СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2003 года по МПК H02K21/00 H02K5/132 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам с постоянными магнитами, и предназначено для электропитания системы определения инклинометрических параметров и системы передачи данных в бурящихся скважинах диаметром 110 мм и более, с температурой на забое до 150^oС и наибольшим гидростатическим давлением 60 МПа. Изобретение имеет схему параметрической стабилизации преобразуемой мощности для повышения надежности передачи информации по беспроводному каналу связи при изменении электрической проводимости бурового раствора и грунта в широких пределах.

Известен скважинный синхронный генератор забойной инклинометрической системы ЗИС-4, представляющий собой электрическую машину переменного тока с радиальным магнитным потоком, ротор которой выполнен на основе постоянных магнитов. Ротор приводится в движение установленными на корпусе четырьмя ступенями турбин, которые вращаются под действием потока бурового раствора. На валу ротора находятся три шарикоподшипника, защищенные на выходе из корпуса торцевым уплотнителем. Статорная секция генератора закреплена неподвижно относительно корпуса и защищена от проворота посредством пазов и выступов в сердечнике. Выводы статорной обмотки подключены к разъему, через который осуществляется электрическое соединение обмоток генератора с электронным блоком скважинного прибора. По техническому условию ТУ 41-17-028-87 мощность синхронного генератора на активной нагрузке 6 Ом, при частоте вращения ротора 1800 об/мин составляет не менее 120 Вт (ТУ 41-17-028-87 Система забойная инклинометрическая ЗИС-4. Зарегистрировано БЦСМ 056/001128, от 31.03.87).

Основными недостатками указанного скважинного генератора являются попадание агрессивного в химическом отношении бурового раствора в область обмотки статора; ухудшение удельных энергетических показателей синхронного генератора при изменении электрической проводимости грунта и бурового раствора по причине изменения положения рабочей точки на внешней характеристике генератора; ненадежное электрическое соединение между обмоткой статора генератора и герметичным разъемом из-за ограниченного пространства в торцевой части генератора (основная часть этого пространства занята подшипниковым узлом). Указанные недостатки приводят к уменьшению срока межремонтного периода скважинного прибора из-за попадания бурового раствора в активную зону синхронного генератора и нарушения электрического соединения между генератором и герметичным разъемом. Кроме этого, недостатки приводят к срыву передачи данных о местоположении низа буровой колонны при уменьшении мощности передаваемого сигнала вследствие изменения электрической проводимости грунта и бурового раствора, т.е. при изменении нагрузки.

Известен выбранный в качестве прототипа скважинный синхронный генератор герметичного исполнения с приводом через магнитную муфту. Генератор выполнен с радиальным магнитным потоком и с шестиполюсным ротором из постоянных магнитов. Магнитная муфта выполнена в виде зубчатой восьмиполюсной пары из высококоэрцитивных магнитов. Ведущая часть муфты встроена в корпус гидротурбины, а ведомая часть установлена внутри герметичного корпуса на валу генератора. Ведомую и ведущую части разделяет герметичная немагнитная перегородка. Корпус генератора с ведомой полумуфтой полностью герметизирован и заполнен трансформаторным маслом. Ведущая полумуфта с гидротурбиной установлена на радиально-упорных подшипниках, которые защищены от потока бурового раствора корпусом с сальниковыми уплотнениями. Мощность скважинного генератора на активном сопротивлении 5,6 Ом при частоте вращения вала 1400 об/мин составляет порядка 244 Вт (Кузнецов Н.Г., Абрамов О.Л., Хорьков А.К. Турбогенератор скважинных инклинометрических систем герметичного исполнения на базе постоянных магнитов из редкоземельных элементов// НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ, 1997, вып.1).

Недостатками данной конструкции являются ухудшение удельных энергетических показателей генератора при изменении сопротивления нагрузки. Это связано с уменьшением частоты вращения ротора генератора вследствие проскальзывания магнитной муфты при увеличении нагрузки и с изменением положения рабочей точки на внешней характеристике генератора при изменении нагрузки (электрической проводимости бурового раствора и грунта). К недостаткам прототипа можно отнести сложность и нетехнологичность изготовления магнитной муфты малого диаметра, что снижает надежность работы всего устройства в целом.

Задачей настоящего изобретения является сохранение высоких энергетических показателей скважинного генератора при изменении нагрузки в широких пределах, повышение технологичности изготовления, упрощение конструкции, повышение надежности работы всего устройства.

Указанная задача достигается тем, что скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы содержит корпус с расположенной в нем герметичной камерой, имеющей синхронный генератор с аксиальным магнитным потоком, а обмотка статора состоит из катушек, соединяемых коммутатором между собой в зависимости от сопротивления нагрузки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы отличается тем, что синхронный генератор выполнен с аксиальным магнитным потоком, а обмотка статора состоит из катушек, соединяемых коммутатором между собой в зависимости от сопротивления нагрузки.

Предложенная конструкция скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы имеет ряд преимуществ перед прототипом. Появляется возможность стабилизации выходной мощности генератора при изменении нагрузки за счет переключения схемы соединения катушек обмотки статора. Улучшается технологичность изготовления и надежность работы вследствие исключения активной муфты из конструкции скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы. Консольное расположение подшипниковых узлов ротора позволяет исключить подшипниковый узел в торцевом пространстве между статором синхронного генератора и разъемом, что дает возможность сделать надежное многоконтактное соединение обмотки статора с коммутатором.

Изобретение поясняется фиг.1, где показана конструкция скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы. На фиг.2 приведено сечение (по А-А) скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы. На фиг.3 приведен синхронный генератор, расположенный в скважинном электромашинном источнике питания инклинометрической системы. Конструкция немагнитной перегородки поясняется фиг.4. На фиг.5 приведена функциональная схема устройства коммутации обмоток статора. Внешние характеристики скважинного электромашинного источника питания представлены на фиг.6.

Скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы (фиг.1) имеет гидротурбину 1 и корпус 2 (фиг.2), который содержит статор 3 и ротор 4 с высококоэрцитивными постоянными магнитами 5 (фиг.3). Статор 3 (фиг. 1) составляют ярмо 6 (фиг.3) и стержни магнитопровода 7 (фиг.2), на которых расположены катушки обмотки 8. Стержни магнитопровода 7 статора 3 находятся между перегородкой 9 (фиг.4) и каркасом 10 (фиг.3). Высококоэрцитивные постоянные магниты 5 (фиг.3) устанавливаются в обойму 11 и удерживаются внутри ярмом 12 ротора 4 (фиг.1) и концентратором магнитного потока 13, который надежно прижимается обечайкой 14. Ярмо 12 ротора 4 образуется торцевой частью вала 15 (фиг.1), на котором консольно расположены радиально-упорные подшипники 16. Катушки обмотки 8 подключены к коммутатору 17 (фиг. 5). Коммутатор 17 выполняет функцию преобразования переменного тока в постоянный и одновременно функцию переключения катушек обмотки 8, соединение которых зависит от управляющего воздействия с системы управления 18. Система управления 18 подключена к датчику тока 19 и к выходным зажимам коммутатора 17, который соединен также с герметичным разъемом 20 (фиг.1). В зависимости от сопротивления нагрузки скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы обладает внешними характеристиками 21, 22 и 23 (фиг. 6). Коммутатор 17 выполнен на основе полупроводниковых ключей серии Т122-20, ТС122-20. Система управления 18 (фиг.5) построена на основе аналоговых и цифровых микросхем серии КР1561, КР1564, КР1435, КФ1053. Детали 9, 10 и 11 выполняются из немагнитного материала.

Устройство работает следующим образом. К валу 15 прикладывается вращающий момент от гидротурбины 1, и он начинает вращаться вместе с ротором 4. Попадание бурового раствора в полость, в которой вращается ротор 4, не является критичным для работы устройства и не влияет существенным образом на его надежность. Основной выигрыш по надежности дает герметичное исполнение статора 3, что достигается с помощью перегородки 9. Магнитный поток, пересекая воздушный зазор и герметичную перегородку 9, проходит по стержням 7 и замыкается по ярму 6 статора 3, создавая ЭДС в катушках обмотки 8, а на выходе коммутатора 17 необходимое напряжение. На систему управления 18 поступает с датчика тока 19 и выходных зажимов коммутатора 17 информация о токе и напряжении. Системой управления 18 определяется значение электрического сопротивления нагрузки и вырабатывается сигнал на соответствующее переключение катушек обмотки 8. Катушки обмотки 8 включаются последовательно, параллельно или по смешанным схемам. Изменение схемы включения катушек обмотки 8 ведет к изменению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания генератора.

Величина напряжения холостого хода находится по известному выражению
E_o = 4•K_ф•K_o•f•w_ф•Φ_δo, (1)
где К_ф - коэффициент формы кривой;
К_о - обмоточный коэффициент;
f- частота выходного напряжения генератора, Гц;
Φ_δo - магнитный поток в воздушном зазоре, Вб;
w_ф - число витков фазы обмотки якоря

где u_n - число проводников в пазу;
z - количество пазов;
a₁ - число параллельных ветвей обмотки;
a₂ - число параллельных проводов обмотки;
m - число фаз.

Значение тока короткого замыкания в значительной степени зависит от индуктивного сопротивления рассеяния X_s обмотки якоря. При возрастании X_s уменьшается ток короткого замыкания, так как увеличивается внутреннее сопротивление генератора. Выражение для Xs имеет следующий вид:

где р - число пар полюсов;
q - число пазов на полюс и фазу;
l - длина катушки, м;
λ - магнитная проводимость рассеяния.

При изменении схемы включения катушек обмотки 8 изменяется а₂ в выражении 2, например катушки обмотки 8 все включены последовательно a₂=1; катушки обмотки 8 все включены параллельно a₂=s (s - число катушек обмотки); при смешанных соединениях катушек обмотки 1<а₂<s. В соответствии с выражениями 1 и 2 при изменении а₂ изменяется Е_о и X_s (а значит и I_кз), что ведет к изменению наклона внешней характеристики генератора (см. фиг.6). В итоге при изменении сопротивления нагрузки выбирается вид внешней характеристики так, чтобы поддерживать на неизменном уровне максимальную мощность, преобразуемую скважинным электромашинным источником питания инклинометрической системы. Так, например, для трехфазного генератора предлагаемой конструкции (число полюсов 2р= 4; число пазов статора z=6; диаметр машины D_П=60, число проводников в пазу u_П=130; частота вращения ротора w=1500; число катушек обмотки s= 6) на фиг.6 приведены внешние характеристики с выходных зажимов коммутатора 17 (род тока постоянный, так как коммутатор 17 является одновременно выпрямителем):
- при последовательной схеме соединения катушек обмотки 8 внешняя характеристика имеет крутопадающий характер (позиция 21) и максимальную мощность 125 Вт на сопротивлении нагрузки R_н=5,0 Ом;
- при смешанном соединении катушек обмотки 8 (внешняя характеристика 22) значение максимальное мощности составляет 126 Вт на сопротивлении нагрузки R_h=1,5 Ом;
- при параллельном соединении катушек обмотки 8 (внешняя характеристика 23) максимальная мощность составляет 112,5 Вт на сопротивлении нагрузки R_н= 0,5 Ом.

Следует отметить, что подобная параметрическая стабилизация мощности скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы возможна только в случае совместного применения схемы переключения катушек обмотки статора и синхронного генератора с аксиальным магнитным потоком.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам с постоянными магнитами. Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, достигается путем того, что скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы содержит корпус с расположенной в нем герметичной камерой, имеющей синхронный генератор с приводом от гидротурбины, причем синхронный генератор выполнен с аксиальным магнитным потоком, а обмотка статора состоит из катушек, соединяемых коммутатором между собой в зависимости от сопротивления нагрузки. 6 ил.

Скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы, содержащий корпус с расположенной в нем герметичной камерой, имеющей синхронный генератор с приводом от гидротурбины, отличающийся тем, что синхронный генератор выполнен с аксиальным магнитным потоком, а обмотка статора состоит из катушек, соединяемых коммутатором между собой в зависимости от сопротивления нагрузки.