Электропривод Советский патент 1978 года по МПК H02K41/04 

(54) ЭЛЕКТРОПРИВОД

Изобретение относится к области электротехники и предназначается для использования преимущественно в погруженном варианте для привода глубипных насосов поршневого типа в скважин.ах,. в частности нефтяных. Известен электропривод, включающий лпнейный синхронный двигатель, состоящий нз индуктора с обмоткой возбул депия и якоря, выполненного из чередующихся магнитных и немагнитных участков, длина которых равна полюсному шагу индуктора 1. Однако такое устройство позволяет сформировать только симметричный режим работы электродвигателя, что не обеспечивает распознавание положений якоря. Кроме того, для управления электродвигателем в любых положениях его хода требуется дополнительный канал связи для передачи информации в цепи управления, что в целом приводит к усложнению системы управления электродвигателем. Известен и другой электропривод, содержащий асинхронный двигатель возвратно-поступательного движения, состоящий из зубчатого индуктора с многофазной обмоткой, подключенной к цепи питания через реверсивный блок, соединенный с блоком управления, якоря с короткоза.мкнутой обмоткой, датчиков положения, и блок защиты с реле перегрузки 2. Данный электропривод является п;1иОолгс близким к опис1 1вае ц1 1 изобретешпо. Индуктор двигателя вьиш-чно:- в виде двух пакетов, набранных из пластин э.юктрогсхиической стали, с пазами, в которые уложена обмотка однофазного или многоф;1зного переменного тока. Пакеты индуктора крепятся Bii три ко|1пуса. Якорь двигате.1я выполнен плоским и набран из продольных пластин э.юктротехн :ческой стали с пазами, где уложены медные стержни, концы которых жестко соединены между собой медной пластиной по двум сторонам якоря, образчя короткозамкнутук обмотку. Якорь на подшипниках скольжения пометен в корпус двигателя между пакетам индуктора. Для осуществления реверса якоря служат датчики положения якоря, канал связи, блок управления для формирования cin-нала на ком.мутацию силовых цепей и реверсивный блок для коммутации силовых цепей. Датчики положения состоят из стержня ностоянного магнита, прикрепленного на крон штейне к одной нз боковых сторон якоря, и двух катушек индуктивности, закрепленных на внутренней боковой поверхности двигате/и.

Блок управления состоит из полупроводникового устройства для формирования управляющего импульса.

Реверсивный блок выполнен на тиристорах.

Блок защиты с реле перегрузки служит для предупреждения перегрева обмоток электродвигателя при аварийных ситуациях.

Недостатком этого электропривода является сложность его конструктивного выполнения. В корпусе двигателя указанного электропривода, предназначенного для использования в наземных условиях, размещены дополнительные элементы: катущки индуктивности, магнитный стержень, кабель связи, необходимые для целей управления. В связи с этим увеличивается поперечный размер двигателя, что не позволяет погружать его в скважину для привода глубинных насосов погружного типа. Наличие кабеля свя: и конст1)ктивно усложняет систему управления з.лектропривода, .что особенно неприемлемо для исиользог ания двигателя в условиях погружения его в скважину.

Целью изобретения является упрощение э.1сктр01гривода в отнощении конструктивного выполнения как двигателя, так и системы управления путем обеспечения фор.мирования в силовых обмотках индуктора сигнала о иоложемии якоря в крайних точках его хода и передачи по силовому кабелю питания сигнала в исполHiiiX./ihHbifi .механиз.м для осу1лествления реверса ; Б11Г1 те, и разграничения при это.1 крайнеги )XHero (.:1езог1)) и Kpaiu-iero нижнего (пра|и)Г(Г по.ю/кения якоря.

.| а:1;1мыая цель достигается тем, что якорь снабжен двумя, играющими роль датчиков, по.южспии концевымн участками, один из которых Bbino.iHCH из не.магнитного материала, а яр гой - из чередуюиихся немагнитных и ферромагнитных колец, и введен фильтр-реле симметричных составляющих тока, подключенный своим выходом к блоку управления, к которому подключен также выход реле перегрузки, причем щирина ферромагнитных колец определяегся из соотно1иения

Ь, b qtj (ni - 1),

i де b-п.1ирина ферромагнитного ко.льца;

b,,-- ширина паза индуктора;

q - число пазов на полюс и фазу;

1 -зубцовый щаг;

m - число фаз.

Немагнитные кольца могут быть выполнены из диэлектрического материала, например фторопласта.

Целесообразно часть обмотки индуктора, расположенную со стороны участка с чередующимися кольцами, защунтировать конденсаторами.

На фиг. 1 изображен двигатель электропривода, продольный разрез; на фиг. 2 сечение по .Л - А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - структурная схема системы управления двигателем электропривода; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема электропривода.

Электропривод содержит асинхронный двигатель возвратно-поступательного движения, который состоит из цилиндрического зубчатого индуктора 1 с трехфазной обмоткой 2, якоря 3 с

короткозамкнутой обмоткой 4 и устройства для реверса якоря.

Индуктор 1 имеет магнитопровод 5, составленный из п - числа продольных пакетов, набранных из полос электротехнической стали с пазами для катущек многофазной обмотки 2. Пакеты магнитопровода жестко зафиксированы на концах, вместе с обмоткой пропитаны электроизоляционными смолами или лаком и вставлены внутрь цилиндрического корпуса 6 с охлаждающими ребрами жесткости. Катушки трехфазной обмотки 2 двух фаз в торцовой части индуктора защунтированы конденсатором Ci, показанным на фиг. 5, на длине не менее двух полюсных щагов индуктора.

С внутренней стороны индуктор с целью защиты обмоток двигателя от окружающей среды скважины имеет тонкостенную рубащку 7. Рубащка изготовлена методом спекания из окиси алюминия, являющейся изолятором и хорощим проводником тепла. На рубашку 7 надеты кольца 8. Их магнитная проницаемость равна проницаемости материала .магнитопровода индуктора.

Каждое кольцо 8 расположено по середине зуба .магнитопровода индуктора.

Якорь 3 двигателя расположен внутри герметизированного тонкостенной рубашкой 7 индуктора 1 в подщипниках 9, установленных во фланцах 10 двигателя. Якорь состоит из трех участков, которые по его длине имеют один диа.метр и соединены между собой жестко с помощью центрального стержня 11. Средний участок якоря имеет короткозамкнутую обмотку 4 и выполнен из п-числа нродольных пакетов 12, набранных из полос электротехнической стали с профильными (открытыми, полузакрытыми, закрытыми) пазами 13. Короткозамкнутая обмотка 4 якоря, образованная за счет заполнения электропроводящим материалом (медью, алюминием) кольцевых профильных пазов 13 и продольньгх пазов 14, представляет собой многоступенчатую беличью клетку, связывающую пакеты якоря в монолитное тело. Один конец якоря выполнен в виде втулки 15 из немагнитного материала, например фторопласта, длиной от трех и более полюсных щагов индуктора. Противоположный конец якоря длиной от четырех и более полюсных щагов индуктора выполнен из чередующихся между собой ферромагнитных 16 и немагнитных 17 колец. Ширина каждого ферромагнитного кольца 16 определяется из соотнощения

Ь.„ Ь qtz(m- 1),

где b - ширина ферромагнитного кольца.

Ь„-щирина паза индуктора;

q - чисяо пазов на полюс и фазу;

1г-зубцовый шаг;

m - число фаз.

Расстояние между поперечными осями симметрии каждых двух ферромагнитных колец равно величине полюсного щага индуктора.

Конец якоря с чередующимися ферромагнитными и немагнитными кольцами может быть выполнен в трех вариантах.

Вариант 1. Ширина ферромагнитных колец выполнена переменной величины, которая постоянно возрастает от средней части якоря к его концу, а немагнитные кольца выполнены из диэлектрического материала, например, фторопласта. Этот вариант показан на фиг. 1. Вариант 2. Каждое ферромагнитное кольцо на концевом участке якоря выполнено одинаковой ширины, равной ширине паза индуктора. Кольца расположены так, что в статическом состоянии двигателя, они находятся напротив пазов индуктора, в которые уложены катушки только одной из фаз, например, фазы А трех4)азной обмотки двигателя. При этом немагнитные кольца имеют ширину 21;,+ Ь,, где i - зубцовый шаг индуктора, bj- ширина зуба индуктора. Вариант 3. Каждое ферромагнитное кольцо на концевом участке якоря выполнено одинаковой ширины, равной . Кольца расположены так, что они перекрывают одновременно пазы индуктора, в которые уложены обмотки двух рядом расположенных фаз, например А и В, а кольца из немагнитного материала выполнены шириной t + bj,. Электропривод содержит также реверсивный блок 18, через который многофазная обмотка двигателя подключена к цепи питания, блок управления 19, соединенный с реверсивным блоком 18, фильтр-реле 20 симметричных составляюших тока, подключенный своим выходом к блоку управления 19, и блок защиты 21 с реле перегрузки, причем выход реле перегрузки подключен к блоку управления 19. Реверсивный блок 18 (см. фиг. 5) собран на тиристорах, включенных в две фазы. Причем управление тиристорами выполнено на герметизированных реле Р,, Р типа РМУГ. В блоке 18 установлены трансформаторы тока ТР:, TPj для питания токовых реле зашиты PMi,PMj, РМП. Максимальные реле PMi и РМ использу ются для зашиты двигателя при значительных перегрузках, двигатель отключается без выдержки времени. Реле перегрузки РМП предназначается для отключения двигателя по току в пределах J;;,,,, (перегрузки) 1,2-1,3 J, потребляемого в конце хода подвижного якоря. Первичные обмотки трансформатора тока ТР.з включены последовательно в главные цепи питания двигателя. Для подключения фильтра симметричных составляющих типа ФТ вторичные обмотки трансформатора тока ТРЗ соединяются в звезду. При подаче несимметричной системы токов на входные зажимы фильтра-реле 20 фильтрреле не пропустит токов прямой и нулевой последовательности, и в реле Ц и Р будет проходить ток, пропорциональный по величине только току обратной последовательности на входе фильтра. Блок управления 19 обеспечивает реверс двигателя при достижении якорем крайнего правого или левого хода (нижнего или верхнего положения), осуществляет полное открытие тиристоров в цепи переменного тока, необходимое для работы силовых элементов в. роли, аналогичной контактору. Блок защиты 21 отключает двигатель при перегрузках, коротких замыканиях и обрыве одной из фаз. При подаче питания двnгaтev ю по силовому кабелю в индукторе 1 создается бегущее электромагнитное поле, которое наводит ЭДС в короткозамкнутой обмотке 4 якоря 3. Эта ЭДС создает электромагн)1тное поле якоря. В результате взаимодействия полей якорь 3 перемещается внутри индуктора 1. При вхождении в поле индуктора концевого участка с ферромагнитными кольцами 16 возникают силы одностороннего магнитного притяжения, якорь 3 затормаживается до полной остановки. При этом торможение происходит плавно, так как во взаимодействие вступают кольца, ширина которых возрастает. Силы магнитного притяжения наиболее сильно развиваются, когда паз индуктора перекрывается ферромагнитным кольцом. Так как ферромагнитные кольца 16 перекрывают одновременно несколько пазов, в которые уложены катушки фаз А и В, а также возможен случай, когда ферромагнитное кольцо перекрывает паз только одной фазы из трех,ТО это приводит к несимметричному режиму ра,боты двигателя. Несимметричный режим работы двигателя может быть представлен в виде системы токов прямой и обратной последовательности. При прохождении таких токов через фильтр-реле 20 на входе выделяется только ток обратной последовательности. Реле Р-. и Р.| срабатывают от данного тока и подают сигнал на осуществление реверса двигателя через блок управления 19. В процессе движения участка якоря с ферромагнитными кольцами Гб наступает такой мо.мент, когда ферромагнитные кольца перекроют пазы с катушками, составляющими часть фазной обмотки, которая зашунтирована конденсатором. При этом наступает явление резонанса токов цепи, которая составлена из части фазной обмотки и конденсатора. При резонансе тока реактивная проводимость конденсатора равна проводимости части обмотки фазы. В этом случае цепь обладает только свойствами цепи с активным сопротивлением. Резонанс достигается за счет разной по величине магнитной проницаемости рабочей части якоря и концевого участка. При резонансе изменяется по величине фазный ток, чем достигается изменение глубины несимметрии режима работы двигателя. Это повышает надежность формирования сигнала о положении якоря в крайних точках. Когда в индуктор входит участок якоря, выполненный в виде втулки из сплощного диэлектрического материала, что эквивалентно увеличению воздушного зазора между якорем и индуктором, происходить резкое увеличение тока в обмотках двигателя, причем этот тот по величине превосходит ток короткого замыкания двигателя при наличии в поле индуктора среднего участка якоря. Следовательно, левый или правый ход якоря различается в первом случае посредством реле РЗ- и Р., во втором случае - посредством реле перегрузки РМП. Управление тиристорным переключателем осуществляется посредством реле Р, и Pj . В данном электроприводе конструкция двигателя и система управления упрощены за счет

исключения дог10лните,:1Ы1ых э.:1е.мёнтов управления и дополнительной линии связи. Это об.тегчает выиолнить двигатель в погружном варианте и использовать его в скважинах для привода глубинных насосов норшневого типа. при добыче нефти и воды..

Формула, изобретения ,

где b -.ширина ферро.магнитного кольца; . Ь„- ширина паза индуктора;

q, - число пазов на полюс и фазу;

t 3y6uoBbm шаг;

m - число фаз.

диэлектрического .материала, например фторопласта. ,.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе;

- , Патент Франции №2056768, кл. .Н 02 К 41/00, 1971,

10

иг.. 2

Риг. 3

А г В С

Y

Ри&. I1 I r7 1 i Г Фаг.5 I