НАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ПОГРУЖНЫМ ЛИНЕЙНЫМ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
PUMP PLANT WITH BOREHOLE LINER AC CONVERTER-FED MOTOR

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на повышение энергетических показателей установок для подъема жидкости с больших глубин погружными установками с насосами объемного действия, приводимыми в действие погружными линейными электродвигателями.
Известна погружная насосная установка, содержащая насос и погружной линейный электродвигатель. Электродвигатель содержит неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса (патент США №7316270 В2, кл. МКИ F04B 17/04, U.S. C1. 166/105, от 2005 г.).
Установка не имеет датчика положения бегуна, поэтому не может иметь высокие энергетические показатели.
Известна насосная установка, содержащая погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса, и управляющий электронный блок, выход силовой части которого электрически связан с обмоткой статора (евразийский патент №009268 В1, кл. F04B 47/06, приоритет 17.10.2004).
Данная установка также имеет недостаточно высокие энергетические показатели, обусловленные отсутствием датчика положения бегуна. Действительно, линейный электродвигатель постоянно работает в режиме пуска и реверса, а даже самая совершенная наземная система управления, не имеющая физического датчика положения, не позволяет определить положение бегуна в начальный момент пуска. Пуск получается затянутым, что приводит к дополнительным потерям в двигателе и установке в целом при пуске.
Цель изобретения состоит в повышении энергетических показателей установки.
Поставленная цель достигается тем, что в насосной установке, содержащей погружную часть, включающую в себя насос и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун), выполненные с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора, корпус электродвигателя механически связан с корпусом насоса, бегун механически связан с подвижной частью насоса, управляющий электронный блок, выход силовой части которого электрически связан с обмоткой статора, управляющий электронный блок выполнен состоящим из наземного и погружного блоков, погружной блок выполнен в виде инвертора, размещенного в герметичном корпусе с нормальным давлением внутри, корпус инвертора механически связан с корпусом электродвигателя, выход инвертора электрически связан с обмоткой через гермовводы, электродвигатель снабжен датчиком положения бегуна, выход чувствительных элементов датчика связан с управляющими цепями инвертора через дополнительные гермовводы, а наземный блок выполнен с возможностью регулирования постоянного напряжения на выходе.
Наземный блок наиболее целесообразно выполнять в виде последовательно соединенных входного выпрямителя, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного выпрямителя. Такое выполнение позволяет отказаться от входного трансформатора с рабочей частотой 50 или 60 Гц, имеющего большую массу, габариты и стоимость, сохраняя возможность гальванической развязки погружной части от питающей сети и возможность регулирования выходного напряжения. Развязка необходима для работы системы измерения сопротивления изоляции погружной части электропривода.
Кабель может содержать либо одну силовую изолированную жилу, либо две. В первом случае функцию второго провода выполняет земля и напорно-компрессорная труба. Такое выполнение установки позволяет дополнительно упростить ее конструкцию и снизить стоимость. В случае применения двух жил, одна из них может не иметь электрической изоляции, что также приводит к снижению стоимости установки.
Управляющий блок инвертора содержит счетчик шагов бегуна по сигналам датчика положения и выполнен с возможностью осуществления реверса при достижении заданного числа шагов. Это позволяет исключить для бегуна возможность контакта с ограничителями перемещения бегуна и связанные с ней всплески потребляемого тока и потери мощности.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематически изображена установка с погружным инвертором и двухпроводной линией питания.
На фиг.2 схематически изображена установка с погружным инвертором и однопроводной линией питания.
Установка содержит насос 1 и погружной линейный вентильный электродвигатель, включающий в себя неподвижную часть (статор) 2 с обмоткой и расположенную внутри статора подвижную часть (бегун) 3. Статор и бегун выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения бегуна относительно статора. Корпус 4 электродвигателя механически связан с корпусом 5 насоса, бегун механически связан с подвижной частью 6 насоса.
Управляющий электронный блок установки состоит из наземного 7 и погружного 8 блоков. Электродвигатель снабжен датчиком 9 положения бегуна, погружной блок выполнен в виде инвертора 10, размещенного в герметичном корпусе 11 с нормальным давлением воздуха внутри, корпус инвертора связан с корпусом электродвигателя. Выход инвертора электрически связан с цепью питания и обмоткой через гермовводы 12, выход чувствительных элементов датчика положения связан с управляющим блоком 13 инвертора через дополнительные гермовводы 14. Наземный блок выполнен в виде последовательно соединенных входного выпрямителя 15, однофазного высокочастотного инвертора-регулятора 16 и выходного выпрямителя 17.
Трансформатор 18 однофазного высокочастотного инвертора-регулятора обеспечивает гальваническую развязку выходного выпрямителя и всей погружной части установки от питающей сети. Нагнетательный клапан 19 и впускной клапан 20 обеспечивают правильную работу насоса. Перекачиваемая пластовая жидкость поступает на поверхность Земли через насосно-компрессорную трубу 21.
Как показано на фиг.1, одноименные полюса выхода наземного блока и питания инвертора соединены между собой изолированным двухпроводным кабелем. Такая схема может найти применение, в частности, в установках, предназначенных к работе в агрессивной среде.
Возможна также конструкция, показанная на фиг.2, в которой первый полюс силового выхода наземного блока связан с первым полюсом цепи питания погружного инвертора изолированным кабелем, а вторые полюса выхода выпрямителя 17 наземного блока и питания инвертора соединены с электрически связанными между собой элементами конструкции установки (насосно-компрессорной трубой 21, корпусом 5 насоса, корпусами 4 электродвигателя и 11 инвертора). В этом случае одна из групп ключей погружного инвертора должна быть обязательно электрически соединена с корпусом.
Работа установки происходит следующим образом. На входные зажимы наземного блока 7 подается напряжение стандартной сетевой частоты 50 Гц. Оно выпрямляется входным выпрямителем 15 наземного блока 7. Преобразование уровня напряжения и регулирование выходного напряжения осуществляется в однофазном высокочастотном инверторе-регуляторе. Частота работы ключа в инверторе-регуляторе на несколько порядков превышает сетевую, поэтому габариты трансформатора 18 в несколько раз ниже габаритов традиционно применяемых в нефтедобыче трансформаторов с номинальной частотой 50 Гц. Трансформатор 18 служит для гальванической развязки питающей сети и погружной части и для повышения уровня напряжения, что позволяет снизить потери в кабеле. После высокочастотного преобразования напряжение выпрямляется в выходном выпрямителе 17 наземной части. Управление скоростью бегуна осуществляется уровнем подводимого к погружному блоку 8 напряжения. Коммутация ключей инвертора 10 осуществляется по сигналу с датчика 9 положения бегуна.
При подаче напряжения на погружной блок 8 инвертор 11 по сигналам с чувствительных элементов датчика 9 положения бегуна подключает к источнику именно те обмотки двигателя, ток в которых обеспечит максимальное движущее усилие на бегуне. Бегун 3, преодолевая давление столба жидкости, приходит в движение, перемещая поршень 6 насоса, закрывая впускной клапан 20 и вытесняя жидкость через открывающийся нагнетательный клапан 19 на поверхность Земли.
Блок 13 управления инвертором 10 погружного блока 8 по сигналам датчика 9 положения бегуна отсчитывает заранее известное число периодов, соответствующее длине хода бегуна 3, после чего изменяет направление движения.
Частота пусков-реверсов может достигать 200 в минуту, поэтому чрезвычайно важно, чтобы пуск электродвигателя осуществлялся в оптимальном режиме.
В насосной установке, выполненной согласно изобретению, наличие погружного инвертора, управляемого от физического датчика положения, позволяет повысить энергетические показатели установки за счет уменьшения потерь мощности при пуске.
Реверсирование по сигналам с датчика положения бегуна, а не по превышению тока при упоре бегуна в ограничители, также способствует повышению КПД установки.