RU2463612C1 - Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors - Google Patents

Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors Download PDF

Info

Publication number
RU2463612C1
RU2463612C1 RU2011104945/28A RU2011104945A RU2463612C1 RU 2463612 C1 RU2463612 C1 RU 2463612C1 RU 2011104945/28 A RU2011104945/28 A RU 2011104945/28A RU 2011104945 A RU2011104945 A RU 2011104945A RU 2463612 C1 RU2463612 C1 RU 2463612C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulses
frequency
rotor
voltage
phase
Prior art date
Application number
RU2011104945/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011104945A (en
Inventor
Александр Юрьевич Ковалев (RU)
Александр Юрьевич Ковалев
Наталья Александровна Ковалева (RU)
Наталья Александровна Ковалева
Евгений Михайлович Кузнецов (RU)
Евгений Михайлович Кузнецов
Original Assignee
Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования (НОУ ВПО) "Академический институт прикладной энергетики
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования (НОУ ВПО) "Академический институт прикладной энергетики filed Critical Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования (НОУ ВПО) "Академический институт прикладной энергетики
Priority to RU2011104945/28A priority Critical patent/RU2463612C1/en
Publication of RU2011104945A publication Critical patent/RU2011104945A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2463612C1 publication Critical patent/RU2463612C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: 4k four-pole magnets with radially magnetised heteropolar zones are arranged on the shaft of the submersible electric motor on dielectric beads positioned on the both butt-end sides of k non-magnetic intermediate bearing of the rotor and having a diameter equal to that of the rotor core assemblies. Two magnets turned towards each other with their analogous poles are mounted on each bead circumferentially, in a diametrically opposite way. All the magnet pairs are oriented in strictly the same direction. During the rotor rotation a frequency sequences of electromotive force pulses are generated in the three-phase winding while a frequency sequences of current pulses are generated in the phases of the power cable feeding the submersible electric motor. With the help of a land-mounted measurement current transformer one performs transformation of the frequency sequences of phase current pulses and the sinusoidal current consumed by the submersible electric motor from three-phase feed voltage. A frequency sequences of voltage pulses proportional to that of phase current pulses is recovered through filtration of the current transformer output voltage with the help of a band pass filter having flange pass bands z-fmjn and z-fmax. With the help of a voltage comparator and a frequency divider a new sequence of rectangular pulses is formed from the recovered pulse frequency sequence, the rectangular pulses repetition frequency is decreased z times and is equal to the submersible electric motor rotation frequency where z is the number of the stator magnetic conductor slots, fmin and fmax are the maximum and minimum allowable frequencies of the submersible electric motor rotation in the ESP unit.
EFFECT: simplification of measurement and measurement results transfer to the surface.
10 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к технике измерения параметров электрических машин и может найти применение в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН), добывающих нефть из глубинных скважин и использующих в качестве привода погружные асинхронные электродвигатели (ПЭД) с короткозамкнутым ротором.The invention relates to techniques for measuring the parameters of electric machines and can be used in installations of electric centrifugal pumps (ESP), which extract oil from deep wells and use squirrel-cage rotary asynchronous electric motors (SEM) as a drive.

Известны способы косвенного определения скорости вращения асинхронных двигателей, при которых информация о скорости получается из математической модели двигателя, заданной в виде системы дифференциальных уравнений, путем применения итерационных методов, наблюдателя высокого порядка и других методов расчета (Bose В.К. Modern Power Electronics and AC Drivers. - Prentice Hall, 2002; Волков А.В. Идентификация потокосцепления ротора частотно-регулируемого асинхронного двигателя // Электротехника. 2002. №6. С.40-46). Косвенные способы определения скорости вращения в настоящее время недостаточно разработаны и не обладают необходимой точностью из-за режимных и температурных изменений параметров реального двигателя, несинусоидальности формы статорных токов и влияния кабеля большой длины в случае глубинных УЭЦН.Known methods for indirectly determining the rotational speed of asynchronous motors, in which speed information is obtained from a mathematical model of the motor given in the form of a system of differential equations, using iterative methods, a high order observer, and other calculation methods (Bose V.K. Modern Power Electronics and AC Drivers. - Prentice Hall, 2002; Volkov A.V. Identification of flux linkage of a rotor of a frequency-controlled asynchronous motor // Electrical Engineering. 2002. No. 6. P.40-46). Indirect methods for determining the rotational speed are currently underdeveloped and do not have the necessary accuracy due to the regime and temperature changes in the parameters of a real motor, the non-sinusoidal shape of the stator currents and the influence of a long cable in the case of deep ESPs.

Известны также механический, оптический, электрический и другие способы прямых измерений скорости вращения валов, механизмов и электродвигателей. Устройства, реализующие механический способ, имеют малую точность и низкую надежность; устройства, реализующие оптический способ, при своей высокой точности измерения очень сложны и неудобны в эксплуатации (Патент Великобритании №1396889, кл. G1A, 1974 г.). Наиболее современными, простыми, удобными и точными являются электрические способы, использующие явление электромагнитной индукции. Известен способ (Карпов Р.Г. Электроника в испытаниях тепловых двигателей. - М.: Машгиз, 1963. С.103-111), по которому получают частотную последовательность импульсов эдс в расположенной на постоянном магните неподвижной сигнальной обмотке за счет пересечения ферромагнитной вставкой, укрепленной на вращающемся валу, поля постоянного магнита, полученную последовательность преобразуют в последовательность импульсов с постоянной длительностью и амплитудой, а эту последовательность импульсов преобразуют далее в аналоговое напряжение, величина которого пропорциональна скорости вращения. Из-за двойного преобразования частотной последовательности импульсов эдс снижается точность способа измерений; кроме того, требуется дополнительное преобразование аналогового выходного напряжения в цифровой код для согласования данного способа измерений с современными системами контроля и управления.Also known are mechanical, optical, electrical and other methods of direct measurement of the speed of rotation of shafts, mechanisms and electric motors. Devices that implement the mechanical method have low accuracy and low reliability; devices that implement the optical method, with its high measurement accuracy, are very complex and inconvenient to use (UK Patent No. 1396889, CL G1A, 1974). The most modern, simple, convenient and accurate are electrical methods using the phenomenon of electromagnetic induction. A known method (Karpov R.G. Electronics in tests of heat engines. - M .: Mashgiz, 1963. P.103-111), by which a frequency sequence of emf pulses is obtained in a stationary signal winding located on a permanent magnet due to the intersection of a ferromagnetic insert, mounted on a rotating shaft, the fields of a permanent magnet, the resulting sequence is converted into a sequence of pulses with a constant duration and amplitude, and this sequence of pulses is converted further into an analog voltage, the value which is proportional to the speed of rotation. Due to the double conversion of the frequency sequence of EMF pulses, the accuracy of the measurement method is reduced; in addition, additional conversion of the analog output voltage to a digital code is required to coordinate this measurement method with modern monitoring and control systems.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемым результатам является способ (Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. - М.: Машиностроение, 1965, С.466-468; Утямышев Р.И. Техника измерений скоростей вращения. М-Л., 1961. С.7-8), в соответствии с которым возбуждают магнитное поле постоянным магнитом, расположенным на вращающемся валу, получают частотную последовательность импульсов эдс за счет пересечения полем постоянного магнита на каждом обороте вала витков неподвижно установленной сигнальной обмотки, обрабатывают индуцированную последовательность импульсов путем заполнения их импульсами стабильной высокой частоты, по числу которых за единицу времени определяют скорость вращения (АС СССР №449302, G01p 3/54, 05.11.74).Closest to the claimed method in terms of technical nature and the achieved results is the method (Ageikin D.I. et al. Sensors of control and regulation. - M .: Mechanical Engineering, 1965, S. 466-468; Utyamyshev RI Technique for measuring rotation speeds . M-L., 1961. S.7-8), in accordance with which the magnetic field is excited by a permanent magnet located on a rotating shaft, a frequency sequence of emf pulses is obtained due to the intersection of the fixed magnet by the field of the permanent magnet at each revolution of the shaft of the fixed signal winding , machining Pipeline pulse sequence induced by filling them with a stable high frequency pulses, the number of which per unit time is determined by the rotational speed (AS USSR №449302, G01p 3/54, 05.11.74).

Недостатком прототипа является сложность реализации в асинхронных ПЭД глубинно-насосных нефтедобывающих УЭЦН, связанная с особенностями конструкции и условиями эксплуатации ПЭД (см. приложение 1), из-за которых установка на его валу частотного датчика индукционного типа с вращающимся постоянным магнитом и неподвижной многовитковой сигнальной обмоткой существенно усложнит его конструкцию и уменьшит надежность. Кроме того, для передачи в наземную станцию управления частотной последовательности импульсов эдс потребуется измерительная многокилометровая (1,5…3,7 км) кабельная линия, которая, как и силовой электропитающий кабель, должна обладать нефтегазостойкостью, допускать работу в агрессивной среде при окружающей температуре 95-110°С и пластовом давлении до 20 МПа, иметь бронезащиту от механических повреждений и большое усилие на разрыв. Размещение такого кабеля вместе с силовым на погружном двигателе в ограниченном объеме действующих нефтяных глубинно-насосных скважин, как правило, практически невозможно.The disadvantage of the prototype is the complexity of the implementation in asynchronous SEMs of deep-pumping oil-producing ESPs associated with the design features and operating conditions of the SEM (see Appendix 1), due to which the installation of a frequency sensor of an induction type with a rotating permanent magnet and a fixed multi-turn signal winding on its shaft significantly complicate its design and reduce reliability. In addition, for transmitting a frequency sequence of EMF pulses to a ground control station, a multi-kilometer (1.5 ... 3.7 km) cable line will be required, which, like the power supply cable, must be oil and gas resistant, allow operation in an aggressive environment at ambient temperature 95 -110 ° C and reservoir pressure up to 20 MPa, have armor protection from mechanical damage and a large tensile force. Placing such a cable together with a power cable on a submersible motor in a limited volume of existing oil well pumping wells is, as a rule, practically impossible.

Задачей настоящего изобретения является упрощение реализации способа в асинхронных ПЭД глубинных нефтедобывающих УЭЦН.The objective of the present invention is to simplify the implementation of the method in asynchronous PEM of deep oil-producing ESP.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе определения скорости вращения, по которому устанавливают на валу электродвигателя постоянный магнит и получают частотную последовательность импульсов эдс, согласно изобретению размещают на валу погружного асинхронного электродвигателя на немагнитных диэлектрических шайбах, находящихся по торцевым сторонам k немагнитных промежуточных подшипников ротора и имеющих диаметр, совпадающий с диаметром его пакетов 4k четырехполюсных магнитов с радиально намагниченными разнополярными зонами, устанавливают на каждой шайбе по окружности диаметрально противоположно два магнита, обращенные друг к другу одноименными полюсами, ориентируют все пары магнитов на шайбах при сборке ротора строго в одном направлении, получают в трехфазной обмотке статора при вращении ротора частотные последовательности импульсов эдс, а в фазах силового кабеля, питающего ПЭД, частотные последовательности импульсов тока, трансформируют наземным измерительным трансформатором тока частотную последовательность импульсов фазного тока и синусоидальный ток, потребляемый ПЭД от трехфазного питающего напряжения, выделяют частотную последовательность импульсов напряжения, пропорциональную частотной последовательности импульсов фазного тока, фильтрацией выходного напряжения трансформатора посредством полосового фильтра, имеющего граничные частоты пропускания z·ƒmin и z·ƒmax, формируют из выделенной частотной последовательности импульсов с помощью компаратора напряжений и делителя частоты новую последовательность прямоугольных импульсов напряжения, частота повторения которых понижена в z раз и совпадает с частотой вращения ротора ПЭД, где z - количество пазов у магнитопровода статора ПЭД, ƒmin и ƒmax - минимально и максимально допустимые частоты вращения ПЭД в УЭЦН (приложение 1).The problem is achieved due to the fact that in the method of determining the rotational speed by which a permanent magnet is installed on the motor shaft and a frequency sequence of emf pulses is obtained, according to the invention, they are placed on the shaft of a submersible induction motor on non-magnetic dielectric washers located on the end sides k of non-magnetic intermediate bearings rotor and having a diameter coinciding with the diameter of its packages of 4k four-pole magnets with radially magnetized bipolar With these zones, two magnets diametrically opposite are mounted on each washer around the circumference, facing each other with the same poles, they orient all pairs of magnets on the washers when the rotor is assembled in exactly one direction, receive frequency sequences of emf pulses in the three-phase stator winding when the rotor rotates, and in the phases of the power cable supplying the SEM, the frequency sequence of current pulses, transform the frequency sequence of phase current pulses and blue the soidal current consumed by the PED from a three-phase supply voltage, a frequency sequence of voltage pulses is allocated that is proportional to the frequency sequence of phase current pulses by filtering the output voltage of the transformer by means of a bandpass filter having boundary transmission frequencies z · min and z · max , formed from the selected frequency sequence pulses using a voltage comparator and a frequency divider a new sequence of rectangular voltage pulses, the repetition frequency to toryh lowered in z and time coincides with the frequency of rotation of the rotor of the SEM, where z - number of slots in the stator yoke SEM, ƒ min and ƒ max - minimum and maximum allowable speed in the SEM ESP (Appendix 1).

Указанная совокупность операций, отличающаяся от известной и не применявшаяся ранее, позволяет получить новый технический результат, который заключается в том, что измерение скорости вращения ПЭД осуществляется без установки на его валу индукционного датчика скорости, функцию которого выполняют конструктивные элементы ПЭД, что упрощает передачу результатов измерений на поверхность и облегчает их съем простым подключением трансформатора тока к фазе наземного участка электропитающего кабеля.The specified set of operations, which differs from the known one and has not been applied before, allows to obtain a new technical result, which consists in measuring the speed of rotation of the SEM without installing an induction speed sensor on its shaft, the function of which is performed by the structural elements of the SEM, which simplifies the transfer of measurement results to the surface and facilitates their removal by simply connecting a current transformer to the phase of the ground section of the power cable.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема реализации способа, на фиг.2 представлен рисунок для пояснения формирования импульсов эдс в проводниках протяжной обмотки статора ПЭД габарита 117, на фиг.3 приведены временные диаграммы функционирования элементов структурной схемы. Она содержит немагнитную диэлектрическую шайбу 1, трехфазную обмотку статора ПЭД 2, силовую электропитающую кабельную линию 3, измерительный трансформатор тока 4, сопротивление 5, полосовой фильтр 6, компаратор напряжений 7 и делитель частоты 8. Две фазы обмотки статора 2 подключены через кабельную линию 3 к двум фазам Ua, Ub трехфазного синусоидального источника напряжений, третья фаза обмотки статора 2 подключена к третьей фазе Uc источника через кабельную линию 3 и первичную обмотку измерительного трансформатора тока 4. Вторичная обмотка трансформатора 4 нагружена на сопротивление 5 и соединена со входами полосового фильтра 6, его выход подключен ко входу компаратора напряжений 7, выход компаратора 7 соединен со входом делителя частоты 8, а выход делителя 8 является выходом схемы, при этом один из выводов вторичной обмотки трансформатора тока 4 заземлен.The invention is illustrated by the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a block diagram of a method implementation, Fig. 2 is a drawing for explaining the formation of emf pulses in conductors of a stator winding winding of a PED of dimension 117, Fig. 3 shows timing diagrams of the functioning of structural block elements. It contains a non-magnetic dielectric washer 1, a three-phase stator winding PED 2, a power supply cable line 3, a current measuring transformer 4, a resistance 5, a bandpass filter 6, a voltage comparator 7 and a frequency divider 8. Two phases of the stator winding 2 are connected via a cable line 3 to the two phases Ua, Ub of a three-phase sinusoidal voltage source, the third phase of the stator winding 2 is connected to the third phase Uc of the source through a cable line 3 and the primary winding of the current measuring transformer 4. Secondary trans winding formatter 4 is loaded with resistance 5 and connected to the inputs of the bandpass filter 6, its output is connected to the input of the voltage comparator 7, the output of the comparator 7 is connected to the input of the frequency divider 8, and the output of the divider 8 is the output of the circuit, while one of the terminals of the secondary winding of the current transformer 4 is grounded.

На фиг.2 представлен немагнитный пакет статора 9, проводники 10 протяжной обмотки, проходящие через пазы немагнитного пакета статора 9, воздушный зазор 11 между немагнитной диэлектрической шайбой ротора 1 и немагнитным пакетом статора 9, четырехполюсный магнит 12 с радиально намагниченными разнополярными зонами.Figure 2 shows the non-magnetic package of the stator 9, the conductors of the long winding 10 passing through the grooves of the non-magnetic package of the stator 9, the air gap 11 between the non-magnetic dielectric washer of the rotor 1 and the non-magnetic package of the stator 9, a four-pole magnet 12 with radially magnetized bipolar zones.

При реализации способа определения скорости вращения ПЭД осуществляют следующие действия. Устанавливают на валу ПЭД при выполнении профилактических или ремонтных работ 4k четырехполюсных магнитов 12 с радиально намагниченными разнополярными зонами, имеющими намагничивающую силу, достаточную для воздействия через воздушный зазор 11 (доли миллиметра, табл.2, приложение 1) при вращении ротора на проводники 10 обмотки статора. Размещают магниты 12 парами на диэлектрических шайбах 1 (фиг.1) по их окружности диаметрально противоположно таким образом, что магниты одной пары расположены друг относительно друга одноименными полюсами. Диэлектрические шайбы являются конструктивными элементами ПЭД (фиг.6, приложение 1), имеют диаметр, равный диаметру пакетов ротора, и находятся по торцевым сторонам k немагнитных промежуточных подшипников ротора.When implementing the method for determining the speed of rotation of the SEM carry out the following actions. Install 4k four-pole magnets 12 with radially magnetized bipolar zones having a magnetizing force sufficient to act through the air gap 11 (millimeter fractions, Table 2, Appendix 1) when the rotor rotates on the stator winding conductors 10 . The magnets are placed in pairs of 12 on the dielectric washers 1 (Fig. 1) around their circumference diametrically opposite so that the magnets of one pair are located relative to each other with the same poles. Dielectric washers are the structural elements of the SEM (Fig.6, Appendix 1), have a diameter equal to the diameter of the rotor packages, and are located on the end faces k of the non-magnetic intermediate rotor bearings.

Ориентируют все пары магнитов на шайбах при сборке ротора ПЭД строго в одном направлении для достижения синхронного и синфазного движения поля каждого из вращающихся магнитов относительно проводников 10 обмотки статора, проходящих через пазы его немагнитных пакетов. Получают в проводниках 10 обмотки статора (например обмотки фазы С) частотную последовательность импульсов разнополярных эдс Евр (фиг.3), претерпевающих инверсию через интервал времени 0,5Т2, где Т2 - период вращения ротора ПЭД. Временная форма этих эдс сложным образом зависит от пространственного распределения магнитного поля, от угловой скорости вращения ω (фиг.2) ротора ПЭД, от геометрии паза, от взаимного расположения магнита 12 и паза, от размеров магнитов, поэтому угловые и радиальные размеры вмонтированных магнитных вставок определяют опытным путем для получения у индуцированных эдс Евр временной формы, по возможности близкой к синусоидальной. В связи с тем, что приращения потокосцепления в проводниках 10 при синхронном и синфазном приближении 4k магнитных вставок к пазу и при удалении от него имеют одинаковые по величине и противоположные по знаку значения, независящие от угловой скорости вращения ω ротора, получают одинаковые по величине вольтсекундные площади у положительного и у отрицательного импульсов индуцированной разнополярной эдс Евр. Это важное свойство обеспечивает преобразование импульсов тока в трансформаторе 4 и в полосовом фильтре 6 без методической погрешности, возникающей в этих элементах структурной схемы тогда, когда импульсы тока в фазе протяжной обмотки ПЭД имеют постоянную составляющую, не равную нулю, а также когда ее величина изменяется из-за изменений амплитуды у этих импульсов.All pairs of magnets on the washers are oriented when the PED rotor is assembled strictly in one direction to achieve synchronous and in-phase motion of the field of each of the rotating magnets relative to the stator winding conductors 10 passing through the grooves of its non-magnetic packets. Receive in the conductors 10 of the stator winding (for example, phase C windings) the frequency sequence of pulses of bipolar emfs Evr (Fig.3), undergoing inversion through a time interval of 0.5T 2 , where T 2 is the period of rotation of the rotor of the SED. The temporal shape of these emfs in a complex way depends on the spatial distribution of the magnetic field, on the angular velocity of rotation ω (Fig. 2) of the PED rotor, on the geometry of the groove, on the relative position of the magnet 12 and the groove, on the size of the magnets, therefore the angular and radial dimensions of the mounted magnetic inserts determined empirically to obtain a induced temporal form, as close as possible to a sinusoidal one, from the induced emfs of Heb. Due to the fact that the increment of flux linkage in the conductors 10 with the synchronous and in-phase approximation of 4k magnetic inserts to the groove and when moving away from it have the same magnitude and opposite in sign values, independent of the angular velocity of rotation of the rotor ω, they obtain the same voltsecond area for positive and negative impulses induced bipolar emf Heb. This important property ensures the conversion of current pulses in the transformer 4 and in the bandpass filter 6 without the methodological error arising in these elements of the structural circuit when the current pulses in the phase of the long winding PEM have a constant component that is not equal to zero, and also when its value changes from due to changes in the amplitude of these pulses.

Получают в фазе С протяжной обмотки ПЭД, распределенной по z/3 пазам пакетов статора, частотную последовательность индуцированных эдс в виде серии импульсов Еф.вр (фиг.3), претерпевающих инверсию через интервал времени 0,5T2 и равных на основании закона электромагнитной индукцииIn phase C of the SEM winding, distributed over the z / 3 grooves of the stator packets, the frequency sequence of the induced emfs is obtained in the form of a series of pulses of Ef.vr (Fig. 3), which undergo inversion through a time interval of 0.5T 2 and are equal on the basis of the law of electromagnetic induction

Figure 00000001
Figure 00000001

где В - магнитная индукция, Т; d - толщина диэлектрической шайбы, м; ν - скорость движения магнитов, м/ с (направления В и ν взаимно перпендикулярны); n - число эффективных проводников в пазу магнитопровода статора ПЭД.where B is the magnetic induction, T; d is the thickness of the dielectric washer, m; ν is the velocity of the magnets, m / s (directions B and ν are mutually perpendicular); n is the number of effective conductors in the groove of the stator magnetic circuit of the PED.

Получают в трех фазах протяжной обмотки статора при вращении ротора три индуцированные последовательности импульсов эдс Еф.вр, смещенные относительно друг друга на угол 120° и создающие в фазе С трехпроводного электропитающего кабеля частотные последовательности импульсов тока Iф.вр (фиг.3), состоящие из z импульсов тока, повторяющихся с частотой вращения ротора ПЭД. Амплитуда у z/3 импульсов примерно в 2 раза больше, чем у 2z/3 импульсов тока, т.к. последние в фазе с образованы за счет действия эдс, индуктированных в обмотки фаз А и В статора ПЭД.Get in three phases of the stator winding during rotation of the rotor three induced pulse sequences of emf Ef.vr, offset from each other by an angle of 120 ° and creating in phase C of a three-wire power cable frequency sequences of current pulses of Ip.vr (Fig. 3), consisting of z current pulses repeating with the rotor speed of the SEM. The amplitude of z / 3 pulses is approximately 2 times greater than that of 2z / 3 current pulses, because the latter in phase c are formed due to the action of the emf induced in the windings of phases A and B of the stator PED.

Трансформируют с помощью измерительного трансформатора тока 4 частотную последовательность импульсов тока Iф.вр вместе с фазным током, потребляемым ПЭД от трехфазного источника Ua, Ub, Uc и превышающим на два-три порядка импульсы тока Iф.вр. Для этого включают первичную обмотку измерительного тансформатора тока 4 в фазу наземного участка электропитающего кабеля 3, а вторичную обмотку нагружают на сопротивление 5 и заземляют одним выводом. Получают в сопротивлении 5 синусоидальное напряжение, пропорциональное току, потребляемому ПЭД от трехфазного источника Ua, Ub, Uc, и частотную последовательность импульсов напряжений, пропорциональную частотной последовательности импульсов тока Iф.вр в фазе С кабеля 3.Using a measuring current transformer, the 4 frequency sequence of current pulses Iph.vr is transformed together with the phase current consumed by the SEM from a three-phase source Ua, Ub, Uc and two to three orders of magnitude greater than the current pulses of Iph.vr. To do this, include the primary winding of the measuring current transformer 4 in the phase of the ground section of the power cable 3, and the secondary winding is loaded on the resistance 5 and is grounded with one terminal. Get in resistance 5 a sinusoidal voltage proportional to the current consumed by the SEM from a three-phase source Ua, Ub, Uc, and a frequency sequence of voltage pulses proportional to the frequency sequence of current pulses Iph.vr in phase C of cable 3.

Отделяют вторую составляющую выходного напряжения трансформатора тока 4 от первой синусоидальной составляющей фильтрацией выходного напряжения посредством полосового фильтра 6 с граничными частотами полосы пропускания z·ƒmin и z·ƒmax и спадом амплитудно-частотной характеристики за граничными частотами, составляющим не менее 80 дБ/дек. Фильтр такого рода обеспечивает уверенное отделение частотных импульсов (фиг.8, приложение 2) напряженияThe second component of the output voltage of the current transformer 4 is separated from the first sinusoidal component by filtering the output voltage using a band-pass filter 6 with the cut-off frequencies of the passband z · min and z · max and the decrease in the amplitude-frequency characteristic beyond the cutoff frequencies of at least 80 dB / dec . A filter of this kind provides reliable separation of frequency pulses (Fig. 8, Appendix 2) of the voltage

Figure 00000002
Figure 00000002

(ki и kф - передаточные коэффициенты трансформатора тока и фильтра) амплитудой в десятки милливольт, во-первых, от превосходящего на два-три порядка синусоидального напряжения, частота которого может изменяться с помощью преобразователя частоты станции управления глубинными УЭЦН в пределах от ƒmin до ƒmax, т.е. от 40 Гц до 60 Гц (см. приложение 1) и, во-вторых, от паразитных напряжений с частотами 5…15 кГц, создаваемых частотным преобразователем.(k i and k f are the transfer coefficients of the current transformer and filter) with an amplitude of tens of millivolts, firstly, from a sinusoidal voltage superior to two to three orders of magnitude, the frequency of which can be changed using the frequency converter of the control station for deep ESPs ranging from от min up to ƒ max , i.e. from 40 Hz to 60 Hz (see Appendix 1) and, secondly, from spurious voltages with frequencies of 5 ... 15 kHz created by the frequency converter.

Преобразуют частотные импульсы напряжения U1 в последовательность прямоугольных импульсов U2 (фиг.3) с помощью компаратора напряжений 7.Frequency voltage pulses U 1 are converted into a sequence of rectangular pulses U 2 (Fig. 3) using a voltage comparator 7.

Формируют из последовательности прямоугольных импульсов напряжения U2 последовательность импульсов U3 на выходе схемы (фиг.1), частота повторения которых понижена с помощью делителя частоты 8 в z раз и совпадает с частотой вращения короткозамкнутого ротора ПЭД.Form from a sequence of rectangular voltage pulses U 2 a sequence of pulses U 3 at the output of the circuit (Fig. 1), the repetition rate of which is reduced by a frequency divider 8 by a factor of z and coincides with the rotation frequency of the short-circuited rotor of the SEM.

Новым в заявляемом способе является размещение на немагнитных конструктивных элементах ротора ПЭД - диэлектрических шайбах постоянных магнитов, ориентированных при сборке ПЭД строго в определенном направлении. Это техническое решение, не вытекающее для специалиста из известного уровня техники, создает в проводниках протяжной трехфазной обмотки статора частотную последовательность импульсов эдс с амплитудой (ф-ла 6, приложение 2), позволяющей использовать обмотку статора ПЭД для определения скорости вращения его короткозамкнутого ротора.New in the claimed method is the placement on non-magnetic structural elements of the rotor of the PED - dielectric washers of permanent magnets oriented during the assembly of the PEM in a strictly defined direction. This technical solution, which does not follow a specialist from the prior art, creates a frequency sequence of emf pulses with amplitude (conductors 6, Appendix 2) in the conductors of a three-phase stator winding, allowing the use of a stator winding of the SEM to determine the rotation speed of its squirrel-cage rotor.

Техническое преимущество способа в сравнении с прототипом и с другими известными способами, реализуемыми в различных датчиках скорости, состоит в том, что передача результатов измерения в станцию управления УЭЦН по предлагаемому способу осуществляется силовым электропитающим кабелем ПЭД без применения специального измерительного многокилометрового кабеля, размещение которого вместе с силовым кабелем в ограниченном пространстве глубинно-насосных скважин, как правило, практически невозможно. Реализация способа не связана, в отличие от прототипа, с существенным усложнением конструкции и снижением надежности ПЭД.The technical advantage of the method in comparison with the prototype and with other known methods implemented in various speed sensors is that the measurement results are transmitted to the control station of the ESP according to the proposed method by the power electric power cable of the SEM without the use of a special measuring multi-kilometer cable, the placement of which together with power cable in a limited space of deep-well wells, as a rule, is almost impossible. The implementation of the method is not associated, unlike the prototype, with a significant complication of the design and a decrease in the reliability of the SEM.

Все это подтверждает техническую и экономическую эффективность способа, реализация которого может быть выполнена с использованием высококоэрцитивных, термостойких постоянных магнитов из самарий-кобальта и ниодим-железо-бора с намагничивающей силой порядка 6·104 кA/м, скважинной кабельной линии типа КПБК и удлинителя типа КПБП, стандартного однофазного измерительного трансформатора тока, например ТНШ-0,66-УЗ (ТЗ), полосового фильтра, построенного на RC-элементах и операционных усилителях (фиг.10, приложение 2), компаратора напряжения на аналоговых интегральных микросхемах типа КР521СА3 и др. и делителя частоты на цифровых интегральных микросхемах типа КР1533ИЕ7 и др.All this confirms the technical and economic efficiency of the method, the implementation of which can be carried out using highly coercive, heat-resistant permanent magnets of samarium-cobalt and nd-iron-boron with a magnetizing force of the order of 6 · 10 4 kA / m, a downhole cable line of the type KPBK and extension cord type KPBP, standard single-phase measuring current transformer, for example ТНШ-0.66-УЗ (ТЗ), a bandpass filter built on RC elements and operational amplifiers (Fig. 10, Appendix 2), analog voltage comparator Integrated circuits such as KR521CA3 and others; and a frequency divider on digital integrated circuits such as KR1533IE7 and others.

Способ может найти применение в частотно-регулируемом энергосберегающем электроприводе для прямого измерения скорости вращения асинхронных ПЭД глубиннонасосных УЭЦН.The method can find application in a frequency-controlled energy-saving electric drive for direct measurement of the speed of rotation of asynchronous SEMs of deep-pumping ESPs.

Приложение 1Annex 1

Конструкция и характеристики погружных электрических двигателейDesign and characteristics of submersible electric motors

Основным видом погружных электродвигателей для привода электроцентробежных насосов (Богданов А.А. Погружные центробежные насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1968. С.131…163; Ивановский В. Н., Пекин С.С., Сабиров А.А. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. - М.: ГУП. Изд-во «Нефть и газ», 2002. С.65…86) являются асинхронные маслозаполненные с короткозамкнутым ротором электродвигатели вертикального исполнения, выполненные в стальном корпусе цилиндрической формы. ПЭД работают в агрессивной среде пластовой жидкости при высокой окружающей температуре (95-110°С), пластовом давлении порядка 20 МПа и в ограниченном объеме: наружный диаметр электродвигателя определяется внутренним диаметром обсадной колонны нефтяной скважины и находится в пределах 96…138 мм. Мощность электродвигателей достигает 500 кВт. Малые диаметры и большие мощности вызывают необходимость увеличивать длину электродвигателей. Например, электродвигатель серии ПЭД диаметром 123 мм мощностью 75 кВт имеет длину 8062 мм. Погружные электродвигатели изготавливают двухполюсными (шаг витков секций обмотки статора 180°) на скорость вращения 3000 синхронных об/мин при номинальной частоте тока статора 50 Гц. Кроме того, они должны обладать высокой надежностью, отдавать максимальную полезную мощность в условиях ограниченного объема и поэтому имеют ряд особенностей.The main type of submersible electric motors for driving electric centrifugal pumps (Bogdanov A.A. Submersible centrifugal pumps for oil production. - M .: Nedra, 1968. P.131 ... 163; Ivanovsky V.N., Beijing S.S., Sabirov A. A. Installations of submersible centrifugal pumps for oil production. - M .: State Unitary Enterprise. Oil and Gas Publishing House, 2002. S.65 ... 86) are vertical-type asynchronous oil-filled with a squirrel-cage rotor made in a cylindrical steel casing. PEMs operate in an aggressive environment of formation fluid at a high ambient temperature (95-110 ° C), reservoir pressure of about 20 MPa and in a limited volume: the outer diameter of the electric motor is determined by the inner diameter of the casing of the oil well and is in the range of 96 ... 138 mm. Power of electric motors reaches 500 kW. Small diameters and large powers make it necessary to increase the length of electric motors. For example, a PED series electric motor with a diameter of 123 mm and a power of 75 kW has a length of 8062 mm. Submersible electric motors are made bipolar (the pitch of the turns of the stator winding sections 180 °) at a speed of 3000 synchronous rpm at a nominal frequency of the stator current of 50 Hz. In addition, they must have high reliability, give maximum useful power in a limited volume and therefore have a number of features.

Для уменьшения потерь в многокилометровом кабеле, питающем ПЭД, улучшения условий запуска и технических характеристик ПЭД электродвигатели выполняются на повышенные напряжения, значительно превышающие напряжение силовой сети 380 В. Напряжение ПЭД зависит от мощности, диаметральных размеров, ряда других условий и составляет от 500 до 3000 В. Это привело к необходимости применения специальных промысловых трансформаторов, повышающих выходное напряжение станций управления. Кроме того, поскольку длина подвески электронасоса в скважине колеблется в больших пределах, соответственно будут колебаться и потери напряжения в кабельной линии. Поэтому для обеспечения на зажимах ПЭД рабочего напряжения с допустимым отклонением ±5% от номинальной величины промысловые трансформаторы выполняются с многоступенчатой регулировкой (до 32 ступеней) напряжения с высокой стороны.To reduce losses in the multi-kilometer cable supplying the SEM, to improve the starting conditions and technical characteristics of the SEM, electric motors are performed at increased voltages significantly exceeding the voltage of the power network 380 V. The voltage of the SEM depends on power, diametrical dimensions, a number of other conditions and ranges from 500 to 3000 V This led to the need for special field transformers that increase the output voltage of control stations. In addition, since the suspension length of the electric pump in the well varies widely, the voltage losses in the cable line will fluctuate accordingly. Therefore, in order to ensure operating voltage at the SEM clamps with an acceptable deviation of ± 5% of the nominal value, field transformers are made with multi-stage adjustment (up to 32 steps) of voltage from the high side.

Для управления режимом добычи нефти применяется энергосберегающее частотное регулирование скорости вращения ПЭД, которое осуществляется с помощью частотных преобразователей, устанавливаемых на станциях управления работой УЭЦН. Диапазон регулирования скорости вращения ПЭД регламентируется заводами-изготовителями, а также ТУ-3381-026-21945400-97, по которому допускается продолжительная работа ПЭД в УЭЦН от минимальной частоты вращения fmin≥40 Гц до максимальной fmax≤60 Гц. При этом максимальная частота ограничивается, как правило, мощностью электронасоса, а минимальная - возможностью срыва подачи пластовой жидкости из глубины скважины на поверхность.To control the regime of oil production, energy-saving frequency regulation of the speed of rotation of the SEM is applied, which is carried out using frequency converters installed at the control stations of the operation of the ESP. The range of regulation of the speed of rotation of the SEM is regulated by manufacturers, as well as TU-3381-026-21945400-97, which allows continuous operation of the SEM in the ESP from a minimum speed of f min ≥40 Hz to a maximum f max ≤60 Hz. In this case, the maximum frequency is limited, as a rule, by the power of the electric pump, and the minimum - by the possibility of disruption of the supply of formation fluid from the depth of the well to the surface.

Основные технические данные погружных электродвигателей, находящихся в эксплуатации на промыслах, приведены в таблице 1. Технические данные погружных электродвигателей российского производства даются в таблице 3. Конструкция электродвигателя серии ПЭД представлена на фиг.4, где приняты следующие обозначения: 1 - вал; 2 - плоский кабель; 3 - штепсельная муфта; 4 - выводные концы обмотки статора; 5 - обмотка статора; 6 - корпус статора; 7 - промежуточный подшипник; 8 - немагнитный пакет статора; 9 - активный пакет статора; 10 - ротор двигателя; 11 - масляный фильтр; 12 - отверстие внутри вала для циркуляции масла; 13 - обратный клапан для заполнения двигателя маслом; 14 - отстойник; 15 - турбинка для циркуляции масла; 16 - опорная пята.The main technical data of submersible electric motors in operation at the fields are given in table 1. Technical data of submersible electric motors of Russian production are given in table 3. The design of the electric motor of the PED series is shown in Fig. 4, where the following notation is adopted: 1 - shaft; 2 - flat cable; 3 - plug connector; 4 - output ends of the stator winding; 5 - stator winding; 6 - stator housing; 7 - an intermediate bearing; 8 - non-magnetic package of the stator; 9 - active stator packet; 10 - engine rotor; 11 - an oil filter; 12 - hole inside the shaft for oil circulation; 13 - check valve for filling the engine with oil; 14 - sump; 15 - turbine for oil circulation; 16 - supporting heel.

Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000003
Figure 00000004

Основными элементами конструкции электродвигателя являются статор и ротор. Статор ПЭД состоит из активных пакетов 9, набранных из отдельных листов отожженной электротехнической стали Э12 или Э13 и из немагнитных пакетов 8, отштампованных из латуни или из немагнитной нержавеющей стали. Немагнитные пакеты служат опорами для подшипников ротора.The main structural elements of the electric motor are the stator and rotor. The stator of the PED consists of active packets 9, assembled from separate sheets of annealed electrical steel E12 or E13 and from non-magnetic packets 8, stamped from brass or non-magnetic stainless steel. Non-magnetic bags serve as bearings for the rotor bearings.

Длина активного пакета определяется расстоянием между подшипниками 7 на валу ротора (исходя из расчета вала на прогиб) и колеблется в пределах 300…450 мм. Длина немагнитных пакетов соответствует ширине промежуточных подшипников ротора и колеблется в пределах 32…45 мм. Активные и немагнитные пакеты статора, чередуясь между собой, плотно посажены в корпусе статора 6 и закреплены с обеих сторон по торцам запорными кольцами. При сборке статора выполняется ряд специальных операций, включающих ориентацию листов статора, запрессовку наборов листов в строго ориентированном состоянии в корпус статора. Число активных пакетов зависит от мощности двигателя, который может быть изготовлен с тремя пакетами, пятнадцатью и больше.The length of the active package is determined by the distance between the bearings 7 on the rotor shaft (based on the calculation of the shaft for deflection) and ranges from 300 ... 450 mm. The length of non-magnetic packages corresponds to the width of the intermediate rotor bearings and varies between 32 ... 45 mm. Active and non-magnetic stator packets, alternating between each other, are tightly seated in the stator housing 6 and are fixed on both sides at the ends by locking rings. When assembling the stator, a number of special operations are performed, including the orientation of the stator sheets, the pressing of the sets of sheets in a strictly oriented state into the stator housing. The number of active packages depends on the power of the engine, which can be made with three packages, fifteen or more.

В пазах статора уложена впротяжку трехфазная обмотка из специального обмоточного провода круглого сечения с пленочной полиимидо-фторопластовой изоляцией, например провода ППИ-У, ПЭУ-200, ПФО, выпускаемого в России и СНГ. Фазы обмотки соединены в звезду. Основные данные обмоток статора погружных электродвигателей серии ПЭД приведены в таблице 2.In the grooves of the stator, a three-phase winding was laid out in a tight way from a special round wire with polyimide-fluoroplastic film insulation, for example, PPI-U, PEU-200, PFD wires manufactured in Russia and the CIS. Winding phases are connected to a star. The main data of the stator windings of submersible electric motors of the PEM series are given in table 2.

Внутри статора размещается ротор 10 (фиг.4) с сердечником. Последний представляет собой набор отдельных пакетов, имеющих каждый самостоятельную короткозамкнутую обмотку. Пакеты ротора шихтуются из отштампованных листов с пазами из электротехнической стали марок Э12, 2212 или 2215. Длина каждого пакета зависит от расстояния междуInside the stator is placed the rotor 10 (figure 4) with a core. The latter is a set of individual packages having each independent squirrel-cage winding. Rotor packages are bursted from stamped sheets with grooves made of electrical steel of grades E12, 2212 or 2215. The length of each package depends on the distance between

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

промежуточными радиальными опорами ротора, которое в свою очередь определяется расчетом на прогиб вала. Количество пакетов зависит от мощности электродвигателя. На фиг.5 показан пакет ротора электродвигателя ПЭД17-119. Обмотка каждого пакета состоит из медных стержней, установленных в его пазах, и медных короткозамыкающих колец, соединяющих стержни по их торцам. Пакеты ротора насаживаются на вал на шпонку и разделяются между собой промежуточными радиальными подшипниками скольжения. Вал ротора пустотелый для обеспечения циркуляции масла, выполнен из высокопрочной стали.intermediate radial bearings of the rotor, which in turn is determined by the calculation of the deflection of the shaft. The number of packages depends on the power of the electric motor. Figure 5 shows the package of the rotor of the electric motor PED17-119. The winding of each package consists of copper rods installed in its grooves and copper short-circuit rings connecting the rods at their ends. The rotor packages are mounted on the shaft on the key and are separated by intermediate radial plain bearings. The rotor shaft is hollow to ensure oil circulation, made of high strength steel.

Ротор электродвигателя типа ПЭД в сборе представлен на фиг.6, где приняты следующие обозначения: 1 - шлицевой конец вала; 2 - пята; 3 - отверстие в валу для циркуляции масла; 4 - турбинка для нагнетания масла; 5 - пакет ротора; 6 - промежуточный радиальный подшипник скольжения; 7 - гайка для крепления роторных пакетов на валу; 8 - отверстие для подачи масла в радиальный подшипник; 9 - шпонка ротора. Основные данные обмоток ротора погружных электродвигателей приведены в таблице 4.The rotor of the electric motor of the type PED assembly is presented in Fig.6, where the following notation is accepted: 1 - splined end of the shaft; 2 - heels; 3 - hole in the shaft for oil circulation; 4 - turbine for pumping oil; 5 - rotor package; 6 - intermediate radial plain bearing; 7 - nut for mounting rotor packages on the shaft; 8 - hole for supplying oil to a radial bearing; 9 - the key of the rotor. The main data of the rotor windings of submersible motors are shown in table 4.

На фиг.6 приведен фрагмент сборочного чертежа электродвигателя типа ЭД32-117, на котором видны элементы конструкции ротора, находящиеся в расточке промежуточного немагнитного пакета статора ПЭД. Имеется радиальная пара трения: подшипник и втулка подшипника с радиальным отверстием, которое должно совпадать с радиальным отверстием 8 (фиг.6) на валу ротора. Регулировка совпадения достигается за счет плоских стальных регулировочных шайб толщиной 0,5 мм, надеваемых на вал по обе стороны втулки подшипника. Вместе с регулировочными шайбами ставятся две шайбы из стеклотекстолита СТЭФ1 толщиной 2 мм, выполняющие роль пары трения с торцом регулировочных шайб. На эти стеклотекстолитовые шайбы, согласно заявляемому способу определения скорости вращения, устанавливают при ремонтном или профилактическом обслуживании ПЭД по окружности шайб с шагом 180° два четырехполюсных высококоэрцитивных и термостойких постоянных магнита с радиально намагниченными разнополярными зонами, встречным расположением полюсов между смежными магнитами, имеющих каждый достаточную намагничивающую силу (более 6×104 кA/м), чтобы воздействовать через воздушный зазор на проводники обмоток статора ПЭД, при этом магниты ориентированы на всех шайбах при сборке ротора строго в определенном направлении, чтобы получить синхронное и синфазное воздействие от поля всех пар вращающихся магнитов на проводники отдельных секций обмотки статора ПЭД.Figure 6 shows a fragment of the assembly drawing of an electric motor of type ED32-117, which shows the structural elements of the rotor located in the bore of the intermediate non-magnetic package of the stator PED. There is a radial friction pair: the bearing and the bearing sleeve with a radial hole, which should coincide with the radial hole 8 (Fig.6) on the rotor shaft. Coincidence adjustment is achieved through flat steel shims of 0.5 mm thickness, worn on the shaft on both sides of the bearing bush. Together with adjusting washers, two washers made of fiberglass STEF1 with a thickness of 2 mm are used, which play the role of a friction pair with the end of the adjusting washers. For these glass-fiber laminate washers, according to the claimed method of determining the rotation speed, two four-pole highly coercive and heat-resistant permanent magnets with radially magnetized bipolar zones with opposing poles between adjacent magnets having each sufficient force (more than 6 × 10 4 kA / m) to act through the air gap on the conductors of the stator windings of the PED, while the magnets They are oriented on all washers when assembling the rotor strictly in a certain direction in order to obtain synchronous and common-mode action from the field of all pairs of rotating magnets on the conductors of individual sections of the stator winding of the PED.

Приложение 2Appendix 2

Моделирование структурной схемы реализации способа определения скорости вращения погружных асинхронных электродвигателейModeling a structural diagram of the implementation of the method for determining the speed of rotation of submersible induction motors

Схемотехническое моделирование (фиг.7) схемы (фиг.1) проведено средствами программы Electronics Workbench 5.12 для погружного электродвигателя ПЭДН32-117-1000, входящего в комплект установки УЭЦНМ5-50-1700 вместе с центробежным насосом 2ЭЦН5-50-1800, кабелем типа КПБК3х16 и промысловым трансформатором ТМПН-100/1170-73ХЛ1, у которого с учетом потери напряжения в кабельной линии рекомендована для данной установки отпайка на стороне ВН с линейным напряжением 1170 В (из материалов по единой комплектации УЭЦН с дополнениями 2007 г.).Circuit modeling (Fig. 7) of the circuit (Fig. 1) was carried out by means of the Electronics Workbench 5.12 program for the PEDN32-117-1000 submersible motor included in the installation kit of the UETSNM5-50-1700 together with a centrifugal pump 2ETsN5-50-1800, cable type KPBK3h16 and a field transformer TMPN-100 / 1170-73KHL1, for which, taking into account the voltage loss in the cable line, a tap on the HV side with a line voltage of 1170 V is recommended for this installation (from materials on a single complete set of ESPs with 2007 additions).

В качестве измерительного трансформатора тока 4, наиболее подходящего для ПЭД32-117-1000, выбран трансформатор марки ТНШ-0,66 -УЗ (Т3) с номинальным первичным током 30 А и нагрузочным сопротивлением 5, равным 1 Ом. Основные данные на ПЭДН32-117-1000 (ТУ-3381-026-21945400-97) приведены и таблице 6.As a measuring current transformer 4, most suitable for PED32-117-1000, a transformer of the TNSh-0.66-UZ (T3) brand with a rated primary current of 30 A and a load resistance of 5 equal to 1 Ohm was selected. The main data on PEDN32-117-1000 (TU-3381-026-21945400-97) are given in Table 6.

Figure 00000007
Figure 00000007

Фазы ПЭД обозначены на фиг.7 блоками stat и представлены в виде многоконтурной схемы замещения (фиг.9б), параметры которой даются в таблице 5 (Ковалев А.Ю. Моделирование погружных асинхронных электрических двигателей в составе установки электроцентробежных насосов: дисс.анд. техн. наук. Омск, 2010). Блоки cab моделируют на схеме фиг.7 фазы скважинного кабеля в виде классической П-образной схемы замещения (фиг.9а), параметры которой определены для кабеля типа КПБК сечением 16 мм2 и длиной 2000 м по известным формулам (Э.М.Ристхейн. Электроснабжение промышленных установок: Учеб. для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 424 с.).The SEM phases are indicated in Fig. 7 by stat blocks and are presented in the form of a multi-circuit equivalent circuit (Fig. 9b), the parameters of which are given in Table 5 (A.Yu. Kovalev. Modeling of submersible asynchronous electric motors as part of the installation of electric centrifugal pumps: diss. And tech. Omsk, 2010). Cab blocks are modeled in the diagram of Fig. 7 of the phase of the borehole cable in the form of a classic U-shaped equivalent circuit (Fig. 9a), the parameters of which are determined for a cable of the KPBK type with a cross section of 16 mm 2 and a length of 2000 m according to well-known formulas (E.M. Risthein. Power supply of industrial plants: Textbook for universities. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 424 p.).

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

где l - длина кабеля, м; F - поперечное сечение, м2; λ - удельная проводимость при 20°С, принимаемая для меди с учетом отбавки на скрутку и нагартовку равной 51,2 МСм/м; α - температурный коэффициент сопротивления, равный для меди 0,004 град-1; tk - температура жилы кабеля, соответствующая температуре пластовой жидкости в скважине и принятая равной 90°С; Dср - среднегеометрическое расстояние между фазными проводниками кабеля; rэкв - приведенный (с учетом формы сечения и поверхностного эффекта) радиус фазного проводника. Отношение

Figure 00000011
для кабеля КПБП сечением 16 мм2, вычисленное на основании данных (Погружные центробежные насосы для добычи нефти, Богданов А.А. Изд-во Недра, 1968 г. - 272с.), составляет 2,6; ω=314 рад/с - угловая скорость вращения ротора ПЭД. Результаты расчета параметров Rл, Lл, Cл представлены в таблице 5 (см. фиг.10).where l is the cable length, m; F is the cross section, m 2 ; λ is the specific conductivity at 20 ° C, adopted for copper, taking into account the twist on the twist and fretting equal to 51.2 MSm / m; α is the temperature coefficient of resistance equal to 0.004 deg -1 for copper; t k is the temperature of the cable core corresponding to the temperature of the formation fluid in the well and taken equal to 90 ° C; D cf - the geometric mean distance between the phase conductors of the cable; r equiv - reduced (taking into account the cross-sectional shape and surface effect) the radius of the phase conductor. Attitude
Figure 00000011
for the KPBP cable with a cross section of 16 mm 2 , calculated on the basis of data (Submersible centrifugal pumps for oil production, Bogdanov A.A. Nedra Publishing House, 1968 - 272 s.), is 2.6; ω = 314 rad / s is the angular velocity of rotation of the rotor of the SEM. The calculation results of the parameters R l , L l , C l are presented in table 5 (see figure 10).

Измерительный трансформатор тока 4 моделируется преобразователем ток-напряжение ТА с передаточным сопротивлением 0,2 Ом. Трехфазное питающее напряжение, подводимое от повышающего трансформатора к жилам кабеля, моделируется фазными напряжениями Ua, Ub, Uc частоты 50 Гц (фиг.7), определенными через известное линейное напряжение Uл=1170 В путем деления его на

Figure 00000012
. Источники Ua.вч, Ub.вч, Uc.вч моделируют наличие в питающем напряжении высших гармонических составляющих за счет действия в станции управления УЭЦН преобразователя частоты с синусоидальной ШИМ на несущей частоте 5 кГц.Measuring current transformer 4 is modeled by a current-voltage converter TA with a transfer resistance of 0.2 Ohms. The three-phase supply voltage supplied from the step-up transformer to the cable conductors is modeled by the phase voltages U a , U b , U c of a frequency of 50 Hz (Fig. 7), determined through the known linear voltage U l = 1170 V by dividing it by
Figure 00000012
. Sources U a.hf , U b.hf , U c.hf simulate the presence of higher harmonic components in the supply voltage due to the action of a frequency converter with a sinusoidal PWM at a carrier frequency of 5 kHz in the ESP control station.

Эдс, индуцированные в проводниках обмоток статора полем вращающихся постоянных магнитов, представлены на схемной модели фиг.7 источниками Еa.вр, Еb.вр, Еc.вр, которые определены по формуле (1)The emfs induced in the conductors of the stator windings by the field of rotating permanent magnets are represented in the schematic model of Fig. 7 by sources E a.bp , E b.bp , E c.bp , which are determined by the formula (1)

Figure 00000013
Figure 00000013

для типовых значений В=1,6 Т; l=2 мм; n=4 и скорости движения магнитовfor typical values B = 1.6 T; l = 2 mm; n = 4 and the speed of the magnets

Figure 00000014
Figure 00000014

где R - радиус ротора ПЭД. Источники Еa.вр, Еb.вр, Еc.вр формируют синусоидальное напряжение (принятое с учетом возможностей программы Electronics Workbench) с частотой fвр, равнойwhere R is the radius of the rotor PED. Sources E a.vp , E b.vp , E c.vp form a sinusoidal voltage (adopted taking into account the capabilities of the Electronics Workbench program) with a frequency f bp equal to

Figure 00000015
Figure 00000015

где f2 - частота вращения ротора ПЭДН32-117-1000where f 2 is the rotational speed of the rotor PEDN32-117-1000

Figure 00000016
Figure 00000016

s - скольжение ротора (см. табл.5); f - номинальная частота трехфазных источников Ua, Ub, Uc.s is the slip of the rotor (see table 5); f is the nominal frequency of three-phase sources U a , U b , U c .

Ключи, kl, k2, k3, управляемые блоком commut, коммутируют источники Еa.вр, Еb.вр, Еc.вр, - Еa.вр, - Еb.вр, - Еc.вр через интервалы времени T2/6 (где Т2 - период вращения ротора ПЭД) в последовательности, которая повторяет последовательность прохождения движущимися магнитами мимо проводников, относящихся к началам (a, b, c) и концам (x, y, z,) фазных обмоток, находящихся в z/3 пазах магнитопровода статора.The keys, kl, k2, k3, controlled by the commut block, switch sources E a.vp , E b.vp , E c.vp , - E a.vp , - E b.vp , - E c.vp at time intervals T 2/6 (where T 2 - rotor rotational period SEM) in a sequence that follows the sequence of passage of the moving magnets past the conductors belonging to the beginnings (a, b, c) and the ends (x, y, z,) of the phase windings are in z / 3 grooves of the stator magnetic circuit.

Полосовой фильтр (filter) выполнен в виде последовательного соединения четырех каскадов, реализованных каждый по схеме на фиг.10, которая содержит RC - фильтр высоких частот (C1, R1, C2, R2), RC - фильтр низких частот (C3, R3, C4, R4), стыковочные операционные усилители DA1, DA2. Подбором сопротивлений R6, R8 регулируется добротность каскадов, которую целесообразно задавать минимальной для входного и максимальной для выходного каскадов. Выбором конденсаторов С1…С4 устанавливаются небольшие расстройки между каскадами по частотам среза их амплитудно-частотных характеристик. Как видно из осциллограммы напряжения U1 (фиг.8), пропорционального току Iф.вр (ур-ние 2), полосовой фильтр 5 обеспечивает эффективное подавление токов от питающего напряжения частоты 50 Гц и от его высшей гармонической составляющей частоты 5 кГц. Выходное напряжение фильтра уверенно воспроизводит измерительный сигнал - частотную последовательность импульсов тока Iф.вр (фиг.3) - в виде напряжения U1 и позволяет получить с помощью компаратора напряжений 6 и делителя частоты 7 последовательность прямоугольных импульсов U3 на выходе схемы фиг.1, следующих с частотой вращения короткозамкнутого ротора ПЭД.The band-pass filter (filter) is made in the form of a series connection of four stages, each implemented according to the scheme in Fig. 10, which contains an RC - high-pass filter (C 1 , R 1 , C 2 , R 2 ), RC - a low-pass filter (C 3 , R 3 , C 4 , R 4 ), docking operational amplifiers DA 1 , DA 2 . The selection of resistances R 6 , R 8 regulates the quality factor of the cascades, which is advisable to set the minimum for the input and maximum for the output cascades. The choice of capacitors C 1 ... C 4 establishes small detunings between stages in cutoff frequencies of their amplitude-frequency characteristics. As can be seen from the waveform of the voltage U 1 (Fig. 8), proportional to the current I f.vr ( Eq. 2), the bandpass filter 5 provides effective suppression of currents from the supply voltage of 50 Hz and from its higher harmonic component of the frequency of 5 kHz. The output voltage of the filter confidently reproduces the measuring signal — the frequency sequence of current pulses I f.vr (FIG. 3) —in the form of voltage U 1 and allows using a voltage comparator 6 and frequency divider 7 a sequence of rectangular pulses U 3 at the output of the circuit of FIG. 1 following with the rotational speed of the squirrel-cage rotor SEM.

Claims (1)

Способ определения скорости вращения, по которому устанавливают на валу электродвигателя постоянный магнит и получают частотную последовательность импульсов эдс, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации в погружных асинхронных электродвигателях (ПЭД) глубинно-насосных нефтедобывающих установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), размещают на валу ПЭД на немагнитных диэлектрических шайбах, находящихся по торцевым сторонам k немагнитных промежуточных подшипников ротора и имеющих диаметр, совпадающий с диаметром его пакетов, 4k четырехполюсных магнита с радиальнонамагниченными разнополярными зонами, устанавливают на каждой шайбе по окружности диаметрально противоположно два магнита, обращенных одноименными полюсами друг к другу, ориентируют все пары магнитов на шайбах строго в одном направлении, получают в трехфазной обмотке статора при вращении ротора частотные последовательности импульсов эдс, а в фазах силового кабеля, питающего ПЭД, частотные последовательности импульсов тока, трансформируют наземным измерительным трансформатором тока частотную последовательность импульсов фазного тока и синусоидальный ток, потребляемый ПЭД от трехфазного питающего напряжения, выделяют частотную последовательность импульсов напряжения, пропорциональную частотной последовательности импульсов фазного тока, фильтрацией выходного напряжения трансформатора тока посредством полосового фильтра, имеющего граничные частоты пропускания z·fmin и z·fmax, формируют из выделенной частотной последовательности импульсов с помощью компаратора напряжений и делителя частоты новую последовательность прямоугольных импульсов напряжения, частота повторения которых понижена в z раз и совпадает с частотой вращения короткозамкнутого ротора ПЭД, где z - количество пазов у магнитопровода статора ПЭД, fmin и fmax - минимально и максимально допустимые частоты вращения ПЭД в УЭЦН. A method for determining the rotation speed by which a permanent magnet is mounted on the electric motor shaft and a frequency sequence of emf pulses is obtained, characterized in that, in order to simplify the implementation of submersible pumping oil-producing electric pumping units (ESPs) in submersible asynchronous electric motors (ESPs), they are placed on the shaft PEM on non-magnetic dielectric washers located on the end faces of k non-magnetic intermediate bearings of the rotor and having a diameter matching the diameter of its bag , 4k four-pole magnets with radially magnetized bipolar zones, install two magnets diametrically opposite to each other on the washer, opposite the same poles facing each other, orient all pairs of magnets on the washers in exactly the same direction, receive frequency sequences of pulses in the three-phase stator winding when the rotor rotates and, in the phases of the power cable supplying the SEM, the frequency sequences of current pulses are transformed by a ground current transformer of current The sequence of pulses of the phase current, and a sinusoidal current consumption by SEM from three-phase power supply, separated frequency sequence of voltage pulses proportional to the frequency of the phase current pulses, filtering the current transformer output voltage by means of a bandpass filter having cut-off frequencies z transmittance · f min and z · f max , form a new sequence directly from the selected frequency sequence of pulses using a voltage comparator and a frequency divider coal voltage pulses, the repetition rate of which is reduced by a factor of z and coincides with the rotation frequency of the short-circuited PEM rotor, where z is the number of slots in the stator magnetic circuit of the PEM, f min and f max are the minimum and maximum allowable frequencies of rotation of the PED in the ESP.
RU2011104945/28A 2011-02-10 2011-02-10 Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors RU2463612C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011104945/28A RU2463612C1 (en) 2011-02-10 2011-02-10 Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011104945/28A RU2463612C1 (en) 2011-02-10 2011-02-10 Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011104945A RU2011104945A (en) 2012-08-20
RU2463612C1 true RU2463612C1 (en) 2012-10-10

Family

ID=46936191

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011104945/28A RU2463612C1 (en) 2011-02-10 2011-02-10 Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2463612C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU168004U1 (en) * 2016-05-20 2017-01-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" DEVICE FOR DETERMINING THE ROTATION ROTOR OF ASYNCHRONOUS MOTORS

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110470857B (en) * 2019-09-08 2021-04-13 陕西航空电气有限责任公司 Rotating speed detection method suitable for aviation power system generator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU932402A1 (en) * 1980-11-25 1982-05-30 Научно-Исследовательский Институт Автоматики И Электромеханики При Томском Институте Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Asynchronous motor rotation speed determination method
RU2121692C1 (en) * 1997-02-07 1998-11-10 Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) Transmitter of parameters of rotation
US6084398A (en) * 1998-07-27 2000-07-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The Nautical Aeronautics And Space Administation Rate of rotation measurement using back-EMFS associated with windings of a brushless DC motor
RU2271013C1 (en) * 2004-07-30 2006-02-27 Центральное конструкторское бюро машиностроения Device for measuring absolute sliding of asynchronous engine
EP1711997A1 (en) * 2004-02-06 2006-10-18 Micro-Beam SA Method and device for controlling a synchronous motor with permanent magnets

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU932402A1 (en) * 1980-11-25 1982-05-30 Научно-Исследовательский Институт Автоматики И Электромеханики При Томском Институте Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Asynchronous motor rotation speed determination method
RU2121692C1 (en) * 1997-02-07 1998-11-10 Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) Transmitter of parameters of rotation
US6084398A (en) * 1998-07-27 2000-07-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The Nautical Aeronautics And Space Administation Rate of rotation measurement using back-EMFS associated with windings of a brushless DC motor
EP1711997A1 (en) * 2004-02-06 2006-10-18 Micro-Beam SA Method and device for controlling a synchronous motor with permanent magnets
RU2271013C1 (en) * 2004-07-30 2006-02-27 Центральное конструкторское бюро машиностроения Device for measuring absolute sliding of asynchronous engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU168004U1 (en) * 2016-05-20 2017-01-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" DEVICE FOR DETERMINING THE ROTATION ROTOR OF ASYNCHRONOUS MOTORS

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011104945A (en) 2012-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9438096B2 (en) Electric motor and magnetic gear
US7971650B2 (en) Electric submersible pumps
CN103633751A (en) Axial air gap machine having stator and rotor discs formed of multiple detachable segments
GB2439485A (en) Downhole permanent magnet motors
CN103748772B (en) Electric rotating machine
CN109716621B (en) Complementary unidirectional magnetic rotor/stator assembly pair
RU2463612C1 (en) Method for determination of rotation rate of submersible asynchronous electric motors
US20190207493A1 (en) Controlling multiple electric stators
CN108448757A (en) Lundell pole-changing generator rotor
Kovalev et al. Direct measurement of rotational rate of asynchronous electrical submersible motors for oil production
CN111313637B (en) Pole slot matching method for reluctance type rotary transformer
GB2436755A (en) Two part stator cores for downhole permanent magnet motors
US11261854B2 (en) Apparatus and method of rotational alignment of permanent magnet tandem motors for electrical submersible pump
CN109599993B (en) Explosion-proof and waterproof permanent magnet alternating current servo motor
MakowskI et al. Determination of dynamic characteristics of the single-phase capacitor induction motor
CN203589984U (en) Multilayer-printed-board synchronous motor
Rai et al. Design and development of energy efficient induction motor for solar PV fed submersible water pump
Li et al. Electromagnetic-thermal integrated design optimization for hypersonic vehicle short-time duty PM brushless DC motor
CN104539128A (en) Multi-phase permanent magnet direct current motor
Mekuria Development of a high speed solid rotor asynchronous drive fed by a frequency converter system
CN206402002U (en) Permanent magnet motor stator and magneto
CN106712333A (en) Design method of no-commutating permanent magnet direct current rotating motor
EP3007325A1 (en) Hybrid conductor for generator stator winding
Grachev et al. Improved efficiency machines with integrated control and protection system for AC drives
Romanov et al. Electromagnetic Moment Increasing of Superminiature Electric Motor with Excitation by Rare Earth Permanent Magnets

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130211