Вентильные двигатели (ВД) сочетают в себе преимущества машин постоянного тока, имея разнообразные механические характеристики, хорошие регулировочные свойства и бесконтактность асинхронных машин. Поэтому ВД также называют бесконтактными двигателями постоянного тока.
Вентильный двигатель представляет собой систему (рис. 7.4, t), состоящую из синхронной машины СМ, датчика положения ротора ДПР, установленного на его валу, и внешнего электронного коммутатора ЭК, выполняющего роль коллектора обычной машины постоянного тока. Синхронная машина имеет фазные обмотки на статоре (якоре) и ротор с обмоткой возбуждения или постоянные магниты из материалов, имеющих большую коэрцитивную силу (до 6.103 кА/м).
Электронный коммутатор обеспечивает ступенчатое изменение фазных напряжений. Он включает в себя распределитель импульсов РИ, управляющий транзисторами Т1 —Т6 инвертора И.
Принцип работы ВД поясняют диаграммы фазных напряжений (рис.). Если ротор синхронной машины СМ находится в положении 0°, то открыты транзисторы Т1, Т3 и Т6. При этом, как следует из диаграмм, обмотки статора А и С присоединяются параллельно к положительному полюсу источника питания. Поэтому на каждой из них будет напряжение 1/3 U, а на обмотке В — 2/3 U (положение 1 на диаграмме фазных напряжений).
Рис. Частотно-регулируемый электропривод с вентильным двигателем:
а — принципиальная схема; б — векторные диаграммы напряжений на зажимах обмотки статора и графики фазных напряжений
При повороте ротора на 30° закрывается транзистор Т1 и открывается Т2. Фазные напряжения становятся такими, как изображено в положении 2 на диаграмме рис. 7.4, 6. Изменится и векторная диаграмма фазных токов. Каждое положение токов и фазных напряжений сохраняется в течение времени поворота ротора на 60°. Таким образом, в расточке статора образуется вращающееся магнитное поле, с которым синхронно вращается ротор.
Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов выполняются на мощности до 30 кВт обычно в многоплюсном исполнении. В этом диапазоне мощности ВД с постоянными магнитами имеют меньшие габариты и массу и более высокий КПД по сравнению с ВД, имеющими обмотку возбуждения. В последнем случае обмотка возбуждения ВД получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки. Регулирование частоты вращения ВД может осуществляться изменением напряжения U и тока возбуждения (при наличии обмотки возбуждения). Для получения высокого качества регулирования в статических и динамических режимах в электроприводах с ВД используются различные обратные связи. Диапазон регулирования скорости, который можно получить в системе привода с ВД, имеющими дополнительную обратную связь по скорости, может достигать 1:50 000.
По сравнению с асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя частоты, вентильный двигатель обладает следующими преимуществами: лучший КПД вследствие отсутствия потерь на скольжение, малый момент инерции и вследствие этого более высокое быстродействие и лучшая управляемость.
На заводе АЛНАС (г. Альметьевск) изготовлены и проведены испытания ВД привода погружных насосов. Помимо оптимизации добычи нефти применение регулируемого по частоте вращения ВД вместо нерегулируемых в настоящее время асинхронных двигателей обеспечивает следующие преимущества:
возможность автоматической адаптации к объемному притоку пластовой жидкости в скважине позволяет провести вывод скважины на режим и поддержание оптимального динамического уровня пластовой жидкости и подачи, что приводит к повышению добычи на 30 %;
регулирование частотой вращения обеспечивает возможность сократить номенклатуру применяемых погружных насосных установок и, как следствие, сократить эксплуатационные расходы;
радиальная сила одностороннего тяжения уменьшилась в 7 раз, а прогиб вала в 4 раза;
удельный вращающийся момент на единицу массы увеличился на 30 %;
ток двигателя уменьшился на 20 %, потери в меди и подводящем кабеле уменьшились на 30 %; КПД двигателя увеличился на 11 %.
Принципиальная электрическая схема частотно-регулируемого электропривода погружного насоса с вентильным двигателем изображена на рис. 2.
АООТ "Подольсккабель" освоено серийное производство для погружных насосов нефтепогружного кабеля марки КППБПТ (КППБКТ), рассчитанного для эксплуатации в скважинах с температурой до 120 °С.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема частотно-регулируемого электропривода погружного насоса с вентильным двигателем:
УВ — управляемый выпрямитель; ИТ — инвертор тока; М — электродвигатель; ДПР — датчик положения ротора; БУИ — блок управления инвертором; БУВ — блок управления выпрямителем
Особенностью кабеля является применение изоляции из радиационно-сшитого полиэтилена высокой плотности и оболочки-протектора из сополимера пропилена. По сравнению с кабелем марки КРБК (КПБК) они характеризуются большим уровнем надежности.
