Аннотация
Применение частотно-регулируемого асинхронного привода штанговых насосных установок ограничено неустойчивостью его работы в условиях частых возмущений – провалов напряжения в электрических сетях нефтепромыслов, а также в условиях недостаточной уравновешенности станков-качалок. В данной работе рассмотрены вопросы совершенствования преобразователей частоты приводов двумя способами реконструкции звена постоянного тока за счет применения повышающего преобразователя и за счет совместного применения повышающего преобразователя и источника бесперебойного питания с суперконденсатором, используемым в качестве накопителя электроэнергии. Первое решение рассчитано на глубину провалов напряжения до 50%, на долю которых приходится большинство возмущений в электрических сетях нефтепромыслов. Рассмотрена схема управления для данного решения, обозначены особенности при эксплуатации в сетях с напряжением 380 В. Второе решение эффективно и при глубине провала напряжения больше 50%. Приведена формула определения емкости суперконденсатора, а также описана логика переключения системы бесперебойного питания между режимами заряда, разряда и ожидания с указанием уставок. В среде Matlab Simulink выполнено моделирование предлагаемых решений для двух глубин провалов напряжения 20 и 50%. Получены графики переходных процессов основных величин: напряжение, ток, потребляемая мощность и скорость вращения электродвигателя. Анализ результатов подтвердил возможность применения таких систем в условиях возмущений в электрических сетях нефтепромыслов. Отмечено увеличение гармонических искажений напряжения и тока питающей сети при включении в работу повышающего преобразователя в периоды провалов напряжения, что обусловлено принципом работы данной схемы.
Ключевые слова
штанговая насосная установка, частотно-регулируемый привод, преобразователь частоты, звено постоянного тока, импульсный коммутатор, емкостный накопитель энергии, провал напряжения, показатели качества электроэнергии, высшие гармоники, компьютерное моделирование
1. Ершов М.С., Анцифоров В.А. Причины и параметры кратковременных нарушений электроснабжения промышленных объектов // Территория Нефтегаз. 2014. №10. С. 86-91.
2. Voltage sag ride-through for adjustable-speed drives with ac-tive rectifiers / A. Van Zyl, R. Spee, A. Faveluke, S. Bhowmik // IEEE Transactions on Industry Applications. 1998. Vol. 34(6). Pp. 1270-1277. doi: 10.1109/28.739005
3. New hybrid high-power rectifier with reduced THDI and voltage-sag ride-through capability using boost converter / A.V. Costa, D.B. Rodrigues, G. Brito de Lima, L. Carlos de Freitas, E.A.A. Coelho, V.J. Farias // IEEE Transactions on Industry Applications. 2013. Vol. 49(6). Pp. 2421-2436. doi: 10.1109/TIA.2013.2262914
4. Исследование режимов работы частотно-регулируемого электропривода станка-качалки / Р.Ф. Ярыш, А.Р. Гарифуллина, Р.И. Гарифуллин, А.Н. Якунин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. № 11–12(20). С. 56-64. doi: 10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-56-64
5. Ершов М.С., Ефимов Е.С. Устойчивость регулируемого привода штанговой насосной установки в рабочих режимах и при провалах напряжения в сети // Горные науки и технологии. 2024. № 3(9). С. 292-303. doi: 10.17073/2500-0632-2024-01-213
6. Хакимьянов М.И., Хусаинов Ф.Ф., Шафиков И.Н. Проблемы повышения энергетических характеристик электроприводов скважинных штанговых насосов // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 2(35). С. 35-40. doi: 10.18503/2311-8318-2017-2(35)-35-40
7. Tecle S.I., Ziuzev A.M., Kostylev A.V. Improving sucker rod pump efficiency using frequency controlled induction motor // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2022. Vol. 333(11). Pp. 140-148. doi: 10.18799/24131830/2022/11/3955
8. Мещеряков В.Н., Пикалов В.В., Юрченко В.П. Стабилизация напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты, питающего асинхронный двигатель, при просадке напряжения // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 3(60). С. 23-27. doi: 10.18503/2311-8318-2023-3(60)-23-27
9. Swamy M., Balakrishnan A. Three, single-phase power factor correction (PFC) boost converters for use with three-phase, 3-wire variable frequency drive systems // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). IEEE, 2015. Pp. 6993-7000. doi: 10.1109/ECCE.2015.7310639
10. Simple high performance three-phase boost rectifiers / Y. Jiang, H. Mao, F. C. Lee, D. Borojevic // Proceedings of Power Electronics Specialist Conference (PESC'94). IEEE, 1994. Vol. 2. Pp. 1158-1163. doi: 10.1109/PESC.1994.373828
11. Research on a three phase single switch boost PFC converter / B. Xun, J. Li, C. Gong, H. Wang // IEEE 13th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS). IEEE, 2019. Pp. 1-10. doi: 10.1109/PEDS44367.2019.8998774
12. Kolar J. W., Ertl H., Zach F.C. Space vector-based analytical analysis of the input current distortion of a three-phase discontinuous-mode boost rectifier system // IEEE Transactions on Power Electronics. 1995. Vol. 10(6). Pp. 733-745. doi: 10.1109/63.471293
13. Three-phase single-switch DCM boost PFC converter with optimum utilization control of switching cycles / K. Yao, Q. Meng, Y. Bo, W. Hu // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2016. Vol. 63(1). Pp. 60-70. doi: 10.1109/TIE.2015.2472530
14. Vaclav K., Pittermann M., Jiri F. Control algorithms of additional converter for reducing the impact of voltage sags to typical electric drive // ELEKTRO. IEEE, 2014. Pp. 318-323. doi: 10.1109/ELEKTRO.2014.6848910
15. Saichand K., John V. PWM block method for control of ultracapacitor based bidirectional DC/DC backup system // IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). IEEE, 2014. Pp. 1-6. doi: 10.1109/PEDES.2014.7042079
16. Astrom, Johan K., Hagglund T. Advanced PID Control. ISA - The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2005.
17. Higure H., Hoshi N., Haruna J. Inductor current control of three-phase interleaved DC-DC converter using single DC-link current sensor // IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). IEEE, 2012. Pp. 1-5. doi: 10.1109/PEDES.2012.6484495
18. Hahn J., Enjeti P.N., Pitel I.J. A new three-phase power-factor correction (PFC) scheme using two single-phase PFC modules // IEEE Transactions on Industry Applications. 2002. Vol. 38(1). Pp. 123-130. doi: 10.1109/28.980366
19. Hybrid three-phase rectifiers with active power factor correction: a systematic review / J.T. Gonçalves, S. Valtchev, R. Melicio, A. Gonçalves, F. Blaabjerg // Electronics. 2021. Vol. 10(13). 1520. doi: 10.3390/electronics10131520
20. Беленов Д.А., Мещеряков В.Н. Анализ переходных процессов асинхронного частотного электропривода с накопителем энергии в звене постоянного тока // Электротехнические системы и комплексы. 2024. № 1(62). С. 11-18. doi: 10.18503/2311-8318-2024-1(62)-11-18
21. Коваль А.С., Кондратенко А.Г. К вопросу расчета сеперконденсатора накопителя энергии на базе двухуровнего повышающе-понижающего преобразователя DC/DC для привода лифта // Вестник Белорусско-Российского университета. 2020. № 4(69). С. 89-96.
Ефимов Е.С., Ершов М.С. Повышение устойчивости работы частотно-регулируемого асинхронного привода штанговой насосной установки с использованием повышающего преобразователя и накопителя энергии // Электротехнические системы и комплексы. 2025. № 1(66). С. 10-19. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2025-1(66)-10-19