насосная установка с погружным линейным вентильным электродвигателем. Вентильный погружной двигатель


Новомет - Вентильные электродвигатели

Типоразмеры выпускаемых вентильных электродвигателей

Вентильные электродвигатели — это изделия нового поколения, с лучшими энергетическими характеристиками по сравнению с асинхронными.

В отличие от асинхронных двигателей вентильные имеют постоянные магниты на роторе и специальную схему подачи питающего напряжения на обмотку статора.

Управление их работой осуществляется с помощью электронных ключей (так называемых вентилей), переключение которых выполняется станцией управления по специальной программе. Крометого, станция управления формирует регулируемую частоту питания двигателя, от которой напрямую зависит его частота вращения и полезная мощность на валу.

Вентильный электродвигатель может применяться там, где применение асинхронного ПЭД затруднительно:

  • При глубоком регулировании частоты вращения электродвигателя (от 500 до 6000 об./мин).
  • При цикличном режиме работы установки (с частыми пусками и остановками).
  • В качестве электроприводов с низкой частотой вращения 100-500 об/мин. (в насосах для перекачки нефти высокой вязкости).
  • При использовании электродвигателя в односекционном исполнении с относительно большими мощностями.
  • При использовании скважин с диаметром обсадной колонны до 89 мм (в т.ч. боковые стволы).

Конструкция

Двигатель состоит из статора с трехфазной обмоткой, ротора с постоянными магнитами, головки и основания. Магнитопровод статора состоит из листов электротехнической стали с термостойким покрытием, которые запрессованы в трубчатый корпус. Обмотка статора однослойная, протяжная, катушечная, выполнена теплостойким обмоточным проводом по схеме «звезда» с выводом общей точки для системы контроля параметров установки. Ротор с постоянными магнитами установлен в расточке статора на подшипниках скольжения.

www.novomet.ru

Конструкция погружного вентильного электродвигателя

Непосредственно сам ротор (рис.6.1.) представляет собой вал, с устанавливаемыми на него поочередно пакетами ротора и радиальными опорами (подшипники скольжения). Для правильного центрирования ротора в расточке статора, на подшипники устанавливаются резиновые кольца, разбухающиеся под воздействием масла, разогретого до 60 С.

Рис.6.1 Ротор погружного вентильного электродвигателя.

Собранный ротор заводится в статор (рис.6.2), поступающий на сборку с предыдущего участка технологической цепочки – участка лакировки.

Статор представляет собой трубу, шихтованную листами электротехнической стали. Внутри статора уложен в три фазы медный провод. С одной стороны фазы спаяны в «звезду», с другой стороны на выход каждой фазы напаяны выводные провода с наконечниками. Статор, в зависимости от исполнения, может быть пропитан высокотемпературным лаком ВС-346А либо заполнен компаундом по специальной технологии.

Рис.6.2. Статор погружного электродвигателя.

Рис.6.3 Погружной вентильный электродвигатель.

6.3. Анализ актуальности модернизации.

В силу особенностей конструкции, описанных выше, а именно: магнитного притяжение пакетов ротора к статору; центрирующих резиновых колец, устанавливаемых на подшипники, усилие, которое необходимо приложить при установке собранного ротора в расточку статора, возрастает до 1,5 тонн. С целью повышения универсальности данного изделия, учтем потенциальную заинтересованность в подобных стендах ремонтных баз. При ремонтах погружных электродвигателей, исходя из статистических данных, целесообразно заложить необходимое усилие в 3 тонн. Данная величина ставит нас перед фактом необходимости механизации этого процесса.

    1. Расчет основных характеристик оборудования стенда.

При модернизации планируется оснастить стенд мотор-редуктором, передающее тяговое усилие с помощью цепной передачи

Расчет цепной передачи

Основные исходные данные для расчета цепной передачи должны быть заданы или приняты по условиям работы передачи.

  1. Крутящий момент T1 на валу ведущей звездочки, Нм.

  2. Частота вращения n1 вала ведущей звездочки, мин-1.

  3. Передаточное число u цепной передачи,

  4. Тип цепи.

  5. Характер нагрузки.

  6. Возможные кратковременные перегрузки в процессе пуска или работы.

  7. Способ смазки передачи в зависимости от скорости цепи.

Рисунок 6.4 – Схема цепной передачи

Значение шага однорядной цепи Р(мм) определяется  по формуле

Полученные значения шага округляют до ближайшего по стандарту и находят значение площади проекции опорной поверхности шарнира однорядной цепи, соответствующей этому шагу.

Ближайшее значение шага по ГОСТ13568-97 имеет роликовая приводная цепь ПР-31,75-8850.

Параметры роликовых приводных цепей представлены в Таблице 6.1.

Роликовая приводная цепь ПР-31,75-8850 обладает следующими характеристиками:

  • Шаг цепи…………………………………………..31,75 мм

  • Разрушающая нагрузка…………………….…….88,50 кН

  • Масса 1 метра цепи……………………………….3,8 кг

Выбор мотор-редуктора

Переводим принятое тяговое усилие в килоньютоны:

F = 3т = 30кН

Принимаем скорость подачи V = 0,1 м/с

По данным значениям подбираем мотор-редуктор MU90-60-23-В5-1,1-311-380-50 (Рис. 6.5).

Рис. 6.5. Мотор-редуктор серии MU90.

Мотор-редуктор MU90-60-23-В5-1,1-311-380-50 имеет следующие технические характеристики:

  • Размер…………………………………………………..………….90

  • Передаточное число………………………………………………60

  • Частота вращения двигателя…………………………………1400 об/мин

  • Частота вращения выходного вала……………………………..23 об/мин

  • Мощность ………………………………………………..………1,1 кВт

  • Момент вращения………………………………………..…….311 Н*м

  • Напряжение питающей сети…………………………………..380 В

  • Частота питающей сети………………………………………..50 Гц

Габаритные и привязочные размеры мотор-редуктора

Габаритные размеры фланцев на выходном валу редуктора

studfiles.net

насосная установка с погружным линейным вентильным электродвигателем - патент РФ 2522347

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к установкам с насосами объемного действия, приводимыми в действие погружными линейными электродвигателями. Установка содержит погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный вентильный электродвигатель. Подвижная часть (бегун) выполнена с возможностью возвратно-поступательного движения. Управляющий электронный блок состоит из наземной и погружной частей. Погружной блок выполнен в виде инвертора, размещенного в герметичном корпусе с нормальным давлением воздуха внутри. Выход инвертора электрически связан с наземной частью и обмоткой через гермовводы. Управляющий блок инвертора связан с чувствительными элементами датчика положения бегуна через дополнительные гермовводы. Содержит счетчик шагов бегуна. Наземный блок выполнен в виде последовательно соединенных входного выпрямителя, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного выпрямителя. Повышаются энергетические показатели установки. 4 з.п. ф -лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2522347

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на повышение энергетических показателей установок для подъема жидкости с больших глубин погружными установками с насосами объемного действия, приводимыми в действие погружными линейными электродвигателями.

Известна погружная насосная установка, содержащая насос и погружной линейный электродвигатель. Электродвигатель содержит неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса (патент США № 7316270 В2, кл. МКИ F04B 17/04, U.S. C1. 166/105, от 2005 г.).

Установка не имеет датчика положения бегуна, поэтому не может иметь высокие энергетические показатели.

Известна насосная установка, содержащая погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса, и управляющий электронный блок, выход силовой части которого электрически связан с обмоткой статора (евразийский патент № 009268 В1, кл. F04B 47/06, приоритет 17.10.2004).

Данная установка также имеет недостаточно высокие энергетические показатели, обусловленные отсутствием датчика положения бегуна. Действительно, линейный электродвигатель постоянно работает в режиме пуска и реверса, а даже самая совершенная наземная система управления, не имеющая физического датчика положения, не позволяет определить положение бегуна в начальный момент пуска. Пуск получается затянутым, что приводит к дополнительным потерям в двигателе и установке в целом при пуске.

Цель изобретения состоит в повышении энергетических показателей установки.

Поставленная цель достигается тем, что в насосной установке, содержащей погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса, управляющий электронный блок, выход силовой части которого электрически связан с обмоткой статора, управляющий электронный блок выполнен состоящим из наземного и погружного блоков, погружной блок выполнен в виде инвертора, размещенного в герметичном корпусе с нормальным давлением внутри, корпус инвертора механически связан с корпусом электродвигателя, выход инвертора электрически связан с обмоткой через гермовводы, электродвигатель снабжен датчиком положения бегуна, выход чувствительных элементов датчика связан с управляющими цепями инвертора через дополнительные гермовводы, а наземный блок выполнен с возможностью регулирования постоянного напряжения на выходе.

Наземный блок наиболее целесообразно выполнять в виде последовательно соединенных входного выпрямителя, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного выпрямителя. Такое выполнение позволяет отказаться от входного трансформатора с рабочей частотой 50 или 60 Гц, имеющего большую массу, габариты и стоимость, сохраняя возможность гальванической развязки погружной части от питающей сети и возможность регулирования выходного напряжения. Развязка необходима для работы системы измерения сопротивления изоляции погружной части электропривода.

Кабель может содержать либо одну силовую изолированную жилу, либо две. В первом случае функцию второго провода выполняет земля и напорно-компрессорная труба. Такое выполнение установки позволяет дополнительно упростить ее конструкцию и снизить стоимость. В случае применения двух жил, одна из них может не иметь электрической изоляции, что также приводит к снижению стоимости установки.

Управляющий блок инвертора содержит счетчик шагов бегуна по сигналам датчика положения и выполнен с возможностью осуществления реверса при достижении заданного числа шагов. Это позволяет исключить для бегуна возможность контакта с ограничителями перемещения бегуна и связанные с ней всплески потребляемого тока и потери мощности.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематически изображена установка с погружным инвертором и двухпроводной линией питания.

На фиг.2 схематически изображена установка с погружным инвертором и однопроводной линией питания.

Установка содержит насос 1 и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) 2 с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун) 3. Статор и бегун выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Корпус 4 электродвигателя механически связан с корпусом 5 насоса, бегун механически связан с подвижной частью 6 насоса.

Управляющий электронный блок установки состоит из наземного 7 и погружного 8 блоков. Электродвигатель снабжен датчиком 9 положения бегуна, погружной блок выполнен в виде инвертора 10, размещенного в герметичном корпусе 11 с нормальным давлением воздуха внутри, корпус инвертора связан с корпусом электродвигателя. Выход инвертора электрически связан с цепью питания и обмоткой через гермовводы 12, выход чувствительных элементов датчика положения связан с управляющим блоком 13 инвертора через дополнительные гермовводы 14. Наземный блок выполнен в виде последовательно соединенных входного выпрямителя 15, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора 16 и выходного выпрямителя 17.

Трансформатор 18 однофазного высокочастотного инвертора-регулятора обеспечивает гальваническую развязку выходного выпрямителя и всей погружной части установки от питающей сети. Нагнетательный клапан 19 и впускной клапан 20 обеспечивают правильную работу насоса. Перекачиваемая пластовая жидкость поступает на поверхность Земли через насосно-компрессорную трубу 21.

Как показано на фиг.1, одноименные полюса выхода наземного блока и питания инвертора соединены между собой изолированным двухпроводным кабелем. Такая схема может найти применение, в частности, в установках, предназначенных к работе в агрессивной среде.

Возможна также конструкция, показанная на фиг.2, в которой первый полюс силового выхода наземного блока связан с первым полюсом цепи питания погружного инвертора изолированным кабелем, а вторые полюса выхода выпрямителя 17 наземного блока и питания инвертора соединены с электрически связанными между собой элементами конструкции установки (насосно-компрессорной трубой 21, корпусом 5 насоса, корпусами 4 электродвигателя и 11 инвертора). В этом случае одна из групп ключей погружного инвертора должна быть обязательно электрически соединена с корпусом.

Работа установки происходит следующим образом. На входные зажимы наземного блока 7 подается напряжение стандартной сетевой частоты 50 Гц. Оно выпрямляется входным выпрямителем 15 наземного блока 7. Преобразование уровня напряжения и регулирование выходного напряжения осуществляется в однофазном высокочастотном инверторе-регуляторе. Частота работы ключа в инверторе-регуляторе на несколько порядков превышает сетевую, поэтому габариты трансформатора 18 в несколько раз ниже габаритов традиционно применяемых в нефтедобыче трансформаторов с номинальной частотой 50 Гц. Трансформатор 18 служит для гальванической развязки питающей сети и погружной части и для повышения уровня напряжения, что позволяет снизить потери в кабеле. После высокочастотного преобразования напряжение выпрямляется в выходном выпрямителе 17 наземной части. Управление скоростью бегуна осуществляется уровнем подводимого к погружному блоку 8 напряжения. Коммутация ключей инвертора 10 осуществляется по сигналу с датчика 9 положения бегуна.

При подаче напряжения на погружной блок 8 инвертор 11 по сигналам с чувствительных элементов датчика 9 положения бегуна подключает к источнику именно те обмотки двигателя, ток в которых обеспечит максимальное движущее усилие на бегуне. Бегун 3, преодолевая давление столба жидкости, приходит в движение, перемещая поршень 6 насоса, закрывая впускной клапан 20 и вытесняя жидкость через открывающийся нагнетательный клапан 19 на поверхность Земли.

Блок 13 управления инвертором 10 погружного блока 8 по сигналам датчика 9 положения бегуна отсчитывает заранее известное число периодов, соответствующее длине хода бегуна 3, после чего изменяет направление движения.

Частота пусков-реверсов может достигать 200 в минуту, поэтому чрезвычайно важно, чтобы пуск электродвигателя осуществлялся в оптимальном режиме.

В насосной установке, выполненной согласно изобретению, наличие погружного инвертора, управляемого от физического датчика положения, позволяет повысить энергетические показатели установки за счет уменьшения потерь мощности при пуске.

Реверсирование по сигналам с датчика положения бегуна, а не по превышению тока при упоре бегуна в ограничители, также способствует повышению КПД установки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Насосная установка, содержащая погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса, управляющий электронный блок, выход силовой части которого электрически связан с обмоткой статора, отличающаяся тем, что управляющий электронный блок состоит из наземного и погружного блоков, электродвигатель снабжен датчиком положения бегуна, погружной блок выполнен в виде инвертора, размещенного в герметичном корпусе с нормальным давлением воздуха внутри, корпус инвертора механически связан с корпусом электродвигателя, выход инвертора электрически связан с цепью питания и обмоткой через гермовводы, выход чувствительных элементов датчика положения связан с управляющим блоком инвертора через дополнительные гермовводы, а наземный блок выполнен в виде последовательно соединенных входного выпрямителя, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного выпрямителя.

2. Насосная установка по п.1, отличающаяся тем, что высокочастотный инвертор-регулятор выполнен с возможностью гальванической развязки выходного выпрямителя от входного.

3. Насосная установка по любому из пунктов 1, 2, отличающаяся тем, что первый полюс силового выхода наземного блока связан с первым полюсом цепи питания погружного инвертора изолированным кабелем, вторые полюсы выхода наземного блока и питания инвертора соединены с электрически связанными между собой элементами конструкции установки.

4. Насосная установка по любому из пунктов 1, 2, отличающаяся тем, что одноименные полюсы выхода наземного блока и питания погружного инвертора соединены между собой изолированным двухпроводным кабелем.

5. Насосная установка по любому из пунктов 1, 2, отличающаяся тем, что управляющий блок инвертора содержит счетчик шагов бегуна и выполнен с возможностью осуществления реверса при достижении заданного числа шагов.

www.freepatent.ru

Погружной модульный вентильный электродвигатель электроцентробежного насоса

Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а именно к модульным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок.

Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является изобретение - вентильный электродвигатель (по патенту RU 2277285, опубликован в 2006.05.27), состоящий по меньшей мере из двух модулей (секций), каждый из которых содержит корпус, статор, вал, причем на валу каждого модуля размещены постоянные магниты, которые намагничены в радиальном направлении. Недостатком предлагаемого электродвигателя является то, что в нем не предусмотрены специальные конструктивные элементы на валу и роторе, обеспечивающие согласование взаимной ориентации смежных модулей (положения фазных обмоток и роторов) при сборке.

Технический результат предлагаемого изобретения - облегчение процесса сборки многомодульных вентильных двигателей, а именно обеспечение правильного согласования положений статоров и роторов смежных модулей (т.е. избежать неправильной взаимной ориентации валов и статоров модулей) за счет применения в нем элементов взаимной круговой ориентации смежных модулей двигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, в известном вентильном электродвигателе, состоящем по меньшей мере из двух модулей, в каждом из которых содержится корпус, статор с фазными обмотками и ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей соединены между собой механически, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, причем взаимное расположение указанных элементов обеспечивает одинаковое взаимное угловое

положение одноименных магнитов ротора по отношению к одноименным фазными обмоткам статора в каждом модуле.

На фиг.1 модульный вентильный электродвигатель показан в поперечном разрезе. На фиг.2 показаны концы вала со шлицами и фронтальный вид вала. Под ротором мы будем понимать вал вместе с магнитной системой. На рис 3 схематично показаны два модуля погружного электродвигателя в продольном разрезе с ориентирующими элементами. На рис 4 показаны в поперечном разрезе два модуля в случае, когда ориентации фазных обмоток статорных смежных модулей не совпадают.

Рассмотрим двухмодульный электродвигатель с модулями F, G, которые соединены переходной секцией 16 с соединительной муфтой для роторов модулей. Элементы взаимной круговой ориентации f1, f2, g1, g2 соответствующих модулей располагаются на статоре (точнее на внешней поверхности корпуса модуля, в который помещен неподвижный относительно корпуса статор - например, запресованный в корпус)) и роторе (см. рис 3). Они позволяют правильно соориентировать статоры 12, 13 и роторы 14, 15 соответственно модулей F и G при соединении, обеспечивая их правильную ориентацию относительно друг друга. Одинаковое взаимное угловое положение магнитов ротора по отношению к одинаковым фазным обмоткам статора (в трехфазном двигателе соответственно три фазные обмотки А, В, С) в каждом модуле обеспечивает согласованную работу роторов с максимальным вращательным моментом на валу двигателя.

Многомодульный электродвигатель включает следующие элементы: корпус электродвигателя 1 (точнее корпус модуля), соединительные муфты 16, соединяющие соответственно валы смежных модулей. В каждом модуле 6 (в двухмодульном случае это модули F и G) содержится: статорный пакет 2 с проводами обмотки в пазах электродвигателя 3. Статорный элемент модуля имеет открытый паз 4. Вал 9 содержит кольцевые магнитные сегменты 5 ротора. На поверхности статора выполнен элемент взаимной круговой ориентации 7 (в двухмодульном случае это элемент f1 или g1), представляющий в данном случае прямолинейный неглубокий канал, проходящий по всей длине корпуса модуля. Для каждого модуля элемент взаимной круговой ориентации ориентирован одинаково по отношению к положению - пазов статора с обмоткой. На рисунке показана и часть другой, смежного модуля, содержащий элемент взаимной круговой ориентации 8 на поверхности модуля. Луч ov проходит в плоскости поперечного сечения модуля с центром в точке о (лежащей на центральной продольной оси модуля) и пересекает область элемента взаимной круговой ориентации 7 (точнее, через центральную часть канала 7, являющийся примером элемента круговой ориентации). Луч о'm

проходит в плоскости поперечного сечения присоединенного смежного модуля с центром в точке о' (лежащей на продольной оси соответствующего модуля). Угловое расхождение (взаимной ориентации смежных модулей по кругу) определяется углом, образованными вышеуказанными лучами. При сборке расхождение указанных элементов не должно превышать 1 углового градуса. Такой угол обеспечивает приемлемое значение КПД, близкое к оптимальному. Аналогичные ориентирующие элементы 11 содержат и шлицы вала 10 (см. рис.2), не допускающие также существенного расхождения направлений ориентаций направлений намагничивания магнитов роторов смежных модулей. Подчеркнем, что здесь рассмотрен частный случай, когда фазные обмотки разных модулей имеют одинаковую ориентацию.

Внутренняя полость двигателя выполнена герметичной и заполнена диэлектрическим маслом для защиты двигателя от проникновения в его полость пластовой жидкости, а также для охлаждения обмоток и смазывания подшипников. В вентильном двигателе индуктор находится на валу (в виде постоянных магнитов), обмотка находится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора с помощью полупроводникового коммутатора. Статор состоит из корпуса, сердечника (набора статорных пластин) из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. В нашем случае три фазы (см. рис.1 - обмотки соответственно А, В, С). Двигатель выполнен с открытым пазом 4. На корпусе статора выполнен элемент взаимной круговой ориентации, расположенный одинаковым образом по отношению к положению обмоток статора любого модуля. Постоянные магниты ротора вала представляют собой кольцевые сегменты, симметрично расположенные на валу по кругу. Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет три пары пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов (рис.1) по круговому направлению ротора. Используются магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора. Магниты закреплены на валу ротора (например, клеевым соединением). На валу выполняются специальные шпоночные пазы, в которые располагаются шпонки, а между ними располагаются кольцевые магниты. Эти магниты в свою очередь заключаются в гильзу, дополнительно удерживающую магниты. В каждом модуле содержится специальный элемент взаимной круговой ориентации, в частном случае (для ручной сборки) он представляет собой неглубокий канал, например треугольной формы в поперечном сечении, выполненный на внешней стороне корпуса. В каждом модуле этот канал выполняют расположенным строго одинаковым образом по отношению к положению обмоток статорного элемента. Ориентирующие элементы в роторе любого модуля имеют одинаковое положение по отношению к магнитам роторов, включая их направление намагничивания.

В частном случае статорный ориентирующий элемент может представлять собой метку пространственной ориентации пакета статора, нанесенную на внешнюю поверхности корпуса модуля, например, неглубокую прямую канавку по всей длине внешней поверхности корпуса модуля, и ориентированную для каждого модуля одинаковым образом по отношению к положению пазов статорной обмотки, соответствующих статорных фазных обмоток. При прикреплении к статору фланцевой переходной (между модулями) секции, канавка переносится и на нее, образуя единый прямой канал на внешней поверхности модуля. Аналогичный канал имеется и на корпусе присоединяемого модуля. При соединении статоры соединяются строго по элементам взаимной круговой ориентации. В случае, если эти элементы разных модулей выполнены в виде неглубоких прямых каналов, то они просто совмещаются, образуя единый канал. В результате соединение смежных модулей согласовано относительно положений статоров смежных модулей. Элементы круговой ориентации для валов расположены одинаковым образом по отношению к ориентации магнитной системы ротора и могут выполняться, например, фрезерованием в виде каналов на торцевой стороне вала. Из всех возможных вариантов взаимного расположения роторов выбирается единственно возможный вариант шлицевого соединения указанных деталей. В результате соединение валов смежных модулей согласовано относительно направлений намагничивания и положений магнитов соответствующих модулей.

Рассмотрим более общий пример использования системы, когда ориентация фазных обмоток смежных модулей не совпадает. В этом случае ориентации магнитов роторов соответствующих смежных модулей также не совпадают, а взаимное угловое положение магнитов ротора с фазными обмотками статора в каждом модуле должно быть одинаково (для согласованной синхронной работы модулей электродвигателя по рассмотренному выше алгоритму). В этом случае элементы взаимной круговой ориентации позволяют обеспечить необходимое угловое расположение магнитов ротора по отношению к фазным обмоткам в соответствующих модулях. На рис.4 показаны в поперечном разрезе два модуля в рассмотренном выше случае (фронтальный вид). Указанные фазные обмотки для разных модулей ориентированы различным образом по отношению к оси координат YX (с центром в точке К лежащих на оси составного ротора модулей), соответственно магниты ротора разных модулей имеют несовпадающую ориентацию положений магнитов, но взаимное угловое положение магнитов ротора с фазными обмотками статора в каждом модуле одинаково. Это реализовано с помощью элементов взаимной ориентации модулей, позволяющих обеспечить правильную ориентацию статоров и роторов отдельных модулей, формирующих составной ротор - например, когда статорные метки на корпусе F и G, представляющие неглубокую риску, составляют единый прямой канал на статорном корпусе, и метки на роторах соответственно ориентируются друг относительно друга так, что они находятся на прямой линии, когда сформирован составной ротор.

Электродвигатель работает следующим образом. Информация о наведенной ЭДС в фазных обмотках статора (А, В, С) используется для реализации обратной связи по положению ротора (образованного соединенными через муфту валов с магнитами смежных модулей). Управляющее устройство на основе информации о положении ротор, создает комбинацию управляющих напряжений для силовых ключей (полупроводникового преобразователя), так, что в каждый такт работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток статора. Обмотки расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей образуется вращающееся магнитное поле. Радиально намагниченные постоянные магниты кольцевого типа 5 создают магнитный поток, проходящий через пакет 2 статора, обмотку 3, корпус 1, образуя замкнутую магнитную цепь для прохождения магнитного потока. В каждом модуле одновременно фазные напряжения формируются на фазных обмотках статора (соединенных последовательно) таким образом, что в результате взаимодействия магнитных потоков статора и возбуждения на роторе создается вращающий момент, который стремится развернуть ротор так, чтобы магнитные потоки статора и возбуждения совпали, но при повороте ротора происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг. Частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания.

Включение элементов взаимной ориентации обеспечивает точное согласование положения статорных сборок и ориентаций магнитов роторов смежных модулей.

bankpatentov.ru

 

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к модульным вентильным электродвигателям для погружных нефтедобывающих установок. Вентильный электродвигатель состоит из n одинаковых модулей. Каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении. Одноименные фазные обмотки смежных модулей соединены последовательно, корпуса и ротора модулей соединены между собой механически, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора. В каждом роторе одна половина магнитов смещена относительно другой половины в окружном направлении на половину зубцового деления статора t zs. Одноименные магниты роторов в смежных модулях смещены в окружном направлении на величину tzs/(2n). Улучшаются пусковые свойства вентильного электродвигателя за счет уменьшения пульсаций реактивного момента и обеспечивается надежное соединения модулей. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полезная модель относится к машиностроению, а именно, к модульным вентильным электродвигателям с постоянными магнитами на роторе для погружных нефтедобывающих установок.

В настоящее время большое распространение получили односекционные погружные вентильные электродвигатели (см., например, патент RU 2247463, Н02К 21/14, опубл. 27.02.2005), которые представляют собой модель взаимосвязанных магнитных систем - постоянного магнитного поля ротора, создаваемого постоянными магнитами, и воздействующего на него вращающегося электромагнитного поля статора от выпрямленных токов, поочередно поступающих в две фазы трехфазной обмотки, в зависимости от положения полюсов ротора относительно этих фаз. Такие электродвигатели широко применяются в качестве приводов для погружных центробежных насосов в нефтедобывающей промышленности.

Недостатком односекционных электродвигателей является ограниченная мощность, обусловленная технологией их изготовления и размерами нефтяных скважин. Одним из решений этой проблемы является модульный вентильный электродвигатель, конструктивно подобный серийным асинхронным секционным электродвигателям. Но в отличие от асинхронного секционного электродвигателя, для которого достаточным условием является последовательное соединение обмоток статоров секций (модулей) при соблюдении чередования фаз в каждой секции, и произвольное угловое положение роторов, - для вентильного электродвигателя необходимо обеспечить определенно заданное расположение магнитной системы роторов каждого модуля и определенное пространственное расположение фаз обмоток статоров тех же модулей при их последовательном соединении.

Наиболее близким к заявляемому является погружной модульный вентильный электродвигатель электроцентробежного насоса (см., патент RU 65314, опубликован 27.07.2007), в котором задано одинаковое расположение магнитной системы роторов модулей и одинаковое расположение магнитной системы статоров этих модулей. Каждый модуль электродвигателя содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой. Каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора.

Недостатком известного электродвигателя является повышенный уровень пульсаций реактивного момента и ненадежное межсекционное соединение модулей.

Задачей настоящей полезной модели является улучшение пусковых свойств вентильного электродвигателя за счет уменьшения пульсаций реактивного момента и обеспечение надежного соединения модулей.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в вентильном электродвигателе, состоящем из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, согласно полезной модели, половина магнитов каждого модуля смещена в окружном направлении на ½ зубцового деления статора t zs, а в смежных модулях одноименные полюсы магнитов ротора смещены в окружном направлении на величину tzs/(2n).

Роторы модулей могут быть соединены между собой с помощью шлицевой муфты, снабженной позиционирующими элементами.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вентильный электродвигатель в поперечном разрезе; на фиг.2 соединение валов ротора модулей; на фиг.3 - шлицевая муфта; на фиг.4 - пространственное расположение статоров модулей при помощи меток А; на фиг.5 графики зависимости удельного реактивного момента от углового положения ротора.

Вентильный двигатель состоит из двух и более модулей, каждый из которых содержит корпус 1, ротор с постоянными магнитами 2, насаженными на вал 3, и статор 4 с фазными обмотками (фиг.1). Магниты ротора 2 намагничены в радиальном направлении. Валы 3 смежных модулей соединены специальной шлицевой муфтой 5 (фиг.2), которая обеспечивает заданное взаимное расположение полюсов роторов 2 электродвигателя, выполняя роль элемента круговой ориентации. Для этого в муфте 5 предусмотрены фиксирующие элементы, например, шпонки 6, входящие в те же шпоночные пазы 7 на валах 3, что и шпонки пакетов роторов. Смещение шпонок 6 относительно друг друга на величину tzs /(2n) обеспечит заданное расположение смежных модулей (фиг.3).

В некоторых вариантах заданное пространственное расположение роторов модулей может быть достигнуто за счет выполнения одного или нескольких шлицев на валу 3 и на муфте 5 с размером, отличающимся от остальных. Кроме того, для соединения модулей может быть использована муфта, в которой выполнен угловой сдвиг шлицев 8 на угол , обеспечивающий смещение одноименных полюсов магнитов ротора смежного и последующего модулей в окружном направлении на величину tzs/(2n).

Взаимное расположение полюсов магнитной системы на роторах 2 каждого модуля достигается тем, что половина магнитов с одноименным полюсом расположена над шпоночным пазом 7 вала 3, а другая половина смещена относительно этого паза на ½ зубцового деления статора tzs .

Одноименные фазные обмотки статоров 4 каждого модуля соединены последовательно путем совмещения позиционирующих элементов:

- меток А (фиг.4) на корпусе статора, определяющих пазы пакетов статора, с которых начинается намотка первой фазы;

- меток Б (фиг.1) в узле соединения (секционирования) модулей, для совмещения которых предусмотрен штифт или винт 9 и накидная гайка 10.

Для позиционирования статорных обмоток модулей предлагаемого вентильного электродвигателя предназначено болтовое фланцевое соединение 11 и соединение с помощью закладных деталей, например, стопорных полуколец 12 (фиг.1), которые выполняют роль элементов круговой ориентации статоров. Болтовое фланцевое соединение 11 выполнено таким образом, что расположение статоров модулей и одноименных фаз их обмотки возможно только в определенном положении.

Сборка соединения модулей осуществляется следующим образом.

В корпус 1 статора с помощью резьбового соединения устанавливается переходник 13, имеющий внутреннюю резьбу. На переходнике 13 предусмотрена наружная прорезь 14, а с торца выполнены резьбовые отверстия для винтов 15, при затяжке которых происходит фиксация резьбового соединения между статором 4 и переходником 13. Во внутреннюю резьбу переходника 13 вворачивается втулка 16, на которой выполнена канавка для закладных деталей, например, двух стопорных полуколец 12. Тем самым обеспечивается установка концевой детали 17 одного модуля в корпус 1 статора электродвигателя смежного модуля. Позиционирование концевой детали 17 и корпуса статора 1 обеспечивается за счет размещения между ними шайбы с лепестками 18 и последующего отгибания лепестков в специальные пазы на корпусе статора 1 и на концевой детали 17. Позиционирование переходников 13 и 19 между собой выполняется с помощью шпоночного соединения, или штифтов, или винтов 9 и накидной гайки 10.

Заявляемая конструкция была испытана на примере вентильного погружного двухмодульного электродвигателя габарита 130 мм, имеющего 24 паза и 24 зубца на статоре, с угловым зубцовым делением 360°/24=15°, в котором роторы выполнены со смещением половины полюсов на угол, равный ½ зубцового деления (7,5°), а ротор одного модуля смещен в окружном направлении относительно ротора второго модуля на четверть зубцового деления (3,75°). Полученная зависимость пульсаций реактивного момента приведена на графике 3, фиг.5 (по оси абсцисс отложен геометрический угол поворота ротора относительно условного начального положения). Реактивный момент, ухудшающий рабочие характеристики электродвигателя, возникает из-за неравномерности магнитной проводимости статора, на котором имеются пазы и зубцы. Основная гармоника пульсаций реактивного момента для погружного электродвигателя имеет период 360°/Zc, где Z c - число пазов или зубцов статора. Например, для наиболее распространенного вентильного электродвигателя с 24 пазами на статоре период равен 15°.

Для сравнения такие же зависимости были получены для аналогичных погружных вентильных электродвигателей, ротор одного из которых выполнен без смещения магнитов (график 1), а ротор второго - со смещением половины полюсов на угол, равный половине зубцового деления (7,5°), (график 2). Из графиков видно, что наименьшие пульсации реактивного момента получены в вентильном электродвигателе заявленной конструкции.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет при последовательном соединении модулей вентильных электродвигателей обеспечить заданное пространственное расположение магнитной системы роторов каждого модуля и заданное пространственное расположение фаз статоров тех же модулей, в результате чего пульсации реактивного момента сводятся к минимуму.

1. Вентильный электродвигатель, состоящий из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпусы и роторы модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, отличающийся тем, что в каждом роторе одна половина магнитов смещена относительно другой половины в окружном направлении на половину зубцового деления статора tzs, а в смежных модулях одноименные магниты ротора смещены в окружном направлении на величину t zs/(2n).

2. Вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что роторы модулей соединены между собой с помощью шлицевой муфты, снабженной позиционирующими элементами.

poleznayamodel.ru

Вентильный электродвигатель

Изобретение относится к области электротехники и машиностроения, в частности к модульным вентильным электродвигателям для погружных нефтедобывающих установок. Предлагаемый вентильный электродвигатель состоит из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении. Одноименные фазные обмотки смежных модулей соединены последовательно, корпуса и ротора модулей соединены между собой механически, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора. При этом, согласно настоящему изобретению, в каждом роторе одна половина магнитов смещена относительно другой половины в окружном направлении на половину зубцового деления статора tzs, а в смежных модулях одноименные магниты роторов смещены в окружном направлении на величину tzs/(2n). Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в улучшении пусковых свойств вентильного электродвигателя за счет уменьшения пульсаций реактивного момента, а также в обеспечении надежного соединения модулей и вентильного электродвигателя в целом. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к машиностроению, а именно к модульным вентильным электродвигателям с постоянными магнитами на роторе для погружных нефтедобывающих установок.

В настоящее время большое распространение получили односекционные погружные вентильные электродвигатели (см., например, патент RU 2247463, Н02К 21/14, опубл. 27.02.2005), которые представляют собой модель взаимосвязанных магнитных систем - постоянного магнитного поля ротора, создаваемого постоянными магнитами, и воздействующего на него вращающегося электромагнитного поля статора от выпрямленных токов, поочередно поступающих в две фазы трехфазной обмотки, в зависимости от положения полюсов ротора относительно этих фаз. Такие электродвигатели широко применяются в качестве приводов для погружных центробежных насосов в нефтедобывающей промышленности.

Недостатком односекционных электродвигателей является ограниченная мощность, обусловленная технологией их изготовления и размерами нефтяных скважин. Одним из решений этой проблемы является модульный вентильный электродвигатель, конструктивно подобный серийным асинхронным секционным электродвигателям. Но в отличие от асинхронного секционного электродвигателя, для которого достаточным условием является последовательное соединение обмоток статоров секций (модулей) при соблюдении чередования фаз в каждой секции, и произвольное угловое положение роторов, для вентильного электродвигателя необходимо обеспечить определенно заданное расположение магнитной системы роторов каждого модуля и определенное пространственное расположение фаз обмоток статоров тех же модулей при их последовательном соединении.

Наиболее близким к заявляемому является погружной модульный вентильный электродвигатель электроцентробежного насоса (см., патент RU 65314, опубликован 27.07.2007), в котором задано одинаковое расположение магнитной системы роторов модулей и одинаковое расположение магнитной системы статоров этих модулей. Каждый модуль электродвигателя содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой. Каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора.

Недостатком известного электродвигателя является повышенный уровень пульсаций реактивного момента и ненадежное межсекционное соединение модулей.

Задачей настоящего изобретения является улучшение пусковых свойств вентильного электродвигателя за счет уменьшения пульсаций реактивного момента и обеспечение надежного соединения модулей.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в вентильном электродвигателе, состоящем из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, согласно изобретению, половина магнитов каждого модуля смещена в окружном направлении на 1/2 зубцового деления статора tzs, а в смежных модулях одноименные полюсы магнитов ротора смещены в окружном направлении на величину tzs/(2n).

Роторы модулей могут быть соединены между собой с помощью шлицевой муфты, снабженной позиционирующими элементами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вентильный электродвигатель в поперечном разрезе; на фиг.2 - соединение валов ротора модулей; на фиг.3 - шлицевая муфта; на фиг.4 - пространственное расположение статоров модулей при помощи меток А; на фиг.5 - графики зависимости удельного реактивного момента от углового положения ротора.

Вентильный двигатель состоит из двух и более модулей, каждый из которых содержит корпус 1, ротор с постоянными магнитами 2, насаженными на вал 3, и статор 4 с фазными обмотками (фиг.1). Магниты ротора 2 намагничены в радиальном направлении. Валы 3 смежных модулей соединены специальной шлицевой муфтой 5 (фиг.2), которая обеспечивает заданное взаимное расположение полюсов роторов 2 электродвигателя, выполняя роль элемента круговой ориентации. Для этого в муфте 5 предусмотрены фиксирующие элементы, например, шпонки 6, входящие в те же шпоночные пазы 7 на валах 3, что и шпонки пакетов роторов. Смещение шпонок 6 относительно друг друга на величину tzs/(2n) обеспечит заданное расположение смежных модулей (фиг.3).

В некоторых вариантах заданное пространственное расположение роторов модулей может быть достигнуто за счет выполнения одного или нескольких шлицев на валу 3 и на муфте 5 с размером, отличающимся от остальных. Кроме того, для соединения модулей может быть использована муфта, в которой выполнен угловой сдвиг шлицев 8 на угол β, обеспечивающий смещение одноименных полюсов магнитов ротора смежного и последующего модулей в окружном направлении на величину tzs/(2n).

Взаимное расположение полюсов магнитной системы на роторах 2 каждого модуля достигается тем, что половина магнитов с одноименным полюсом расположена над шпоночным пазом 7 вала 3, а другая половина смещена относительно этого паза на 1/2 зубцового деления статора tzs.

Одноименные фазные обмотки статоров 4 каждого модуля соединены последовательно путем совмещения позиционирующих элементов:

- меток А (фиг.4) на корпусе статора, определяющих пазы пакетов статора, с которых начинается намотка первой фазы;

- меток Б (фиг.1) в узле соединения (секционирования) модулей, для совмещения которых предусмотрен штифт или винт 9 и накидная гайка 10.

Для позиционирования статорных обмоток модулей предлагаемого вентильного электродвигателя предназначено болтовое фланцевое соединение 11 и соединение с помощью закладных деталей, например, стопорных полуколец 12 (фиг.1), которые выполняют роль элементов круговой ориентации статоров. Болтовое фланцевое соединение 11 выполнено таким образом, что расположение статоров модулей и одноименных фаз их обмотки возможно только в определенном положении.

Сборка соединения модулей осуществляется следующим образом.

В корпус 1 статора с помощью резьбового соединения устанавливается переходник 13, имеющий внутреннюю резьбу. На переходнике 13 предусмотрена наружная прорезь 14, а с торца выполнены резьбовые отверстия для винтов 15, при затяжке которых происходит фиксация резьбового соединения между статором 4 и переходником 13. Во внутреннюю резьбу переходника 13 вворачивается втулка 16, на которой выполнена канавка для закладных деталей, например, двух стопорных полуколец 12. Тем самым обеспечивается установка концевой детали 17 одного модуля в корпус 1 статора электродвигателя смежного модуля. Позиционирование концевой детали 17 и корпуса статора 1 обеспечивается за счет размещения между ними шайбы с лепестками 18 и последующего отгибания лепестков в специальные пазы на корпусе статора 1 и на концевой детали 17. Позиционирование переходников 13 и 19 между собой выполняется с помощью шпоночного соединения, или штифтов, или винтов 9 и накидной гайки 10.

Заявляемая конструкция была испытана на примере вентильного погружного двухмодульного электродвигателя габарита 130 мм, имеющего 24 паза и 24 зубца на статоре, с угловым зубцовым делением 360°/24=15°, в котором роторы выполнены со смещением половины полюсов на угол, равный ½ зубцового деления (7,5°), а ротор одного модуля смещен в окружном направлении относительно ротора второго модуля на четверть зубцового деления (3,75°). Полученная зависимость пульсаций реактивного момента приведена на графике 3, фиг.5 (по оси абсцисс отложен геометрический угол поворота ротора относительно условного начального положения). Реактивный момент, ухудшающий рабочие характеристики электродвигателя, возникает из-за неравномерности магнитной проводимости статора, на котором имеются пазы и зубцы. Основная гармоника пульсаций реактивного момента для погружного электродвигателя имеет период 360°/Zc, где Zc - число пазов или зубцов статора. Например, для наиболее распространенного вентильного электродвигателя с 24 пазами на статоре период равен 15°.

Для сравнения такие же зависимости были получены для аналогичных погружных вентильных электродвигателей, ротор одного из которых выполнен без смещения магнитов (график 1), а ротор второго - со смещением половины полюсов на угол, равный половине зубцового деления (7,5°), (график 2). Из графиков видно, что наименьшие пульсации реактивного момента получены в вентильном электродвигателе заявленной конструкции.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет при последовательном соединении модулей вентильных электродвигателей обеспечить заданное пространственное расположение магнитной системы роторов каждого модуля и заданное пространственное расположение фаз статоров тех же модулей, в результате чего пульсации реактивного момента сводятся к минимуму.

1. Вентильный электродвигатель, состоящий из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и роторы модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, отличающийся тем, что в каждом роторе одна половина магнитов смещена относительно другой половины в окружном направлении на половину зубцового деления статора tzs, а в смежных модулях одноименные магниты ротора смещены в окружном направлении на величину tzs/(2n).

2. Вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что роторы модулей соединены между собой с помощью шлицевой муфты, снабженной позиционирующими элементами.

www.findpatent.ru

регулируемый вентильный электродвигатель для погружных насосных агрегатов - патент РФ 2150780

Изобретение может быть использовано в электроприводах погружных насосных агрегатов. Регулируемый вентильный электродвигатель содержит электромеханический преобразователь с тремя фазовыми обмотками и с индуктором, инвертор, логический блок управления, три компаратора, три фильтра, три интегрирующие цепи. Введены выходной трансформатор, вторичный источник питания, делитель напряжения, выполненный трехфазным, первый, второй и третий выходы которого соединены со входом третьего фильтра, входом первого фильтра и входом второго фильтра соответственно. Первый, второй и третий выходы инвертора соединены с первым, вторым и третьим входами делителя напряжения и с первым, вторым и третьим входами выходного трансформатора. Первый, второй и третий выходы выходного трансформатора соединены соответственно с первой, второй и третьей фазовыми обмотками электромеханического преобразователя. Общий вывод вторичного источника питания подсоединен к соединенным между собой силовым выводам упомянутых интегрирующих цепей и к общему выводу делителя напряжения, а его потенциальные выводы подсоединены к цепям питания упомянутых компараторов соответственно. Технический результат заключается в возможности подключения трехфазного электромеханического преобразователя, удаленного на большое расстояние от инвертора, с помощью трехпроводного кабеля. 3 з.п. ф-лы, 25 ил. Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах погружных насосных агрегатов, преимущественно для добычи воды, нефти или в других регулируемых электроприводах, в которых электромеханический преобразователь вентильного электродвигателя удален на большое расстояние от инвертора. Известен вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, ротор которого выполнен на постоянных магнитах, инвертор, логический блок управления, кольцевое соединение компараторов, выходы которых подсоединены ко входам логического блока управления (SU, A, 1774455). Преимуществом этого технического решения является отсутствие конструктивно выраженного датчика положения ротора. Ограничением этого устройства является необходимость подключать четыре вывода кабеля для управления трехфазным двигателем, что снижает надежность и повышает эксплуатационные расходы при работе двигателя в скважине на большой глубине. Известен вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, инвертор, компараторы (DE, A, 2428718). Кроме того, это устройство содержит алгебраические сумматоры, генератор, систему запуска. Инвертор в этом устройстве выполнен по однополупериодной схеме. Преимуществом этого технического решения является отсутствие конструктивно выраженного датчика положения ротора. Ограничением этого технического решения является сложная связь между электромеханическим преобразователем и инвертором, кроме того, устройство имеет сложный алгоритм пуска двигателя. Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, выполненный из трех фазовых обмоток и из индуктора, выполненного на постоянных магнитах, инвертор, логический блок управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами инвертора, три компаратора, три фильтра, три интегрирующие цепи, причем первый вход первого компаратора соединен с выходом первого фильтра, первый вход второго компаратора - с выходом второго фильтра, а первый вход третьего компаратора - с выходом третьего фильтра, второй вход первого компаратора соединен с выходом первой интегрирующей цепи, второй вход второго компаратора - с выходом второй интегрирующей цепи, второй вход третьего компаратора - с выходом третьей интегрирующей цепи, выход первого компаратора соединен с первым входом логического блока управления и со входом третьей интегрирующей цепи, выход второго компаратора - со вторым входом логического блока управления и со входом первой интегрирующей цепи, а выход третьего компаратора - с третьим входом логического блока управления и со входом второй интегрирующей цепи (RU, A, 94015951/07). Ограничением этого технического решения также является необходимость подключения трехфазного электромеханического преобразователя по четырехпроводному кабелю непосредственно к выходу инвертора, что снижает надежность функционирования этого устройства при работе в скважине на больших глубинах, и, кроме того, возрастают эксплуатационные и стоимостные затраты на протяжку многожильного кабеля. В основу настоящего изобретения поставлена задача создания регулируемого вентильного электродвигателя для погружных насосных агрегатов, обеспечивающего повышение надежности и снижение эксплуатационных расходов функционирования погружного насосного агрегата. Технический результат, который может быть получен от использования изобретения, - обеспечение подключения трехфазного электромеханического преобразователя, удаленного на большое расстояние от инвертора, с помощью трехпроводного кабеля. Поставленная задача решается тем, что в регулируемом вентильном электродвигателе, содержащем электромеханический преобразователь, выполненный из трех фазовых обмоток и из индуктора, выполненного на постоянных магнитах, инвертор, логический блок управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами инвертора, три компаратора, три фильтра, три интегрирующие цепи, причем первый вход первого компаратора соединен с выходом первого фильтра, первый вход второго компаратора - с выходом второго фильтра, а первый вход третьего компаратора - с выходом третьего фильтра, второй вход первого компаратора соединен с выходом первой интегрирующей цепи, второй вход второго компаратора - с выходом второй интегрирующей цепи, второй вход третьего компаратора - с выходом третьей интегрирующей цепи, выход первого компаратора соединен с первым входом логического блока управления и со входом третьей интегрирующей цепи, выход второго компаратора - со вторым входом логического блока управления и со входом первой интегрирующей цепи, а выход третьего компаратора - с третьим входом логического блока управления и со входом второй интегрирующей цепи, согласно изобретению введены выходной трансформатор, вторичный источник питания, гальванически развязанный от первичной питающей цепи и выполненный с общим и потенциальными выводами, делитель напряжения, выполненный трехфазным и первый выход которого соединен со входом третьего фильтра, второй выход - со входом первого фильтра, а третий выход - со входом второго фильтра, первый выход инвертора соединен с первым входом делителя напряжения и с первым входом выходного трансформатора, второй выход инвертора - со вторым входом делителя напряжения и со вторым входом выходного трансформатора, а третий выход инвертора - с третьим входом делителя напряжения и с третьим входом выходного трансформатора, первый, второй и третий выходы выходного трансформатора соединены соответственно с первой, второй и третьей фазовыми обмотками электромеханического преобразователя, общий вывод вторичного источника питания подсоединен к соединенным между собой силовым выводам упомянутых интегрирующих цепей и к общему выводу делителя напряжения, а его потенциальные выводы подсоединены к цепям питания упомянутых компараторов соответственно. Возможны дополнительные варианты выполнения регулируемого вентильного электродвигателя для погружных насосных агрегатов, в которых целесообразно, чтобы - был введен блок гальванической развязки, причем упомянутые выходы первого, второго и третьего компараторов были бы соединены с первым, вторым и третьим входами логического блока управления через блок гальванической развязки; - был введен другой блок гальванической развязки, причем упомянутые выходы логического блока управления были бы соединены с управляющими входами инвертора через этот блок гальванической развязки; - был введен другой блок гальванической развязки, а первый, второй и третий выходы инвертора были бы соединены с первым, вторым и третьим входами делителя напряжения через этот блок гальванической развязки. Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 изображает функциональную схему заявленного вентильного электродвигателя для погружных насосных агрегатов; фиг. 2 - временную диаграмму сигнала на выходе третьего компаратора при пуске; фиг. 3 - то же, что на фиг. 2, на выходе первого компаратора при начальном напряжении, отличном от напряжения на выходе третьего компаратора; фиг. 4 - то же, что на фиг. 3, на выходе второго компаратора при начальном напряжении, отличном от напряжения второго компаратора; фиг. 5 - временную диаграмму сигнала на выходе третьей интегрирующей цепи при пуске; фиг. 6 - то же, что на фиг. 5, на выходе первой интегрирующей цепи; фиг. 7 - то же, что на фиг. 5, на выходе второй интегрирующей цепи; фиг. 8 - временную диаграмму сигнала на выходе третьего компаратора при пуске; фиг. 9 - то же, что на фиг. 8, на выходе первого компаратора при одинаковом начальном напряжении с третьим компаратором; фиг. 10 - то же, что на фиг. 8, на выходе второго компаратора при одинаковом начальном напряжении с третьим компаратором; фиг. 11 - временная диаграмма сигнала на выходе третьей интегрирующей цепи при одинаковых начальных напряжениях компараторов при пуске; фиг. 12 - то же, что на фиг. 11, на выходе первой интегрирующей цепи; фиг. 13 - то же, что на фиг. 11, на выходе второй интегрирующей цепи; фиг. 14 - временная диаграмма сигнала на выходе третьего компаратора в установившемся режиме; фиг. 15 - то же, что на фиг. 14, на выходе первого компаратора; фиг. 16 - то же, что на фиг. 14, на выходе второго компаратора; фиг. 17 - временная диаграмма сигнала на первом выходе логического блока управления; фиг. 18 - то же, что на фиг. 17, на втором выходе логического блока управления; фиг. 19 - то же, что на фиг. 17, на третьем выходе логического блока управления; фиг. 20 - то же, что на фиг. 17, на четвертом выходе логического блока управления; фиг. 21 - то же, что на фиг. 17, на пятом выходе логического блока управления; фиг. 22 - то же, что на фиг. 17, на шестом выходе логического блока управления; фиг. 23 - временная диаграмма сигнала на первой фазовой обмотке электромеханического преобразователя в установившемся режиме; фиг. 24 - то же, что на фиг. 23, на второй фазовой обмотке электромеханического преобразователя; фиг. 25 - то же, что на фиг. 23, на третьей фазовой обмотке электромеханического преобразователя. Регулируемый вентильный электродвигатель (фиг. 1) для погружных насосных агрегатов содержит электромеханический преобразователь 1, выполненный из трех фазовых обмоток 2, 3, 4 и из индуктора 5 на постоянных магнитах. Устройство содержит инвертор 6, логический блок управления 7, шесть управляющих выходов которого соединены с шестью управляющими входами инвертора 6, три компаратора 8, 9, 10, три фильтра 11, 12, 13, три интегрирующие цепи 14, 15, 16. Первый вход первого компаратора 8 соединен с выходом первого фильтра 11, первый вход второго компаратора 9 соединен с выходом второго фильтра 12, а первый вход третьего компаратора 8 соединен с выходом третьего фильтра 13. Второй вход первого компаратора 8 соединен с выходом первой интегрирующей цепи 14, второй вход второго компаратора 9 соединен с выходом второй интегрирующей цепи 15, второй вход третьего компаратора 10 соединен с выходом третьей интегрирующей цепи 16, таким образом, в результате указанного соединения образуется кольцевое подключение. Выход первого компаратора 8 соединен с первым входом логического блока управления 7 и со входом третьей интегрирующей цепи 16, выход второго компаратора 9 соединен со вторым входом логического блока управления 7 и со входом первой интегрирующей цепи 14, а выход третьего компаратора 10 соединен с третьим входом логического блока управления 7 и со входом второй интегрирующей цепи 15. Для решения поставленной задачи в предлагаемый электродвигатель введены выходной трансформатор 17, вторичный источник питания 18, гальванически развязанный от первичной питающей цепи и выполненный с общим и потенциальными выводами. Введен делитель напряжения 19, выполненный трехфазным и первый выход которого соединен со входом третьего фильтра 13, второй выход соединен со входом первого фильтра 11, а третий выход соединен со входом второго фильтра 12. Первый выход инвертора 6 соединен с первым входом делителя напряжения 19 и с первым входом выходного трансформатора 17, второй выход инвертора 6 соединен со вторым входом делителя напряжения 19 и со вторым входом выходного трансформатора 17, а третий выход инвертора 6 соединен с третьим входом делителя напряжения 19 и с третьим входом выходного трансформатора 17. Первый, второй и третий выходы выходного трансформатора 17 соединены соответственно с первой 2, второй 3 и третьей 4 фазовыми обмотками электромеханического преобразователя 1. Общий вывод вторичного источника питания 18 подсоединен к соединенным между собой силовым выводам упомянутых интегрирующих цепей 14, 15, 16 и к общему выводу делителя напряжения 19, а его потенциальные выводы +Uп и -Uп подсоединены к цепям питания +Uп и -Uп упомянутых первого 8, второго 9 и третьего 10 компараторов соответственно. В вариантах выполнения изобретения (фиг. 1) устройство может иметь блок гальванической развязки 20. При этом выходы первого, второго и третьего компараторов 8, 9, 10 соединены с первым, вторым и третьими входами логического блока управления 7 через блок гальванической развязки 20. Может быть также введен блок гальванической развязки 21 (фиг. 1), а выходы логического блока управления 7 могут быть соединены с управляющими входами инвертора 6 через блок гальванической развязки 21. Устройство также может содержать блок гальванической развязки 22, а первый, второй и третий выходы инвертора 6 могут быть соединены с первым, вторым и третьим входами делителя напряжения 19 через блок гальванической развязки 22. На фиг. 1 также показаны выпрямитель 23, используемый при питании от трехфазной цепи питания сети переменного тока, и регулятор 24 напряжения питания для изменения частоты вращения вентильного двигателя. Выводы питания Uпит. инвертора 6 в этом случае подключены к выходам регулятора 24, а вторичный источник питания 18 гальванически развязан от сети питания. Регулируемый вентильный электродвигатель для погружных насосных агрегатов работает следующим образом. При пуске на выходах третьего, первого и второго компараторов 10, 8, 9 устанавливаются произвольные значения выходного сигнала. Пусть на выходах упомянутых компараторов 10, 8, 9 установилось напряжение, соответствующее моменту времени t1 (фиг. 2, 3, 4). Под действием этого напряжения происходит изменение выходного напряжения третьей 16, первой 14 и второй 15 интегрирующих цепей (фиг. 5, 6, 7). После того, как на выходе второй интегрирующей цепи 15 изменится полярность напряжения в момент времени t2, второй компаратор 9 переключится. Это вызовет перезаряд первой интегрирующей цепи 14. В момент времени t3 переключится первый компаратор 8. Далее произойдет перезаряд третьей интегрирующей цепи 16 и переключится третий компаратор 10. Этот процесс будет происходить периодически. Если при включении на выходах всех компараторов 8, 9, 10 устанавливаются одинаковые напряжения (фиг. 8, 9, 10), то интегрирующие цепи 14, 15, 16 начнут перезаряжаться в одном направлении. Допустим, на выходе третьей интегрирующей цепи 16 напряжение изменит знак в момент времени t2 в первую очередь. Третий компаратор 10 переключится. Изменится знак второй интегрирующей цепи 15. С момента времени t2 (фиг. 8 - 13) процессы будут происходить аналогично показанным на фиг. 2 - 7 с момента времени t4. Таким образом, на выходах первого, второго и третьего компараторов 8, 9, 10 будут сформированы сигналы с длительностью 180o, смещенные относительно друг друга на 120o, независимо от уровня напряжений начального состояния. Логический блок управления 7 формирует на своих выходах сигналы управления ключами инвертора 6 (фиг. 14 - 22). Инвертор 6 может быть выполнен по трехфазной двухполупериодной схеме. Под действием этих управляющих сигналов происходят поочередные переключения ключей инвертора 6, что приводит к периодическому переключению обмоток выходного трансформатора 17 к напряжению, задаваемому регулятором 24 через трансформатор 17, при этом на фазовые обмотки 2, 3, 4 подается напряжение, показанное на фиг. 23, 24, 25. В результате в электромеханическом преобразователе 1 наводится вращающееся электромагнитное поле, под действием которого индуктор 5 осуществляет свое вращение. Пуск электродвигателя происходит в синхронном режиме. В процессе вращения индуктора 5 в фазовых обмотках 3, 3, 4 наводится ЭДС вращения индуктора 5. Через выходной трансформатор 17 величины напряжений, соответствующие ЭДС вращения, поступают на вход делителя напряжений 19. Уменьшенные по амплитуде эти напряжения через первый, второй и третий фильтры 11, 12, 13 поступают на первые входы первого, второго и третьего компараторов 8, 9, 10. Воздействуя по первым входам упомянутых компараторов 8, 9, 10б эти напряжения, соответствующие ЭДС вращения, ускоряют моменты переключения компараторов 8, 9, 10 и тем самым переводят вентильный двигатель на коммутацию по положению ротора, так как амплитуда перезаряда первой, второй и третьей интегрирующих цепей 14, 15, 16 с ростом частоты вращения уменьшается. Таким образом, электродвигатель разгоняется до частоты вращения, задаваемой напряжением регулятора 24. На номинальной частоте вращения напряжения на выходе интегрирующих цепей 14, 15, 16 стремятся к потенциалу общего вывода вторичного источника питания 18, так первая, вторая и третья интегрирующие цепи 14, 15, 16 не успевают реагировать на частные изменения напряжений на выходе первого, второго и третьего компараторов 8, 9, 10 за счет выбора соответствующей постоянной интегрирования. Очередность переключения первого, второго и третьего компараторов 8, 9, 10 сохранится аналогичной, показанной на фиг. 2, 3, 4, и определяется моментами перехода через "ноль" сигналов ЭДС вращения с учетом задержки их первым, вторым и третьим фильтрами 11, 12, 13. Момент перехода на коммутацию по положению определяется чувствительностью упомянутых компараторов 8, 9, 10 и может происходить после первых дискретных изменений пространственного положения вектора поля индуктора 5. Угол опережения включения фаз фазовых обмоток 2, 3, 4 электромеханического преобразователя 1 может дополнительно регулироваться изменением временной задержки выходных сигналов первого, второго и третьего фильтров 11, 12, 13. Вторичный источник питания 18 выполнен гальванически развязанным и может быть подключен своим входом непосредственно к сети переменного тока (фиг. 1) или к любому другому источнику напряжения, например к выходу выпрямителя 23. Посредством гальванически развязанного вторичного источника питания 18 напряжение на выходе первого, второго и третьего компараторов 8,9, 10 поддерживается симметричным относительно силовых выводов интегрирующих цепей 14, 15, 16 и постоянным, независимо от напряжений на выходах инвертора 6, а следовательно, и от частоты вращения электродвигателя. Поэтому частота вращения вентильного электродвигателя зависит только от напряжения Uпит., подаваемого на цепь питания инвертора 6. Выходы первого, второго и третьего компараторов 8, 9, 10 могут быть подключены ко входу логического блока управления 7 через блок гальванической развязки 20 (фиг. 1). Этим дополнительно достигается потенциальная развязка слаботочных и сильноточных электрических цепей для повышения надежности работы информационной части электродвигателя. Выходы логического блока управления 7 могут быть подключены к управляющим входам инвертора 6 через блок гальванической развязки 21 (фиг. 1). В этом случае силовые ключи инвертора 6 потенциально развязаны по отношению к другим схемам управления, что повышает помехозащищенность устройства в целом. Трехфазный делитель напряжения 19 может быть выполнен с гальванически развязанным входом посредством введения блока гальванической развязки 22 (фиг. 1). В этом случае входы информационной аналоговой системы, образуемой делителем напряжения 19, гальванически развязаны по отношению к высокому потенциалу на выходах инвертора 6, что также улучшает помехозащищенности регулируемого вентильного электродвигателя. Выполнение инвертора 6, логического блока управления 7 и других электронных узлов проводится в соответствии с известными техническими решениями и не составляет предмета настоящего изобретения. Таким образом, введение выходного трансформатора 17, делителя напряжения 19 и выполнение связей между электронными элементами в соответствии с приведенной функциональной схемой позволяет удалить электромеханический преобразователь 1 на большие расстояние от инвертора 6, то есть от электронной части электродвигателя на большие расстояния, например до нескольких километров, при этом за счет повышения на выходе выходного трансформатора 17 можно снижать сечение токопроводов к фазам и тем самым уменьшать вес и стоимость токопроводов, и, следовательно, электродвигателя для погружных насосных агрегатов в целом. Гальванически развязанный вторичный источник напряжения 18, а также трехфазный делитель напряжения 19 позволяют обеспечить синхронный пуск двигателя, регулирование частоты его вращения в вентильном режиме, то есть с обратной связью по положению индуктора 5 относительно фаз электродвигателя при связи электромеханического преобразователя 1 только по трем проводам, что повышает надежность и снижает стоимость регулируемого вентильного электродвигателя. Наиболее успешно заявленный регулируемый вентильный электродвигатель для погружных насосных агрегатов может быть использован при эксплуатации глубоких скважин для добычи нефти, воды и других флюидов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Регулируемый вентильный электродвигатель для погружных насосных агрегатов, содержащий электромеханический преобразователь, выполненный из трех фазовых обмоток и индуктора, выполненного на постоянных магнитах, инвертор, логический блок управления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами инвертора, три компаратора, три фильтра, три интегрирующих цепи, причем первый вход первого компаратора соединен с выходом первого фильтра, первый вход второго компаратора - с выходом второго фильтра, а первый вход третьего компаратора - с выходом третьего фильтра, второй вход первого компаратора соединен с выходом первой интегрирующей цепи, второй вход второго компаратора - с выходом второй интегрирующей цепи, второй вход третьего компаратора - с выходом третьей интегрирующей цепи, выход первого компаратора соединен с первым входом логического блока управления и входом третьей интегрирующей цепи, выход второго компаратора - со вторым входом логического блока, управления и входом первой интегрирующей цепи, а выход третьего компаратора - с третьим входом логического блока управления и входом второй интегрирующей цепи, отличающийся тем, что введены выходной трансформатор, вторичный источник питания, гальванически развязанный от первичной питающей цепи и выполненный с общим и потенциальными выводами, делитель напряжения, выполненный трехфазным и первый выход которого соединен со входом третьего фильтра, второй выход - со входом первого фильтра, а третий выход - со входом второго фильтра, первый выход инвертора соединен с первым входом делителя напряжения и первым входом выходного трансформатора, второй выход инвертора - со вторым входом делителя напряжения и вторым входом выходного трансформатора, а третий выход инвертора - с третьим входом делителя напряжения и третьим входом выходного трансформатора, первый, второй и третий выходы выходного трансформатора соединены соответственно с первой, второй и третьей фазовыми обмотками электромеханического преобразователя, общий вывод вторичного источника питания подсоединен к соединенным между собой силовым выводам упомянутых интегрирующих цепей и к общему выводу делителя напряжения, а его потенциальные выводы подсоединены к цепям питания упомянутых компараторов соответственно. 2. Регулируемый вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что введен блок гальванической развязки, причем упомянутые выходы первого, второго и третьего компараторов соединены с первым, вторым и третьими входами логического блока управления через блок гальванической развязки. 3. Регулируемый вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что введен блок гальванической развязки, причем упомянутые выход логического блока управления соединены с управляющими входами инвертора через блок гальванической развязки. 4. Регулируемый вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что введен блок гальванической развязки, а первый, второй и третий выходы инвертора соединены с первым, вторым и третьим входами делителя напряжения через блок гальванической развязки.

www.freepatent.ru