатора ступенчатое за счет отводов на обмотках трансформатора от 200 до
360 В. При указанных параметрах нагрев нефти на выходе НКТ составляет около 17
ч 28°С в зависимости от режима работы.
Установка «Паратрол» может работать
длительно, либо в циклическом режиме, для чего содержит блок управления.
Циклический режим обеспечивает экономию электроэнергии. Температура нагрева
нефти зависит от типа нефти в регионе добычи и состава АСПО. Американской
фирмой широко рекламируется установка «Паратрол» и универсальность данного
способа очистки нефти от парафина.
1.4 Установки
электронагрева и депарафинизации нефтескважин УЭНДС с автономным управлением
Установки УЭНДС, впервые
разработанные в России, выполнены на основе реверсивного тиристорного
преобразователя (ТП) типа ЭПУ1-2-4827ЕУХЛ4, работающего в режиме источника тока
заданной низкой частоты (около 5 Гц) [2-4].
Установка УЭНДС, приведенная на рис.
1.4, состоит из силового трансформатора Т, тиристорного преобразователя ТП и
генератора частоты Г.
Рис. 1.4. Функциональная
электрическая схема установки УЭНДС
Генератор Г вырабатывает задающий
сигнал частотой f ≈ 5 Гц прямоугольной формы с амплитудой
10 В, который через задатчик ЗТ поступает на вход РТ преобразователя ТП.
Система регулирования замкнута по току ТП через ДТ. В этом случае ТП является
источником заданного значения тока, величина которого практически не зависит от
величины сопротивления (R ≈ 0,2 Ом) электрической цепи
нефтескважины. В случае уменьшения сопротивления в электрической цепи скважины
(вплоть до короткого замыкания) величина тока не изменяется и остается
заданной.
Эта особенность является
существенным преимуществом УЭНДС по сравнению с установкой «Паратрол», если
учесть возможность замыканий в достаточно протяженной (около 1 км)
электрической цепи нефтескважины. Работа ТП с низкой частотой обеспечивает
взрывобезопасность установки (см. п. 1.2) и снижение установленной мощности
трансформатора Т.
Устройство защиты осуществляет
следующие основные виды защит:
от исчезновения фазы
сетевого напряжения;
- от неправильного
чередования фаз;
- от тепловой перегрузки ТП;
- от максимального тока и
короткого замыкания в ТП и цепи нагрузки (скважине);
- от исчезновения
электрической цепи в скважине.
Рис. 1.5. Шкаф УЭНДС
В шкафу УЭНДС встроен ТП и все
вспомогательные блоки и узлы. На дверце шкафа находятся: потенциометр ЗТ,
сигнализация о срабатывании защит, приборы для измерения тока и напряжения в
цепи нагрузки.
Шкаф имеет габариты ШЧВЧГ =
600Ч1600Ч600 мм (рис. 1.5).
При разработке принципиальной схемы
УЭНДС возникает вопрос о выборе оптимальной схемы ТП и схемы силового блока СБ.
Здесь возможны два варианта (рис. 1.6):
- на базе реверсивной трехфазной
мостовой схемы выпрямления СБ (принятый вариант),
- на базе однофазной схемы с
противопараллельным включением тиристоров СБ.
Рис. 1.6. К расчету силовой схемы
УЭНДС
В первом варианте ТП является
преобразователем частоты (ТПЧ), который вырабатывает на выходе знакопеременное
напряжение с заданной частотой f ≈ 5 Гц (рис. 1.6, а и б). Во втором
варианте ТП является регулятором переменного напряжения с частотой сети 50 Гц
(рис. 1.6, в и г). Сравним по установленной мощности оборудования оба варианта.
Вариант 1. ТПЧ каждую
половину периода задающей частоты вырабатывает выпрямленное напряжение 
примерно
постоянной амплитуды (рис. 1.6, б), а ток 
имеет непрерывный характер.
В результате при номинальном напряжении сети имеем [7]:
, (1.2)
где 
,
- вторичное линейное
напряжение Т,
б - угол регулирования
ТП.
Учитывая сопротивление R электрической цепи скважины,
которое по экспериментальным данным равно около 0,2 Ом, найдем:
, (1.3)
, (1.4)
где 
-
ток фазы ТП,
; Zн 
R.
Определим минимальную
установленную мощность трансформатора с учетом (1.4):
, [ВА]. (1.5)
Для предельного случая
нагрузки:
, 
,
=20°эл.
из (1.5) получим:
кВА.
Следует отметить, что
величина мощности получена без учета возможного понижения напряжения сети на
-15% (Кс ≈ 0,85), без учета падения напряжения в
трансформаторе (около 10%, 
) и без запаса на угол
регулирования (следует выбирать 
.). С учетом указанных
факторов для a = 30°эл. определим номинальную мощность трансформатора:
. (1.6)
Тогда из (1.5) и (1.6)
получим: кВА.
кВА.
В этом случае из (1.5) вторичное
линейное напряжение трансформатора равно:
В. (1.7)
Вариант 2. Для данного
случая следует учитывать не только активное сопротивление электрической цепи
скважины, но и индуктивное, которое в отличие от варианта 1 проявляется на
переменном токе с частотой 50 Гц.
В этом случае полное
сопротивление равно:
. (1.8)
Эксперименты в НГДУ
«Актюбанефть» показывают, что полное комплексное сопротивление цепи нагрузки в
этом случае равно:
. (1.9)
Тогда, при условии
равенства тока в нагрузке 
в
обоих случаях, найдем вторичное напряжение трансформатора:
(1.10)
Установленная
минимальная мощность однофазного трансформатора равна:
(1.11)
С учетом коэффициентов 
и
как
это выполнено выше, для б = 0, найдем:
, (1.12)
В. (1.13)
Следует отметить, что
мощность и напряжение однофазного трансформатора в установке «Паратрол» при
принятых нами исходных параметрах тока 500 А и сопротивления 
Ом
также будут соответствовать (1.12), (1.13). Это также следует (с незначительным
отличием) при пересчете исходных данных установки «Паратрол» (п. 1.3). Приводя
мощность 
и
напряжение 
от
тока 300 А к току 500 А имеем:
В,
кВА. (1.14)
Из вышеизложенного
следует, что установленная мощность трансформатора и затраты электроэнергии в
трехфазном варианте с ТПЧ в 2,7 раза (326/120 = 2,7) меньше, чем в однофазном.
Таким образом, в трехфазном варианте сложнее ТП, а в однофазном - в 2,7 раза
больше установленная мощность силового трансформатора и потребление
электроэнергии. Предпочтение отдается трехфазному варианту.
Установка УЭНДС
поставлена на опытную эксплуатацию в АО «Татнефть» в 1994 г. и дала
положительные результаты.
В установку УЭНДС можно
ввести дополнительные узлы и блоки:
узел измерения
температуры нефти на выходе НКТ со специальным, прибором и датчиком
температуры;
регулятор температуры,
позволяющий поддерживать режим нагрева при заданной температуре, например,
+37°С;
защита от
однонаправленного (постоянного) тока в электрической цепи, исключающая
взрывоопасность нефтескважины;
защиты от перемыкания в
цепи скважины из-за неисправности изоляторов, их перекрытия либо по другим
причинам;
цикловое устройство
(ЦУ), обеспечивающее отключение установки после отработки заданного времени
нагрева (цикл до 5 суток). Использование ЦУ снижает затраты электроэнергии на
процесс очистки НКТ от парафина.
На рис. 1.7 приведена
функциональная схема дополненной УЭНДС. Здесь регулятор 
включен
параллельно генератору частоты Г и регулятору тока РТ. При возрастании температуры
выше заданного значения снижается напряжение (сопротивление) на выходе Рt° и сигал на выходе Г уменьшается. В результате снижается задающий
сигнал по току на выходе ЗТ и уменьшается величина тока скважины, что понижает
температуру нагрева нефти до заданного значения. Установка УЭНДС позволяет
также перейти на алгоритм управления только в функции тока. Для этого следует
отключить датчик 
от
регулятора Рt°. На выходе последнего установится наибольшее напряжение (независимо
от положения движка 
),
и регулирование тока следует производить задатчиком ЗТ. Регуляторы РТ и имеют
передаточные функции пропорционально - интегральных звеньев (ПИ-регуляторы), обеспечивающие
минимальные ошибки в системе регулирования. В ряде случаев для упрощения схемы
и повышения устойчивости применяются ПИ-регулятор тока и П-регулятор
температуры. Таким образом, регулятор тока позволяет ограничивать на заданном
уровне величину максимального тока, ограниченную по условиям работы
оборудования (силового трансформатора, муфты с кабелем, погружного контакта и
т.д.). Регулятор температуры по принципу действия обеспечивает в начальной
стадии нагрева максимальную интенсивность повышения температуры с наибольшим
током, а далее по мере установления заданной температуры с наибольшим током, а
далее по мере установления заданной температуры ток нагрева резко снижается
вплоть до нуля и имеет место импульсное возникновение и исчезновение тока для
поддержания заданной температуры. В результате затраты электроэнергии в УЭНДС
по сравнению с УЭНДС, оснащенной только регулятором тока, значительно ниже.
Рис. 1.7. Функциональная схема
установки УЭНДС с параллельным соединением регуляторов тока и температуры
2. Принцип действия и
основные функциональные узлы установки УЭНДС
2.1 Функциональная схема
Установка УЭНДС выполнена на базе
двух типов тиристорных преобразовательных устройств: модификации на
электроприводах серии ЭПУ1 - 2…Е и модификации на электроприводах серии
ЭПУ1М-2…Е (буква «М» относится к модернизированной модификации) [8,9]. Ниже
будут освещены особенности указанных устройств.
Функциональные схемы преобразователя
на базе устройств типа ЭПУ1 - 2…Е и ЭПУ1М-2…Е, работающих в режиме источника
тока на «RL» - нагрузку скважины, приведены на рис. 2.1 и 2.2.
В состав преобразователя входят:
- силовой блок СБ;
- система импульсно-фазового
управления СИФУ;
- датчик тока ДТ;
- выпрямитель В;
- переключатели характеристик
ПХ1, ПХ2;
- нелинейное звено НЗ;
- датчик проводимости ДП;
- блок защит БЗ;
- блок питания БП;
задатчик тока ЗТ.
Система регулирования тока на базе
устройств ЭПУ1-2…Е выполнена с одним регулятором PC, рис. 2.1. В данном
случае на входе регулятора PC суммируются сигналы с задатчика тока и обратной связи по току с
датчика тока ДТ, таким образом здесь регулятор PC работает как регулятор
тока РТ.
Управление тиристорами СБ
производится от трёхканальной системы импульсно-фазового управления СИФУ.
Переключение импульсов управления с комплекта тиристоров «В» («вперед») на
комплект тиристоров «Н» («назад») производится блоком логического устройства
ЛУ, которое работает в функции сигнала заданного направления тока и выходного
сигнала датчика проводимости вентилей ДП. Сигнал заданного направления тока
поступает на вход ЛУ с выхода нелинейного звена НЗ, Звено НЗ работает в режиме
масштабирующего повторителя. Узел ПХ2 осуществляет преобразование
нереверсивного сигнала с выхода датчика тока ДТ в реверсивный сигнал. Для
согласования реверсивного выходного сигнала НЗ с нереверсивной регулировочной
характеристикой управляющего органа УО СИФУ служит переключатель характеристик
ПХ1, управляемый ЛУ.
Блок защит БЗ осуществляет
блокирование системы управления и снятие управляющих импульсов при включении и
срабатывании зашит. При нормальном функционировании преобразователя с БЗ во
внешнюю цепь при помощи «сухого» контакта подается сигнал «ГОТОВНОСТЬ». На вход
БЗ поступают сигналы от соответствующих датчиков (тока, напряжения, температуры
и т.д.), а также внешними контактами сигналы управления «РАБОТА», «СБРОС» и
«АВАРИЯ». Сигнал «РАБОТА» осуществляет подачу задающего сигнала и разблокировку
системы управления. Нажатием на кнопку «АВАРИЯ» осуществляется аварийное
(экстренное) отключение нагрузки преобразователя. Сигнал «СБРОС» осуществляет
обнуление триггеров защиты, а также используется для повторного включения преобразователя
после срабатывания какой-либо зашиты.
2.2
Особенности работы управляемых выпрямителей
Режимы работы трехфазного мостового
управляемого выпрямителя на активную нагрузку при б = 30, 60, 90.
Трехфазная мостовая схема (рис. 2.3,
а) может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных
нулевых схем, питаемых от одной обмотки трансформатора [15]. В этой схеме три
вентиля объединены в катодную группу, а три других - в анодную. При работе
схемы ток всегда проводят два вентиля: один в катодной группе, а другой в
анодной. В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот вентиль,
потенциал анода которого выше потенциала анодов других вентилей в группе, а в
анодной группе - вентиль, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов
других вентилей группы. Коммутация тока с одного вентиля на следующий,
очередной в данной группе, происходит в моменты, соответствующие пересечениям
синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.
Рис. 2.3 Трехфазная мостовая схема
Рис. 2.4 Кривые
выпрямленного напряжения в трехфазной мостовой схеме при работе на активную
нагрузку для 𝛂 = 30, 60, 
эл
На рис. 2.4, а и б
изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые
выпрямленного напряжения схемы для
трех значений угла
управления б при работе схемы на активную нагрузку. Угол управления, как
обычно, отсчитывается от моментов естественного включения вентилей (точки
пересечения синусоид фазных напряжений). Следует отметить, что для работы
мостовой схемы необходимо подавать на вентили управляющие импульсы шириной не
больше 60° эл. или сдвоенные импульсы. Причина такого требования становиться
ясной из рассмотрения принципа работы самой схемы. В случае использования
одиночных импульсов с шириной меньше 60° эл. не обеспечивается пуск
выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два вентиля в анодной и
катодной группах. Кроме того, как видно из рис. 2.4, а, при углах управления
б>60° эл. при активной нагрузке в кривой выпрямленного напряжения и тока
появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей
управляющего импульса на очередной вступающий в работу вентиль подавать повторный
управляющий импульс на соответствующий вентиль в противоположном плече или же
использовать импульсы с длительностью больше 60° эл.
Как видно из рис. 2.4,
а, кривая выпрямленного напряжения и тока в диапазоне изменения угла управления
от 0 до 60° эл. непрерывна. При углах управления б>60° эл. ток id прерывистый. Таким образом, схема
имеет два качественно отличных режима работы.
Для первого режима
(0<б<р/3) среднее выпрямленное напряжение может быть найдено следующим
образом:
(2.8)
Для второго режима
(б>р/3) среднее выпрямленное напряжение равно:
. (2.9)
Как видно из формулы
(2.9), предельным углом регулирования, при котором 
становится
равным нулю, является в этом случае угол бм = 120° эл.
2.3 Система управления
Система управления ТП
конструктивно состоит из четырех блоков: съемных блоков управления N1 и N2 и
стационарных блоков питания БП и датчика проводимости ДП [8, 9]. Блок
управления N1 (панель СИФУ и логики) включает в себя: систему
импульсно-фазового управления (СИФУ) с каналами ФИ1…ФИЗ; логическое устройство
(ЛУ).
СИФУ предназначена для
преобразования постоянного управляющего напряжения в последовательность
управляющих импульсов соответствующей формы, подаваемых на управляющие переходы
тиристоров. Обобщенная функциональная схема СИФУ устройств ЭПУ1-2 (в том числе
модернизированного исполнения) состоит из следующих основных узлов (рис. 2.5):
Рис. 2.5 Функциональная
схема СИФУ
- источника синхронизирующего
напряжения ИСН;
- формирователей импульсов
ФИ1…ФИЗ;
- управляющего органа УО;
- усилителей импульсов УИ;
- вводных устройств ВУ.
- Формирователь ФИ состоит, в
свою очередь, из следующих узлов:
- фильтра Ф и двух пороговых
элементов ПЭ;
- формирователя
синхронизирующих импульсов ФСИ;
- генератора пилообразного
напряжения ГПН;
- нуль - органа НО;
- RS - триггера;
- формирователя длительности
импульсов ФДИ.
Принципиальная
электрическая схема одного канала ФИ СИФУ приведена на рис. 2.6.
Синхронизирующее фазное напряжение 
, поступающее из ИСН,
сдвигается фильтром на угол 30° эл. С выхода фильтра напряжение с помощью
пороговых элементов (V1,
V3 и V2, V4) преобразуется в прямоугольные противофазные импульсы.
Длительность импульсов определяет зону разрешения подачи управляющих импульсов
для двух противофазных тиристоров силового моста (анодной и катодной группы,
одной и той же фазы сети («а» и «х»). При логическом сигнале «0» на выходах
обоих пороговых элементов на выходе ФСИ формируется синхроимпульс (сигнал
логической «1»), который осуществляет разряд нарастать от нуля до 10 В. Момент
превышения напряжения ГПН над уровнем 
поступающим с выхода
УО, фиксирует НО (А1.2), который изменяет свое состояние с «1» на «0» и
происходит переключение RS-триггера,
вызывая появление на выходе ФДИ (V8)
импульса, который совместно с сигналами пороговых элементов формирует
управляющие импульсы на входах усилителей УИ «а» или УИ «х».
Рис. 2.6 Принципиальная
схема канала ФИ СИФУ устройств типа ЭПУ1-2…Е
УИ собраны на
транзисторах V9, VI0, нагрузкой которых являются управляющие переходы
тиристоров. УИ имеют два входа: один для «своего» импульса, другой - для
«чужого», поступающего с другого формирователя импульсов со сдвигом на 60° эл.
(вход «сдвоение импульсов»). Это необходимо для получения сдвоенных импульсов,
обеспечивающих нормальную работу трехфазной мостовой схемы выпрямления.
Длительность импульсов управления около 10° эл. Управляющий орган служит для
согласования выхода канала регулирования с входом СИФУ, а также для установки
углов ,
,
с
помощью переменных резисторов, соответственно R40,
R39, R26. Начальный угол
регулирования ()
устанавливается примерно 120°эл. при нулевых сигналах на входе УО.
Диаграмма работы СИФУ
преобразователя на базе устройств ЭПУ1-2…Е приведена на рис. 2.7, при этом по
вертикальной оси даны диаграммы напряжений на элементах схемы.
Рис. 2.7 Принципиальная
схема канала ФИ СИФУ устройств типа ЭПУ1-2…Е
Особенностью каналов ФИ1…ФИЗ
является применение бесподстроечного фильтра, обеспечивающего сдвиг
синхронизирующего напряжения относительно сетевого на 90° эл. Указанный сдвиг
практически не зависит от разброса параметров фильтра. Однако из-за указанного
сдвига на входы ФИ1…ФИЗ необходимо подавать синхронизирующее напряжение в
последовательности «ВАС» вместо традиционной «ABC». Тогда каналы ФИ1…ФИЗ
на выходе вырабатывают импульсы, поступающие на тиристоры соответственно (A-X), (B-Y) и (C-Z), как это имеет место в
подстроенной СИФУ в ЭПУ1-2…Е.
Формирователь импульсов ФИ состоит
из следующих узлов:
- фильтра Ф(DA1);
- двух пороговых элементов
ПЭ(DA2);
- формирователя
синхронизирующих импульсов ФСИ (DD1);
- генератора пилообразного
напряжения ГПН (VT1, С5, DA3.1);
- нуль - органа НО (DA3.2);
- RS-триггера Т (DD2);
- формирователя длительности
импульсов ФДИ (С6, VT2).
Рассмотрим работу схемы.
Синхронизирующее фазное напряжение, поступающее из ИСН, сдвигается фильтром
(ДА1) на угол 90°эл. (рис. 2.8). С выхода фильтра напряжение с помощью
пороговых элементов DA2 преобразуется в прямоугольные противофазные импульсы.
Рис. 2.8 Диаграмма напряжений
бесподстроечного фильтра СИФУ
Заключение
В данном курсовом
проекте описан принцип действия установки электронагрева и депарафинизации
нефтескважин (УЭНДС). Рассчитана силовая схема, сделан выбор оптимальной схемы
тиристорного преобразователя и схемы силового блока. Описана работа
трехканальной системы импульсно-фазового управления (СИФУ).
Обобщая работу,
можно сделать вывод, что данное устройство, является одним из самых эффективных
для электронагрева и последующей очистки нефтескважин от парафина. Надеюсь, в
будущем, мне удастся изучить эту тему более углубленно.
Список литературы
Автоматизированная
система электронагрева и депарафинизации нефтескважин. - Альметьевск: Изд-во АО
«Татнефть», 1998.
. Чаронов В.Я.,
Музагитов MM., Иванов А.Г., Горчаков В.В., Арзамасов B.JI.,
Михайлов В.В. Проблема
электронагрева нефтескважин при очистке их от отложений парафина. // »
Электротехника», 1995, N12.
. Донской Н.В., Иванов
А.Г., Никитин В.М., Поздеев А.Д. Управляемый выпрямитель в системах
автоматического управления. Под ред. А.Д. Поздеева. «Энергоатомиздат», 1984.
. Чаронов В.Я.,
Музагитов М.М., Иванов А.Г., Горчаков В.В., Гаврилов А.Н., Леонов Ю.К.,
Арзамасов В.Л., Михайлов В.В., Скворцов Ю.Г. Современная технология очистки
нефтескважины от парафина. // » Нефтяное хозяйство», 1998, N4, с. 55 - 57