Блок контроля и реле-автомат защиты электродвигателя привода станка-качалки глубинного штангового насоса от короткого замыкания, перегрузок
Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к релейной токовой защите электродвигателей переменного тока привода штанговых насосных установок и может быть использована для контроля тока, напряжения электрической сети и защиты электродвигателя при возникновении аварийных режимов, запуска и остановки электродвигателя по заранее заданному расписанию и накопления информации об аварийных остановках и работе установки в нормальных режимах в течение длительных интервалов времени, а также для контроля разбалансированности станка-качалки штангового насоса. Предлагаемое устройство, как и известные аналоги, содержит датчики тока, установленные в фазах питающей сети электродвигателя, электронный блок, в состав которого входят узел согласования и масштабирования сигналов от датчиков тока и контролируемых входных напряжений, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, который производит необходимые вычисления для сравнения с заданными уставками по току и напряжению и принимает решение о нормальной или аварийной ситуации, группа исполнительных элементов в виде реле или полупроводниковых ключей, обеспечивающих управление контактором в цепи питания установки и дополнительными внешними устройствами, например сигнальными, узел оперативной индикации, интерфейс, энергонезависимые часы, блок энергонезависимой памяти, обеспечивающий под управлением микроконтроллера хранение и запись рабочих уставок и журнала аварийных событий, включающего в себя фиксацию времени аварии, ее типа и измеренные значения напряжений и токов в некоторый интервал времени, предшествовавший аварийной ситуации, выходы датчиков и входы для измеряемых напряжений соединены с входами узла согласования и масштабирования, выходы которого соединены с входами впалого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом микроконтроллера, другие входы которого соединены с выходами интерфейса и блока энергонезависимой памяти, а выходы соединены с входами узла оперативной индикации, блока энергонезависимой памяти, группы исполнительных элементов и интерфейса, в состав микроконтроллера дополнительно введены блок запуска и остановки двигателя по расписанию, хранящемуся в энергонезависимой памяти, либо по восстановлении исчезавшего напряжения сети и блок вычисления разбаланса качалки и блок ведения журнала событий, позволяющий фиксировать в энергонезависимой памяти даты и время событий, не требующих аварийной остановки электродвигателя и поэтому не фиксирующихся в журнале аварий. В частности, к таким событиям могут относиться штатные запуск и остановка электродвигателя по внешней команде или расписанию, кратковременная просадка напряжения, смена уставок оператором и т.п.В составе группы исполнительных элементов выделен ключ, выполненный, например, в виде электромагнитного реле, для выдачи предупредительного сигнала перед включением электродвигателя. Кроме того, дополнительно введены N дискретных входов, соединенных с входами микроконтроллера, где N не менее одного, обеспечивающие возможность ввода в устройство дополнительных сигналов состояния защищаемого двигателя либо связанного с ним оборудования, например, кнопки аварийного отключения и/или сигнала от электроконтактного манометра, позволяющие, в зависимости от программы микроконтроллера, осуществлять отключение, включение или аварийную защиту электродвигателя по наступлению событий, вызывающих эти сигналы с фиксацией даты и времени поступления этих сигналов в журнале аварий в энергонезависимой памяти, либо в журнале событий. В программе микроконтроллера реализована возможность сохранения в энергонезависимой памяти с периодичностью, заданной с помощью соответствующей уставки, значений токов, напряжений, состояния дискретных входов. Сохраненная информация впоследствии может быть передана по внешнему запросу через интерфейс внешнему компьютеру или системе АСУ для последующего анализа работы электродвигателя в течение продолжительного периода 1 н.з.п. и 3 з.п. ф-лы.
Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к релейной защите электродвигателей переменного тока станка-качалки глубинного штангового насоса и может быть использована для контроля напряжения питания электродвигателя, контроля тока и защиты электродвигателя при возникновении аварийных режимов, а также для контроля разбалансировки механизма станка-качалки.
Известно устройство контроля и защиты электроустановки по патенту РФ 
74249. Это устройство содержит датчики тока, установленные в фазах питающей сети электроустановки, электронный контроллер тока, электромагнитный контактор, включенный в питающую сеть электроустановки, устройство пусковой сигнализации, устройство аварийной сигнализации и схемы управления соответствующей сигнализацией. Основным блоком электронного контроллера является микропроцессор. Микропроцессор соединен с датчиками тока, блоком памяти, схемой аварийной сигнализацией, схемой управления пусковой сигнализацией, блоком измерения сопротивления изоляции, схемой дискретного входа, электронным блоком времени и через электронный ключ - с электромагнитным контактором. Управление работой электронного контроллера осуществляется через интерфейс связи с пульта управления диспетчера, выполненного на базе второго микропроцессора либо с помощью персонального компьютера. Информация о режиме работы электроустановки, аварийных отключениях отображается на цифровом дисплее пульта управления диспетчера или на экране удаленного персонального компьютера. Устройство оперативно оповещает о возникших аварийных режимах с помощью сигнализации, сохраняет информацию о времени и дате наступления аварии. При коротком замыкании, холостом ходе (сухом ходе), превышении тока выше номинального, превышении тока выше максимально допустимого, пропадании одной или двух фаз, перекосе фаз по току, при обрыве любой фазы, низком сопротивлении изоляции происходит отключение электроустановки.
Недостатком устройства является невозможность включения и выключения электроустановки по расписанию и отсутствие возможности определения степени разбаланса при использовании с двигателем привода штангового насоса.
Известна станция управления станком-качалкой СУС "Омь-1С" ЗАО "Энергонефтемаш предназначенная для управления приводом станка-качалки при добыче нефти глубинными штанговыми насосами. (http://www.enm.omsk.ru/products/view-product.php?id=21).
СУС "Омь-1С"обеспечивает:
- Защиту электродвигателя от работы с неполнофазным включением;
- Защитное отключение электродвигателя при токовых перегрузках;
- Самозапуск электродвигателя с программируемым временем задержки при восстановлении напряжения сети после перерыва;
- Возможность контроля рабочего тока электродвигателя для облегчения балансировки;
Недостатком устройства является отсутствие дополнительных входов, например от электроконтактного манометра, возможности автоматического включения и выключения двигателя по расписанию и необходимость дополнительных вычислений для определения степени расбаланса станка - качалки по измеренным значениям тока двигателя.
Станок-качалка является составной частью штанговой насосной установки и при помощи длинной колонны штанг соединяется с плунжером насоса.
Мощность, потребляемая электродвигателем при работе установки, зависит от тангенциальной составляющей усилия, действующего в шатуне станка-качалки вследствие нагрузки на голову балансира. Так как нагрузка при возвратно-поступательном движении плунжера периодически изменяется, то и момент двигателя станка-качалки будет периодически меняться. Действительно, в верхней и нижней мертвых точках двигатель работает практически на холостом ходу, а при движении плунжера вверх и вниз нагрузка возрастает. Соответственно ток, потребляемый двигателем, тоже меняется.
Для выравнивания момента нагрузки станок-качалку уравновешивают при помощи противогрузов, размещаемых на кривошипах или на балансире. При этом массу противогрузов и их расположение подбирают так, чтобы обеспечить наиболее равномерное потребление энергии из электросети за цикл работы. При хорошо уравновешенном станке усилия, действующие на балансир при ходе вверх и при ходе вниз, одинаковы. Поэтому в случае уравновешенного станка-качалки как при ходе плунжера вверх, так и при ходе вниз, приводной электродвигатель будет иметь одинаковую нагрузку, и, следовательно, потреблять одинаковый ток.
Известен способ определения уравновешенности станка-качалки (СК) с помощью ампер-клещей [Руководство по эксплуатации скважин штанговыми насосами. Альметьевск:
АО "Татнефть", 1992. - 440 с.], согласно которому определяют максимальные значения тока, при ходе плунжера штанговой установки вверх IВ и вниз IН и по выражению (1) находят коэффициент неуравновешенности станка-качалки:
Станок-качалка считается уравновешенным, если коэффициент разбалансировки не превышает 5%
Недостатком этого способа является значительная инерционность ампер-клещей, что обуславливает погрешность определения параметров уравновешивания и неоднозначность диагноза при сильной разбалансировке СК.
Задача предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей устройства.
Для достижения поставленной цели в устройстве контроля и защиты электродвигателя привода станка-качалки глубинного штангового насоса, содержащем датчики тока, установленные в фазах питающей сети электродвигателя, электронный блок, в состав которого входят узел согласования и масштабирования сигналов от датчиков тока и контролируемых входных напряжений, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, который производит необходимые вычисления для сравнения с заданными уставками по току и напряжению и принимает решение о нормальной или аварийной ситуации, группа исполнительных элементов в виде реле или полупроводниковых ключей, обеспечивающих управление контактором в цепи питания электродвигателя и дополнительными внешними устройствами, например сигнальными, узел оперативной индикации, интерфейс, энергонезависимые часы, блок энергонезависимой памяти, обеспечивающий под управлением микроконтроллера хранение и запись рабочих уставок и журнала аварийных событий, включающего в себя фиксацию времени аварии, ее типа и измеренные значения напряжений и токов в некоторый интервал времени, предшествовавший аварийной ситуации, выходы датчиков и входы для измеряемых напряжений соединены с входами узла согласования и масштабирования, выходы которого соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом микроконтроллера, другие входы которого соединены с выходами интерфейса и блока энергонезависимой памяти, а выходы соединены с входами узла оперативной индикации, блока энергонезависимой памяти, группы исполнительных элементов и интерфейса, в состав микроконтроллера дополнительно введены блок запуска и остановки электродвигателя по расписанию, хранящемуся в энергонезависимой памяти, либо по восстановлению исчезавшего напряжения сети, блок вычисления разбалансировки механизма станка-качалки и блок ведения журнала событий, позволяющий фиксировать в энергонезависимой памяти даты и время событий, не требующих аварийной остановки электродвигателя и поэтому не фиксирующихся в журнале аварий. В частности, к таким событиям могут относиться штатные запуск и остановка электродвигателя по внешней команде или расписанию, кратковременная просадка напряжения, смена уставок оператором и т.п. В составе группы исполнительных элементов выделен ключ, выполненный, например, в виде электромагнитного реле, для выдачи предупредительного сигнала перед включением электродвигателя. Кроме того, дополнительно введены N дискретных входов, соединенных с входами микроконтроллера, где N не менее одного, обеспечивающие возможность ввода в устройство дополнительных сигналов состояния защищаемого электродвигателя либо связанного с ним оборудования, например, кнопки аварийного отключения и/или сигнала от электроконтактного манометра, позволяющие, в зависимости от программы микроконтроллера, осуществлять отключение, включение или аварийную защиту электродвигателя по наступлению событий, вызывающих эти сигналы с фиксацией даты и времени поступления сигналов в журнале аварий в энергонезависимой памяти, либо в журнале событий. В программе микроконтроллера реализована возможность сохранения в энергонезависимой памяти с периодичностью, заданной с помощью соответствующей уставки, значений токов, напряжений, состояния дискретных входов. Сохраненная информация впоследствии может быть передана через интерфейс внешнему компьютеру или системе АСУ для последующего анализа работы электродвигателя в течение продолжительного периода.
Устройство работает следующим образом:
При программировании и перепрограммировании устройства требуемое значение уставки (значения режимных уставок тока, напряжения, временных задержек включения защит, времени и количества повторных пусков, расписание включений и выключений и др.) вводится с помощью персонального компьютера или пульта управления и через интерфейс поступает в микроконтроллер и далее в блок памяти. Фазные напряжения и сигналы от датчиков тока поступают на узел согласования и масштабирования.
При работе микроконтроллер периодически сверяет текущее время и дату с расписанием включений и выключений, находящемся в энергонезависимой памяти и делает вывод о необходимости запуска либо остановки электродвигателя станка-качалки. Перед включением электродвигателя микроконтроллером производится анализ состояния дискретных входов и при отсутствии запрещающих сигналов и не нахождении устройства в состоянии блокировки пуска, например, состоянии аварийной остановки электродвигателя, микроконтроллером через ключ или электромагнитное реле в составе группы исполнительных элементов выдается сигнал, предупреждающий о том, что будет произведено включение электродвигателя. Длительность предупреждающего сигнала задается соответствующей уставкой. По истечению времени предупреждения этот сигнал отключается и через соответствующий исполнительный элемент подается сигнал включения, например, на контактор в цепи питания электродвигателя.
Узел оперативной индикации информирует о режиме работы электродвигателя, например, непрерывным свечением светодиода желтого цвета при нормальной работе.
Микроконтроллер, под управлением заложенной в него программы, сравнивает информацию режимных уставок с выдаваемыми аналого-цифровым преобразователем мгновенными значениями токов и напряжений. В случае аварийной ситуации микроконтроллер, через электронные ключи или электромагнитные реле в группе исполнительных элементов, выдает команды на отключение электромагнитного контактора, на включение аварийной сигнализации (например, в виде мигающей красной лампы, вынесенной на пульт диспетчера) и отображает на узле оперативной индикации сигнал аварии с указанием ее типа. Кроме этого, микроконтроллер обеспечивает прием сигналов с дискретных входов (например, сигнала электроконтактного манометра или термометра, аварийной кнопки, концевого выключателя и т.п.). Отключение электродвигателя и происходит при возникновении следующих аварийных режимов:
- коротком замыкании;
- снижение нагрузки ниже допустимой (холостом ходе электродвигателя);
- перегрузка по току выше заданного;
- пропадание одной или двух фаз питающего напряжения;
- перекос фаз по току;
- снижение уровня напряжения одной из фаз ниже заданного уровня;
- поступление сигнала аварии или отключения от одного из дискретных входов (например, сигнал от электроконтактного манометра);
Микроконтроллер фиксирует информацию об аварийном отключении (дата, время возникновения аварийного события, значения фазных токов и напряжений на момент аварийного отключения и в некоторый период ему предшествующий) и записывает ее в блок памяти, создавая журнал аварий. События, не требующие аварийного отключения электродвигателя, как например, кратковременная просадка напряжения, неаварийный сигнал дискретного входа или вмешательство оператора, изменившего уставки защиты, также фиксируются в блоке энергонезависимой памяти, образуя журнал событий. Кроме того, информация об аварийных и неаварийных событиях от микроконтроллера через интерфейс поступает на пульт управления, персональный компьютер или систему АСУ. Один пульт управления или персональный компьютер может работать через интерфейс с несколькими устройствами.
Кроме того, микроконтроллер может с заданной соответствующей уставкой периодичностью, сохранять значения токов, напряжений, состояние дискретных входов в энергонезависимой памяти и впоследствии передавать эти записи через интерфейс внешнему компьютеру или системе АСУ для последующего анализа работы электродвигателя в течение продолжительного периода.
При работе электродвигателя блок вычисления разбалансировки механизма станка-качалки, входящий в состав микроконтроллера на основе измеряемых токов фаз вычисляет показатель разбалансировки, значение которого может быть передано через интерфейс на пульт управления, компьютер или систему АСУ, для отображения и использования при балансировке станка-качалки, что позволяет определить наличие разбалансировки механизма станка-качалки и значительно упрощает и ускоряет процесс балансировки.
1. Устройство контроля и защиты электродвигателя привода станка-качалки глубинного штангового насоса, содержащее датчики тока, установленные в фазах питающей сети электродвигателя, электронный блок, в состав которого входят узел согласования и масштабирования сигналов от датчиков тока и контролируемых входных напряжений, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, который производит необходимые вычисления для сравнения с заданными уставками по току и напряжению и принимает решение о нормальной или аварийной ситуации, группа исполнительных элементов в виде реле или полупроводниковых ключей, обеспечивающих управление контактором в цепи питания электродвигателя и дополнительными внешними устройствами, например сигнальными, узел оперативной индикации, интерфейс, энергонезависимые часы, блок энергонезависимой памяти, обеспечивающий под управлением микроконтроллера хранение и запись рабочих уставок и журнала аварий, включающего в себя фиксацию времени аварии, ее тип и измеренные значения напряжений и токов в некоторый интервал времени, предшествовавший аварийной ситуации, выходы датчиков тока и входы для измеряемых напряжений соединены с входами узла согласования и масштабирования, выходы которого соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом микроконтроллера, другие входы которого соединены с выходами интерфейса и блока энергонезависимой памяти, а выходы соединены с входами узла оперативной индикации, блока энергонезависимой памяти, группы исполнительных элементов и интерфейса, отличающееся тем, что в состав микроконтроллера дополнительно введены блок запуска и остановки электродвигателя по расписанию, хранящемуся в энергонезависимой памяти, и/или по восстановлению исчезавшего напряжения сети, блок вычисления степени разбалансировки механизма станка-качалки и блок ведения журнала событий, позволяющий фиксировать в энергонезависимой памяти даты и время событий, не вызывающих аварийной остановки электродвигателя, например пуск, остановка электродвигателя, смена уставок оператором, кратковременная просадка напряжения и т.п., а в состав группы исполнительных элементов введен ключ, выполненный, например, в виде электромагнитного реле для выдачи предупредительного сигнала перед включением электродвигателя, а также дополнительно введены N дискретных входов, соединенных с входами микроконтроллера, где N не менее одного, обеспечивающих возможность ввода в устройство дополнительных сигналов состояния защищаемого электродвигателя либо связанного с ним оборудования, например кнопки аварийного отключения или сигнала от электроконтактного манометра, что позволяет, в зависимости от программы микроконтроллера, осуществлять при необходимости отключение, включение или аварийную защиту электродвигателя установки по наступлению событий, вызывающих эти сигналы, и фиксировать дату и время поступления сигналов в энергонезависимой памяти.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеряемые текущие значения параметров работы установки и сохраненные в энергонезависимой памяти журналы аварий и событий могут передаваться через интерфейс для мониторинга работы электроустановки персональным компьютером или системой АСУ.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав микроконтроллера дополнительно введен блок регистрации, обеспечивающий с заданной периодичностью сохранение в энергонезависимой памяти текущих значений параметров работы установки и сигналов дискретных входов, которые впоследствии могут выдаваться через интерфейс на внешний компьютер, внешнее запоминающее устройство или систему АСУ для последующего анализа работы установки в течение длительного интервала времени.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что энергонезависимые часы определяют не только время суток, но и число текущего месяца, а расписание, хранящееся в энергонезависимой памяти может быть задано отдельно и независимо для каждого дня календаря.
