РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H02P6/00 F04D13/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах погружных насосных агрегатов, в частности, для добычи воды, нефти и т.д. или в других регулируемых электроприводах.

Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, расположенный в скважине и подключенный к преобразователю частоты, размещенному на поверхности и управляемому по сигналам датчика положения ротора электромеханического преобразователя, совмещенного с ним конструктивно (Патент РФ N 2129669, F 04 D 13/06, опубликованный 27.04.1999 г.).

Недостатком известного вентильного электродвигателя является выполнение датчика положения ротора в виде конструктивного элемента, расположенного на электромеханическом преобразователе, что требует дополнительного информационного кабеля для связи преобразователя частоты с электродвигателем и резко увеличивает стоимость всего привода.

Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, ротор которого выполнен в виде индуктора на постоянных магнитах, преобразователь частоты, датчик положения ротора, выполненный в виде электронного блока, выходы которого подключены к входам преобразователя частоты (Патент РФ N 2088039, кл. H 02 P 6/00, опубликованный 20.08.1997 г.).

Указанный электродвигатель имеет низкий КПД при управлении электромеханическим преобразователем, удаленным на большое расстояние, например, при использовании в скважинах для добычи различных жидкостей из-за протекания больших токов, а также низкую надежность и высокую стоимость из-за использования преобразователя частоты с общим вводом.

Технический результат данного изобретения заключается в повышении КПД, надежности и снижении стоимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, ротор которого выполнен в виде индуктора на постоянных магнитах, преобразователь частоты, датчик положения ротора электромеханического преобразователя, выполненный в виде электронного блока, выходами подключенного к входам преобразователя частоты, введены силовой трансформатор, силовой кабель и делитель напряжения, вход силового трансформатора соединен с выходами преобразователя частоты, а выходы через силовой кабель - с фазными выводами электромеханического преобразователя, входы датчика положения ротора электромеханического преобразователя подключены к выходам делителя напряжения, входы которого соединены с выходами силового трансформатора непосредственно или через гальваническую развязку.

Дополнительно силовой трансформатор может быть выполнен с изменяющимся коэффициентом трансформации.

Из уровня техники не были обнаружены источники информации, в которых использовались все признаки отличительной части формулы изобретения, и, следовательно, условия патентоспособности - изобретательский уровень и новизна - выполнены.

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулируемого вентильного электродвигателя для погружных насосных агрегатов;
на фиг. 2, 3 - варианты выполнения регулируемого вентильного электродвигателя для погружных насосных агрегатов.

Регулируемый вентильный электродвигатель для насосных агрегатов содержит электромеханический преобразователь 1 (фиг. 1), ротор которого выполнен в виде индуктора 2 на постоянных магнитах, преобразователь частоты 3, датчик 4 положения ротора электромеханического преобразователя, выполненный в виде электронного блока, выходы которого подключены ко входам преобразователя частоты, а входы - к выходам делителя напряжения 5. Входы силового трансформатора 6 подключены к выходам преобразователя частоты 3, а выходы соединены через силовой кабель 8 с фазными выводами 7 электромеханического преобразователя.

Вход делителя напряжения может быть подключен непосредственно к выходам силового трансформатора (фиг. 2). В этом случае делитель выполнен в виде резистивного делителя.

Вход делителя напряжения может быть подключен к выходу силового трансформатора через гальваническую развязку (фиг. 3). В этом случае делитель может быть выполнен в виде трансформатора тока и (или) напряжения. При этом в качестве первичной обмотки используется участок 10 силового кабеля, а вторичные обмотки трансформатора 11 образуют выходы делителя.

Преобразователь частоты может быть выполнен на 76 Вт модулях с питанием цепи постоянного тока от источника 9 регулируемого напряжения (фиг. 3) по обычной трехфазной схеме исполнения.

Силовой трансформатор может иметь два, три и более выводов вторичной обмотки для изменения коэффициента трансформации, что обеспечивает изменение его выходного напряжения. Данное обстоятельство позволит компенсировать потери напряжения в силовом кабеле при изменении его длины.

Электродвигатель относится к бездатчиковым вентильным электродвигателям, у которых взаимное положение фаз электромеханического преобразователя 1 и индуктора 2 определяется электронным блоком, формирующим сигналы управления преобразователем 3 частоты по сигналам напряжения и (или) тока на входе фаз электромеханического преобразователя 1.

Работает регулируемый вентильный электродвигатель для погружных насосов следующим образом.

При подключении питающего напряжения датчик 4 положения ротора начинает формировать сигналы управления ключами преобразователя частоты. Ключи преобразователя частоты 3 поочередно подключают обмотки силового трансформатора 6 к источнику 9 регулируемого напряжения. Трансформатор 6 повышает напряжение для компенсации потерь в силовом кабеле 8, длина которого может достигать нескольких километров. В зависимости от длины силового кабеля 8 может быть выбран соответствующий вывод вторичной обмотки силового трансформатора 6. Со вторичной обмотки напряжение через силовой кабель 8 подается к фазным выводам 7 электромеханического преобразователя 1. За счет переменной частоты, задаваемой переключающимися ключами преобразователя частоты 3, в электромеханическом преобразователе 1 создается вращающееся поле и индуктор 2 (ротор) начинает вращаться. Сигналы с выхода трансформатора 6 подаются на делитель напряжения 5, где они уменьшаются и приводятся к величине, согласованной со входом датчика 4 положения ротора. Датчик 4 анализирует сигналы на выходе трансформатора 6 и формирует сигналы управления по положению ротора. Под действием этих сигналов происходит включение и выключение соответствующих комбинаций, включенных состояний ключей преобразователя частоты 3.

При изменении длины силового кабеля 8 меняется коэффициент трансформации силового трансформатора 6, при этом происходит изменение величины напряжения на входе делителя напряжения 5. Однако ЭДС вращения, которая находится на фазах 7, поступает на вход делителя напряжения 5 и, следовательно, на вход датчика 4 положения ротора без изменения независимо от коэффициента трансформации трансформатора 6. Также и информация о токе в фазах электромеханического преобразователя 1, поступающая на вход датчика 4, не зависит от коэффициента трансформации. Таким образом, независимо от длины силового кабеля 8, или другими словами от глубины спуска погружного насосного агрегата, информация на входе датчика 4 положения ротора полностью соответствует току и напряжению на входе электромеханического преобразователя. При этом не надо перестраивать параметры датчика 4 положения ротора при изменении глубины спуска погружного насосного агрегата, что обеспечивает, в конечном счете, высокий КПД электродвигателя и повышает надежность, т.к. нет необходимости в дополнительной настройке системы управления вентильным электродвигателем при изменении длины силового кабеля.

Кроме того, при формировании величины напряжения на выходе преобразователя частоты 3 за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) высокочастотная составляющая выходного напряжения фильтруется при прохождении через силовой трансформатор 6, рассчитанный на прохождение частоты, кратной частоте вращения электродвигателя. Напряжение, поступающее через делитель 5 на вход датчика 4 положения ротора, не содержит высокочастотной составляющей несущей частоты ШИМ-модуляции. Это значительно увеличивает помехоустойчивость и надежность работы датчика 4 положения ротора и электродвигателя в целом.

Таким образом, наличие силового трансформатора и делителя напряжения, подключенного к его выходу, позволяет удалять электромеханический преобразователь от электронной части электродвигателя на большие расстояния (до нескольких километров), изменять глубину подвески погружной части насосного агрегата без перестраивания параметров электропривода, при этом за счет повышения напряжения на выходе выходного трансформатора можно снижать сечение силового кабеля и тем самым уменьшать его вес и стоимость, а следовательно, и всего электродвигателя.

Делитель напряжения, подключенный к выходу трансформатора, позволил получить достоверную информацию об электрических параметрах электродвигателя и обеспечить пуск и регулирование частоты вращения в вентильном режиме, т.е. с обратной связью по положению индуктора относительно фаз электродвигателя при связи электромеханического преобразователя с электронной частью только по трем проводам, что повышает надежность и снижает стоимость регулируемого вентильного электродвигателя для погружных насосных агрегатов.

Регулируемый вентильный электродвигатель может быть использован в погружных насосных агрегатах для добычи воды, нефти. В вентильном электродвигателе выводы фаз электромеханического преобразователя с ротором в виде индуктора на постоянных магнитах через силовой кабель подключены к выходам силового трансформатора. Входы последнего соединены с выходами преобразователя частоты, управляемого по сигналам датчика положения ротора в виде электронного блока. Входы датчика положения ротора соединены с выходами делителя. Входы делителя соединены с выходами силового трансформатора непосредственно или через гальваническую развязку. Технический результат заключается в том, что повышается КПД, надежность и снижается стоимость. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, ротор которого выполнен в виде индуктора на постоянных магнитах, преобразователь частоты, датчик положения ротора электромеханического преобразователя, выполненный в виде электронного блока, выходами подключенного к входам преобразователя частоты, отличающийся тем, что введен силовой трансформатор, силовой кабель и делитель напряжения, входы силового трансформатора соединены с выходами преобразователя частоты, а выходы через силовой кабель - с фазными выводами электромеханического преобразователя, входы датчика положения ротора подключены к выходам делителя напряжения, входы которого соединены с выходами силового трансформатора непосредственно или через гальваническую развязку. 2. Регулируемый вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что силовой трансформатор выполнен с изменяющимся коэффициентом трансформации.