Элементы теории вентильного привода (простыми словами о сложном)

В нефтяной промышленности используются погружные асинхронные и вентильные электродвигатели. Асинхронные электродвигатели в этой области применяются уже давно, вентильные — совсем недавно. В статье мы постараемся доступно рассказать об основных идеях, лежащих в основе вентильного привода, его сходство и различия с асинхронным собратом.

Определение вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель (ВД) — синхронный бесколлекторный двигатель постоянного тока используемый совместно с системой электронного управления, обеспечивающей синхронизацию вращения электромагнитного поля с вращением ротора.

Обозначение в зарубежной литературе

В зарубежной литературе прямого аналога названия «вентильный электродвигатель» нет. Здесь приняты общие аббревиатуры для обозначения синхронных бесколлектроных электродвигателей постоянного тока — BLDC или PMSM:

    BLDC — Brushless DC electric motor (бесколлекторный электродвигатель постоянного тока).
    PMSM — Permanent Magnet Synchronous Motor (синхронный двигатель с постоянными магнитами).

По сути это так и есть, но в нашей стране в понятие «вентильный электродвигатель» вкладывается еще и то, каким образом происходит управление двигателем. Т.е. это комплексное определение, говорящее о том, что это бесколлекторный двигатель постоянного тока, используемый совместно со специальной системой управления.>

Конструкция

Конструктивно вентильный электродвигатель, как и любой электродвигатель состоит из статора, ротора и узлов для поддержки ротора (подшипники).

Статор

Статор — неподвижная часть электродвигателя, содержащая обмотки якоря, служащая для создания вращающегося электромагнитного поля внутри двигателя.

Ротор

Ротор — вращающаяся часть электродвигателя, представляющая собой вал с электромагнитом или с постоянными магнитами. В первом случае к обмоткам ротора подключается источник постоянного тока.

В зависимости от количества магнитов, расположенных в поперечном сечении ротора двигатель будет иметь то или иное количество полюсов.

В погружных вентильных электродвигателях используемых в нефтяной отрасли ротор содержит постоянные магниты. Как правило погружные ВД выпускаются 8-ми и 4-х полюсными.

При одной и той же частоте вращения электромагнитного поля статора, частота вращения вентильного электродвигателя с большим количеством пар полюсов будет меньше. Так, если скорость вращения 8-ми полюсного электродвигателя 1500 об/мин, то 4-х полюсный при той же частоте поля будет вращаться с частотой 3000 об/мин.

Принцип работы

Принцип работы вентильного электродвигателя

Вентильный электродвигатель (в отличие от асинхронного или коллекторных двигателей) не является самодостаточным и его работа невозможна без специальной электронной системы управления. Ее задача в зависимости от положения ротора подавать электрический ток на обмотки статора таким образом, чтобы создаваемое при этом электромагнитное поле притягивало полюса магнитов ротора, поворачивая тем самым его на определенный угол. Затем система управления подает ток на соседние обмотки статора и ротор продолжает вращение уже притягиваемый к ним. Таким образом статор создает вращающаяся электромагнитное поле, а ротор синхронно следует за ним.

Здесь, одно из ключевых отличий вентильного (синхронного) и асинхронного двигателей.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

В асинхронном электродвигателе ротор также следует за вращающимся электромагнитным полем, однако с меньшей скоростью. Этот эффект называется «скольжением». И это неотъемлемое свойство асинхронного электродвигателя. Именно благодаря ему становится возможным работа асинхронного двигателя.

Его ротор представляет собой обмотку с короткозамкнутыми витками , по виду напоминающую беличью клетку прутья которой — стержни с торцов соединенные кольцами.

Вращающееся электромагнитное поле статора наводит в роторе ЭДС, в стержнях ротора начинает течь ток, в результате чего возникает магнитное поле, которое и заставляет вращаться ротор вслед за магнитным полем, создаваемым статором. Именно то, что поле статора движется относительно ротора является условием возникновения электромагнитного поля в роторе. Если ротор заставить вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статором, то ЭДС в роторе наводится не будет! Таким образом скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля.

Синхронный же двигатель не требует возбуждения ЭДС ротора от магнитного поля, создаваемого статором, магнитное поле здесь уже присутствует без его участия. Поэтому ротор синхронного электродвигателе вращается строго с частотой поля, создаваемого обмотками статора.
Если установить частоту вращения синхронного двигателя равной 3000 об/мин, то это значит, что и магнитное поле двигателя, создаваемого обмотками статора равна 3000 об/мин. Частота вращения асинхронного двигателя в тех же условиях будет 2910 об/мин.

Система управления вентильным электродвигателем

Как было уже сказано выше, вращение вентильного электродвигателя обеспечивает специальная электронная система управления. Ее общее название — инвертор (преобразователь).

Инвертором в данном случае называют электронную систему, осуществляющую подачу напряжения частота которого не зависит от частоты питающего напряжения на обмотки электродвигателя.

Инвертором оснащаются не только синхронные (вентильные) электродвигатели, но асинхронные — там где требуется регулирование частоты вращения.

Существуют два основных подхода (принципа) в управлении вентильными электродвигателями:

    1. Управления коммутацией (6-ти пульсное управление);
    2. Векторное управление.

Управление коммутацией

При управлении коммутацией (при трехфазной системе подключения) постоянное напряжение подается одновременно только на две фазы обмотки статора, третья обмотка остается не подключенной к источнику тока. При работе электродвигателя система управления следит за положением ротора, подавая напряжение определенной полярности на соответствующую пару обмоток таким образом, чтобы возбуждаемое в статоре магнитное поле увлекало за собой ротор, заставляя его вращаться.
Частота вращения ротора регулируется величиной коммутируемого к обмоткам ротора постоянного напряжения. При этом частота коммутаций подстраивается под изменение частоты вращения ротора.

И еще раз обратим ваше внимание! Не частота вращения ротора изменяется от частоты вращения поля, а поле подстраивается под частоту вращения ротора. Инвертор регулирует частоту вращения ротора изменяя ток и/или напряжение коммутируемое к обмоткам.

Определение положения ротора

Для определения положения ротора существуют различные методы:

    — при помощи датчиков (например датчика Холла);
    — бездатчиковый.

В погружных вентильных электродвигателях используется бездатчиковый метод определения положения ротора, т.к. применение датчиков в данном случае невозможно в силу специфики эксплуатации.

В бездатчиковом методе при вращении двигателя определение положение ротора осуществляется по значению ЭДС, наводимой в свободной фазе (к которой в данной момент не подводится питающее напряжение) обмотки статора. При движении ротора ЭДС в свободной фазе меняется и переход ее через 0 является «отметкой» положения ротора.

При таком методе управления в обмотках статора течет ток по форме близкий к трапецеидальному.

Данный способ управления характеризует простота и надежность, что позволяет управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях — сотни метров и даже километры, что актуально для нефтяного погружного оборудования.

Векторное управление

Суть векторного управления в построении точной математической модели электродвигателя и управление ею — подачей частотно-модулируемого напряжение одновременно на все фазы двигателя, такой частоты и величины (для каждой из фаз эти параметры будут индивидуальны в каждый момент времени), чтобы создаваемый в обмотках статора синусоидальный ток обеспечивал вращение ротора в наиболее благоприятных с электрической точки зрения условиях: сдвиг фаз магнитных потоков ротора и статора близок к 90 градусам.

Метод позволяет очень точно управлять электродвигателем. Метод наиболее ресурсоемкий в в плане математических вычислений, однако развитие микропроцессорной техники позволяет компенсировать это. Применение его на коротких линиях очень эффективно, однако использование на длинных линиях ставит перед разработчиками множество преград, решение которых — нетривиальная задача.

Векторное управление или управление коммутацией?

С точки зрения математики — векторное управление наиболее естественное для вентильного электродвигателя. С точки зрения технологий и опыта эксплуатации в нефтяной промышленности — системы с управления коммутацией. Однозначно ответить на вопрос что же эффективнее — нельзя. В каждой конкретной ситуации на весах должны быть много факторов: и математика, и уровень технологий и область применения, и экономическая эффективность и подготовка персонала, эксплуатирующего оборудование.