Режимы работы установок электропитания центробежных насосов с многоуровневой широтно-импульсной модуляцией

Abstract

Актуальность исследования обуславливается необходимостью улучшения показателей качества выходных напряжения и тока автономных инверторов напряжения в установках электроцентробежных насосов, применяющихся в нефтедобыче. К основным факторам, позволяющим повысить эти показатели качества, можно отнести: использование перспективных топологий силовой части и современных силовых полупроводниковых ключей, внедрение новых алгоритмов управления. В электроприводах, где применяются частотные преобразователи, возникают негативные факторы, влияющие на функционирование нефтепогружного кабеля и погружного асинхронного двигателя. Несинусоидальность напряжений на выходе преобразователя частоты приводит к повышенному износу изоляции питающей кабельной линии, а также негативно влияет на изоляцию обмоток асинхронного двигателя и снижает показатели качества систем управления электроприводом. Следовательно, поиск путей для улучшения качества выходного напряжения и тока автономных инверторов напряжения в установках электроцентробежных насосов является актуальной задачей. Цель: разработка алгоритмов для улучшения показателей надежности работы многоуровневых преобразователей и повышение качества гармонического состава выходного напряжения и тока автономных инверторов напряжения в составе электропривода погружного нефтедобывающего насоса. Объект: автономные инверторы напряжения в составе электропривода погружного нефтедобывающего насоса. Методы и средства: теория надежности, гармонический анализ, функциональные схемы, коммутационные функции, топология электрических цепей силовых преобразователей, численные методы решения дифференциальных уравнений, быстрое преобразование Фурье, Matlab Simulink. Результаты. Продемонстрировано значительное улучшение показателей качества тока и напряжения в многоуровневых преобразователях в составе электропривода погружного нефтедобывающего насоса. Рассмотрены возможные способы повышения показателей надежности путем изменения варианта компоновки топологии схемы, при этом вероятность безотказной работы по сравнению с классической компоновкой повысилась с 23,70 до 66,10 %. Установлено, что регулирование частоты коммутации в зависимости от режимов работы в многоуровневых инверторах позволит рационально управлять динамическими потерями и нагрузками на силовые ключи.

The relevance of the research is caused by the need to improve the quality factors of output voltage and current of voltage inverters in electric submersible pumps, used in oil production. The main aspects, which allow improving these quality factors are: usage of perspective topologies of power part and modern power semiconductor keys, implementation of new control algorithms. In electric drives, where frequency converters are used, there are negative factors, affecting oil-submersible cable and submersible induction motor functioning. Non-sinusoidal voltages at the frequency converter output lead to increased wear and tear of the supply cable insulation, and also negatively affect the insulation of induction motor windings and reduce the quality indicators of electric drive control systems. Consequently, the search for ways to improve the quality of the output voltage and current of the voltage inverters in electric submersible pumps is a critical task. The main aim of the research is to develop the algorithms to improve the reliability indicators of multilevel converters and upgrade the quality of harmonic composition of the output voltage and current of voltage inverters as part of the electric drive of a submersible oilproducing pump. Object: voltage inverters as a part of electric drive of submersible oil producing pump. Methods and tools: reliability theory, harmonic analysis, functional diagrams, switching functions, topology of electric circuits of power converters, numerical methods for solving differential equations, fast Fourier transform, Matlab Simulink. Results. Significant improvement of current and voltage quality factors in multilevel converters as a part of electric drive of submersible oilproducing pump has been demonstrated. Possible ways to improve reliability indicators by changing the layout option of the circuit topology have been considered, with the probability of no-failure operation increasing from 23,70 to 66,10 % as compared to the classical layout. It is established that regulation of switching frequency depending on operating modes in multilevel inverters will allow controlling rationally dynamic losses and loads on power keys.