Регулируемый вентильный электродвигатель для погружных насосных агрегатов

 

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 +U_п и -U_п подсоединены к цепям питания +U_п и -U_п 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 U_пит. 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 180^o, смещенные относительно друг друга на 120^o, 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 U_пит., 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3