Prvky teorie pohonu ventilů | Služba EPU

V ropném průmyslu se používají ponorné asynchronní a ventilové elektromotory. Asynchronní elektromotory se v této oblasti používají již dlouho, ventilové motory – teprve nedávno. V tomto článku se pokusíme přístupným způsobem vysvětlit hlavní myšlenky pohonu ventilu, jeho podobnosti a rozdíly s asynchronním protějškem.

Definice ventilového motoru

Elektromotor ventilu (VD) — synchronní bezkomutátorový stejnosměrný motor používaný ve spojení s elektronickým řídicím systémem, který zajišťuje synchronizaci rotace elektromagnetického pole s rotací rotoru.

Označení v zahraniční literatuře

rozšíření bldc — Bezkomutátorový stejnosměrný elektromotor. PMSM — Synchronní motor s permanentními magnety (synchronní motor s permanentními magnety).

Výstavba

Konstrukčně se elektromotor ventilu, jako každý elektromotor, skládá ze statoru, rotoru a nosných jednotek rotoru (ložisek).

Stator

Stator je stacionární část elektromotoru, která obsahuje vinutí kotvy a slouží k vytvoření rotujícího elektromagnetického pole uvnitř motoru.

Rotor

Rotor je rotační část elektromotoru, což je hřídel s elektromagnetem nebo permanentními magnety. V prvním případě je k vinutí rotoru připojen zdroj stejnosměrného proudu.

V závislosti na počtu magnetů umístěných v průřezu rotoru bude mít motor jeden nebo jiný počet pólů.

U elektromotorů s ponorným ventilem používaných v ropném průmyslu obsahuje rotor permanentní magnety. Zpravidla se vyrábí ponorné vysokotlaké motory s 8 a 4 póly.

Při stejné frekvenci otáčení elektromagnetického pole statoru bude frekvence otáčení elektromotoru ventilu s větším počtem pólových párů nižší. Pokud je tedy rychlost otáčení 8-pólového elektromotoru 1500 ot./min., pak se 4-pólový motor se stejnou frekvencí pole bude otáčet frekvencí 3000 ot./min.

Princip činnosti

Princip činnosti elektromotoru ventilu

Ventilový elektromotor (na rozdíl od asynchronního nebo komutátorového motoru) není soběstačný a jeho provoz není možný bez speciálního elektronického řídicího systému. Jeho úkolem je v závislosti na poloze rotoru přivádět elektrický proud do vinutí statoru tak, aby vzniklé elektromagnetické pole přitahovalo póly magnetů rotoru, a tím jej pootočilo pod určitým úhlem. Poté řídicí systém dodává proud do sousedních statorových vinutí a rotor se dále otáčí, již k nim přitahován. Stator tedy vytváří rotující elektromagnetické pole a rotor synchronně následuje ho.

To je jeden z klíčových rozdílů mezi ventilovými (synchronními) a asynchronními motory.

Princip činnosti asynchronního elektromotoru

U asynchronního elektromotoru rotor také sleduje rotující elektromagnetické pole, ale s menší rychlost. Tento efekt se nazývá „klouzavý“. A to je integrální vlastnost asynchronního elektromotoru. Díky němu je možný provoz asynchronního motoru.

Jeho rotor je vinutí se závity nakrátko, vzhledově připomínající klec na veverku, jejíž tyče jsou tyče spojené na koncích kroužky.

Rotující elektromagnetické pole statoru indukuje EMF v rotoru, proud začne protékat v tyčích rotoru, což má za následek magnetické pole, které způsobí rotaci rotoru podle magnetického pole vytvořeného statorem. Právě to, že se pole statoru vůči rotoru pohybuje, je podmínkou pro vznik elektromagnetického pole v rotoru. Pokud je rotor nucen otáčet se stejnou rychlostí jako magnetické pole vytvářené statorem, pak se v rotoru neindukuje žádné EMF! Tedy rychlost otáčení rotoru asynchronního motoru vždy méně rychlost rotace pole.

Synchronní motor nevyžaduje buzení EMF rotoru z magnetického pole vytvářeného statorem; magnetické pole je zde již přítomno bez jeho účasti. Rotor synchronního elektromotoru se proto otáčí přísně s frekvencí pole vytvářeného vinutími statoru. Nastavíme-li frekvenci otáčení synchronního motoru na 3000 ot./min., znamená to, že magnetické pole motoru vytvářené vinutím statoru je rovněž rovno 3000 ot./min. Frekvence otáčení asynchronního motoru za stejných podmínek bude 2910 ot./min.

Systém řízení elektromotoru ventilu

Jak bylo uvedeno výše, otáčení elektromotoru ventilu zajišťuje speciální elektronický řídicí systém. Jeho obecný název je invertor (konvertor).

Invertor je v tomto případě elektronický systém, který dodává napětí, jehož frekvence nezávisí na frekvenci napájecího napětí do vinutí elektromotoru.

Měničem jsou vybaveny nejen synchronní (ventilové) elektromotory, ale i asynchronní, kde je vyžadována regulace otáček.

• 1. Ovládání spínání (6-pulzní ovládání);
• 2. Vektorové řízení.

Ovládání spínání

Při ovládání spínání (u systému třífázového zapojení) je stejnosměrné napětí přiváděno současně pouze do dvou fází vinutí statoru, třetí vinutí zůstává nepřipojeno ke zdroji proudu. Za chodu elektromotoru řídicí systém monitoruje polohu rotoru přivedením napětí určité polarity na odpovídající pár vinutí tak, že magnetické pole generované ve statoru táhne rotor s sebou a způsobuje jeho otáčení. Otáčky rotoru jsou regulovány hodnotou stejnosměrného napětí spínaného na vinutí rotoru. V tomto případě je spínací frekvence přizpůsobena změně frekvence otáčení rotoru.

A ještě jednou upozorňujeme! Není to rychlost rotoru, která se mění v závislosti na rychlosti pole, ale pole, které se přizpůsobuje rychlosti rotoru. Invertor reguluje otáčky rotoru změnou proudu a/nebo napětí spínaného do vinutí.

Určení polohy rotoru

• použití senzorů (například Hallův senzor);
• bezsenzorový.

U bezsenzorového způsobu je při otáčení motoru poloha rotoru určena hodnotou EMF indukované ve volné fázi (do které není v daném okamžiku přiváděno napájecí napětí) vinutí statoru. Když se rotor pohybuje, EMF ve volné fázi se mění a jeho přechod přes 0 je „značkou“ polohy rotoru.

Při tomto způsobu řízení protéká ve vinutí statoru proud s tvarem blízkým lichoběžníkovému.

Tento způsob ovládání se vyznačuje jednoduchostí a spolehlivostí, která umožňuje ovládat elektromotor ventilu nejen na krátké vzdálenosti, ale také na dlouhé tratě – stovky metrů a dokonce i kilometry, což je relevantní pro zařízení pro ponorné oleje.

Vektorové ovládání

Podstata vektorového řízení spočívá ve sestrojení přesného matematického modelu elektromotoru a jeho řízení přiváděním frekvenčně modulovaného napětí současně do všech fází motoru o takové frekvenci a velikosti (pro každou fázi budou tyto parametry v každém okamžiku individuální), aby sinusový proud vytvořený ve vinutí statoru zajistil rotaci rotoru v co nejpříznivějších podmínkách z elektrického hlediska a magnetickým stupňům rotoru se blíží fázovému stavux90.

Metoda umožňuje velmi přesné řízení elektromotoru. Metoda je z hlediska matematických výpočtů nejnáročnější na zdroje, ale vývoj mikroprocesorové technologie to umožňuje kompenzovat. Jeho použití na krátkých tratích je velmi efektivní, ale jeho použití na dlouhých tratích klade vývojářům mnoho překážek, jejichž řešení je netriviální úkol.

Vektorové řízení nebo komutační řízení?

Z matematického hlediska je pro elektromotor ventilu nejpřirozenější vektorové řízení. Z hlediska technologie a provozních zkušeností v ropném průmyslu – spínací řídicí systémy. Na otázku, co je efektivnější, nelze jednoznačně odpovědět. V každé konkrétní situaci musí být na škále mnoho faktorů: matematika, úroveň technologie, rozsah použití, ekonomická efektivita a školení personálu obsluhujícího zařízení.