Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "EMBARCA- ÇÃO COM SISTEMA DE ANCORAGEM E SISTEMA DE ANCORAGEM".
A invenção refere-se primeiramente a uma embarcação com sis- tema de ancoragem, compreendendo uma torre ancorada ao solo oceânico e uma carcaça de torre sendo parte da embarcação, em que a carcaça de torre e torre são interconectadas por um elemento de conexão 5 compreen- dendo um arranjo de mancai em que o elemento de conexão tem uma pri- meira extremidade conectada à carcaça de torre e uma segunda extremida- de oposta conectada à torre. É observado que embora na presente descri- ção seja usada a indicação "embarcação", esta expressão não restringe o âmbito da presente invenção a navios ou barcos, mas se estende a uma lar- ga variedade de dispositivos flutuantes na superfície do mar, como por e- xemplo bóias ou instalações de produção flutuantes.
O sistema de ancoragem é usado para ancorar a embarcação enquanto permitindo uma rotação dela, de tal forma que a embarcação pos- sa girar conforme as condições meteorológicas para assumir um posição em que as cargas no sistema de ancoragem (mas também na embarcação) são minimizadas.
A torre define uma parte substancialmente geostática que, por exemplo, pode ser ancorada ao solo oceânico usando linhas de ancoragem. A carcaça de torre, que freqüentemente (no caso de um sistema de ancora- gem interna) é integrada em um assim denominado poço em uma parte adi- ante da embarcação (mas que poderia ser também parte de um flutuador lateral se estendendo além da armação da embarcação, e deste modo defi- ne um sistema de ancoragem externa) define uma parte da embarcação que se moverá com ele, e deste modo relativamente à torre (geostática). A cone- xão entre a torre e a carcaça de torre então é definida por um elemento de conexão que compreende um conjunto de mancai provendo a dita conexão giratória entre a torre e a carcaça de torre. Para uma operação apropriada de tal sistema de ancoragem é
requerido que o conjunto de mancai mantenha sua função (i.é. permitindo uma rotação relativa entre a carcaça de torre e torre) sob todas as circuns- mento do motor de forma assíncrona sob a baixa taxa de carga, assim a efi- ciência é um pouco baixa e é geralmente de aproximadamente 75%.
4. A regulagem de parâmetro não é conveniente. Quando há a necessidade da velocidade ser reajustada, no caso da condição de trabalho do canal perfurado variar, geralmente há a necessidade da polia da correia ser mudada ou necessidade de variados motores de velocidade variada de hastes ajustáveis serem empregado. A mudança da polia da correia é muito incômoda, quando apenas uma ou duas das engrenagens podem ser usa- das com o ajuste da velocidade do motor de velocidade variada de hastes ajustáveis, o que torna realmente nada conveniente o seu uso prático.
5. O ruído é grande. O ruído durante a operação dos dispositi- vos redutores de velocidade mecânica e o motor assíncrono de alta veloci- dade é grande e assim não é apropriado para ser instalado em distritos resi- denciais.
6. A área ocupada para o equipamento é grande. Uma vez que o sistema da polia de correia requer uma grande área de instalação, o referido equipamento não é apropriado para as situações em que a área exigida é pequena, como as situações de plataforma marítima de produção de petró- leo e de conjunto de poços.
Um dispositivo de bomba de perfuração de transmissão direto de motor de baixa velocidade foi proporcionado no pedido de patente de in- venção descrita em 200510042122.8, o referido dispositivo consiste em has- te polida, acoplagem de eixo, motor de baixa velocidade, controlador de mo- tor, calço de fixação, bomba de perfuração, na qual o eixo do motor do refe- rido motor de baixa velocidade é ajustado sendo dotado de uma cavidade e através da haste polida, foi fixado com a haste polida como peça única atra- vés da acoplagem de eixo, a haste polida passa através do o buraco central do calço fixo e se conecta ao eixo do canal perfurado da bomba de perfura- ção, o motor de baixa velocidade é fixado no calço fixo. O controlador de motor é instalado dentro da caixa terminal do motor de baixa velocidade, os controles compatíveis para o motor de baixa velocidade são empregados. Tal tipo de bomba de perfuração de transmissão direto por motor anulou o uso da transmissão por correia e do dispositivo de engrenagem de mudança de velocidade, o eixo do motor é conectado ao eixo da bomba da bomba de perfuração através da haste polida, a perda de poder reativo é diminuída, a eficiência do sistema e a confiabilidade da bomba de perfuração são aumen- tadas, o custo do petróleo que se extrai é reduzido, ao mesmo tempo, o vo- lume e o peso da bomba de perfuração são reduzidos.
No entanto, o referido dispositivo não realiza a regulagem seleti- vamente precisa de nenhum valor da velocidade do motor de zero ao máxi- mo por parte do controlador, e o dispositivo dito tem a desvantagem da in- conveniência da regulagem da velocidade, além disso, a eficiência do siste- ma precisa ser aumentada. Sumário da Invenção
A finalidade da invenção é proporcionar uma eficiente bomba de perfuração fixa de haste de transmissão direta, na qual a velocidade do mo- tor da bomba de perfuração de transmissão direta pode ser precisamente escolhida entre zero ao máximo e cuja operação é conveniente.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção compreende a haste polida 1, grampo de haste polida 2, motor 4, controlador de motor 7, saída de petró- Ieo do flange 6, flange do poço de petróleo 8, corpo principal da bomba de perfuração 9, na qual: o referido motor é um motor de corrente contínua sem escova trifásico vertical de magnetismo permanente com um eixo oco, a has- te polida passa através do referido eixo oco; o referido controlador de motor compreende um circuito do retificação para retificar a corrente alternada na corrente contínua; circuito do conversor para transformar a corrente contínua na corrente alternada ajustável; CPU para modular a onda senoidal sem es- cova de corrente contínua do DSP sem sensor do motor; um circuito de con- dução para isolar o sinal e ampliar a potência, assim como a atuação no cir- cuito do conversor e o ajuste da tensão do motor de magnetismo permanen- te realiza assim o ajuste sem pólo da velocidade.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, pelo emprego de motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical e o controlador de motor adequado para o referido motor, com êxito realiza a escolha precisa da velocidade do motor da bomba de perfuração de trans- missão direto entre zero e máximo, além disso, o referido dispositivo é facil- mente controlado e a eficiência do sistema é alta.
O dispositivo da bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o referido controlador de motor compreende um circuito de retificação para realizar o ajuste correto da corrente alternada na corrente contínua; circuito de conversão para trans- formar a corrente contínua na corrente alternada ajustável; Sensor de pare- de para detectar a posição giratória do rotor do motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical; CPU para a modu- lação da onda senoidal da corrente contínua sem escova do microcomputa- dor de monochip com sensor de parede; circuito de condução para isolar o sinal e aumentar a potência, assim como atuar no circuito de conversão e realizar um ajuste mais preciso da velocidade do motor.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, a parte inferior do referido motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical é instalada com um mancai de empuxo com uma carga dinâmica maior do que 10 toneladas.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o referido motor de corren- te contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical empre- ga Insulação de nível F, o nível de segurança do revestimento é IP54 e a temperatura aumenta em avaliação classe B.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, caracterizado pelo fato de que o torque do motor do referido sistema do motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical é 200-6000 N m, a velocidade de rotação é de 0-1000 rpm/min.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o referido circuito de retifi- cação é uma ponte trifásica de semicontrole.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o referido circuito de con- versão é uma ponte trifásica completa de conversão de saída que emprega o transistor bipolar IGBT da porta de isolamento.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o referido circuito de retifi- cação é uma ponte trifásica de semicontrole; o referido circuito de conversão é uma ponte trifásica completa de conversão de saída que emprega o tran- sistor bipolar IGBT da porta de isolamento, CPU é dotada de entradas de tensão de barramento de corrente contínua do controlador, corrente do mo- tor e sinal da temperatura do radiador do módulo.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, a faixa para a entrada para o referido tensão de barramento do controlador de corrente é 3X380V- 3X690V, f=50/60hz.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o sinal de amostragem da corrente entre o circuito de conversão e o motor é transferido na CPU.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, CPU é dotado de uma in- terface de comunicação e um painel de operação homem-máquina.
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, CPU é dotado uma porta de entrada de sinal liga/desliga. Efeitos Vantajosos
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o empregado motor à pro- va de explosões de torque de corrente contínua sem escova trifásico vertical doe de magnetismo permanente é dotado das seguintes características: 1) a estrutura é vertical e o eixo é oco, assim é conveniente para a haste da bomba passar através, a parte inferior do motor é dotada de um mancai de empuxo com a carga dinâmica maior do que 10 toneladas, de tal modo que o motor pode suportar o peso do canal perfurado, de todo o corpo principal da bomba de perfuração e da haste polida que é menor do que 10 tonela- das. O diâmetro adequado da haste polida é de 40 mm. 2) o rotor do motor é permanentemente magnético e emprega a forma de controle de corrente contínua sem escova. O rotor não é dotado de perda de excitação e é dota- do de uma taxa de eficiência de 94%, a eficiência pode também ser mais alta do que 88% quando 1/3 taxa de carga é empregada; a perda reativa absor- vida pelo sistema é muito pequena. No entanto, a eficiência de operação do motor assíncrono empregado por uma tradicional e mecânica bomba de per- furação sob 1/3 taxa de carga é de aproximadamente 75%. Comparada com motor assíncrono, a eficiência do motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente de transmissão direta foi aumentado por aproxima- damente 10% (incluindo a perda do transdutor de 3%). 3) Propriedade à pro- va de explosões. O motor de transmissão direta é instalado na parte superior do poço de petróleo e o referido motor requer um projeto à prova de explo- são de acordo com a exigência da norma de segurança. O referido dispositi- vo pode ser seguramente operado em lugares perigosos da explosão da di- visão 2 e emprega insulação de nível F, o nível de segurança do revestimen- to é IP54 e a temperatura aumenta em avaliação classe Β. A exigência para a confiabilidade de funcionamento e a temperatura do motor pode ser satis- feita escolhendo uma matéria-prima da alta qualidade e deixando uma gran- de margem para computações elétricas e mecânicas. O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans-
missão direta a motor de alta eficiência e de velocidade precisamente ajus- tável de acordo com a invenção, a forma de controle do controlador o qual se adéqua com o motor é onda senoidal de corrente contínua sem escova (BLDC), a velocidade do motor pode ser controlado por um controlador em qualquer velocidade entre zero e máximo para conduzir de modo sincroniza- do a operação de rotação da haste polida, assim realizando o ajuste preciso da velocidade da haste polida. Eefeito Vantajoso
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor de acordo com a invenção, o empregado motor à pro- va de explosões de torque de corrente contínua sem escova trifásica vertical doe de magnetismo permanente é dotado das seguintes características: 1) a estrutura é vertical e o eixo é oco, assim é conveniente para a haste da bomba passar através, a parte inferior do motor é dotada de um mancai de empuxo com a carga dinâmica maior do que 10 toneladas, de tal modo que o motor pode suportar o peso do canal perfurado, de todo o corpo principal da bomba de perfuração e da haste polida, o qual menos do que 10 tonela- das. O diâmetro adequado da haste polida é de 40 mm. 2) o rotor do motor é permanentemente magnético e emprega a forma de controle de corrente contínua sem escova. O rotor não é dotado de perda de excitação e é dota- do de uma taxa de eficiência de 94%, a eficiência pode também ser mais alta do que 88% quando 1/3 taxa de carga é empregada; a perda reativa absor- vida pelo sistema é muito pequena. No entanto, a eficiência de operação do motor assíncrono empregado por uma tradicional e mecânica bomba de per- furação sob 1/3 taxa de carga é de aproximadamente 75%. Comparada com motor assíncrono, a eficiência do motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente de transmissão direta foi aumentado por aproxima- damente 10% (incluindo a perda do transdutor de 3%). 3) Propriedade à pro- va de explosão. O motor de transmissão direta é instalado na parte superior do poço de petróleo e o referido motor requer um projeto à prova de explo- são de acordo com a exigência da norma de segurança. O referido dispositi- vo pode ser seguramente operado em lugares perigosos de explosão de di- visão 2 e emprega insulação de nível F, o nível de segurança do revestimen- to é IP54 e a temperatura aumenta em avaliação classe Β. A exigência para a confiabilidade de funcionamento e a temperatura do motor pode ser satis- feita escolhendo uma matéria-prima da alta qualidade e deixando uma gran- de margem para computações elétricas e mecânicas.
A presente invenção realiza o ajuste suave de velocidade atra- vés de um controlador especial adequado com o motor à prova de explosões de torque de corrente contínua sem escova. A velocidade de rotação pode ser continuamente ajustada dentro de uma faixa de 0-500 rpm/min. sob uma tensão de força avaliada. O controlador emprega meios digitais e a faixa pa- ra a entrada de suprimento de força é: 3X380V-3X690V, f=50/60hz. As peças de controle de comutação são dotadas de dois modos: um é um modo sim- ples com Sensor de parede empregando controle de microcomputador de monochip, em particular como meio de corrente contínua sem escova con- trolado por onda senoidal, as características do referido modo são o motor de controle ser dotado baixo ruído e satisfazer a exigência de mais potência, assim como a propriedade é muito melhor do que a maneira da onda qua- drada. Outra é uma maneira sem sensor que possa ser completada por chip DSP de elevado desempenho, a vantagem da maneira referida é uma cone- xão simples e uma confiabilidade mais elevada.
O controlador é dotado de entradas de voltagem de barramento, corrente do motor e temperatura do radiador do módulo para completar a propriedade de controle do motor e proteção. O referido controlador adicio- nalmente é dotado aquecimento auxiliar, botão de liga/desliga l/O, interface de comunicação e um painel de operação homem-máquina. A operação é muito simples. Breve Descrição das Ilustrações
A figura 1 é o diagrama de instalação de dispositivo de trans- missão direta de bomba de perfuração fixa, na qual
1. Haste polida, 2. Grampo polido, 3. Motor à prova de explo- sões de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente, 4. Flan- ge do poço de petróleo, 5. Saída de petróleo do flange, 6. Controlador de motor;
a figura 2 é o diagrama da estrutura do motor; a figura 3 é o dia- grama de bloco do circuito do controlador; a figura 4 é o diagrama do contro- lador.
Descrição das Modalidades Preferidas Modalidade 1
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor compreende a haste polida 1, o grampo de haste poli- da 2, motor 4, o controlador de motor 7, a saída de petróleo do flange 6, o flange do poço de petróleo 8, o corpo principal da bomba de perfuração 9, o referido motor é a motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical com o eixo oco, a haste polida passa através do referido eixo oco; o motor foi fixado com o eixo oco como peça única através do grampo de haste polida e se conecta ao eixo da bomba do canal perfura- do da bomba de perfuração; o referido controlador de motor compreende um circuito de retificação para realizar o ajuste correto do corrente alternada na corrente contínua; o circuito de conversão para transformar o corrente contí- nua na corrente alternada ajustável; CPU para a modulação da onda senoi- dal da corrente contínua sem escova do motor sem sensor DSP; circuito de condução para isolamento do sinal e aumento de potência, assim como atu- ar no circuito de comutação e ajustar a voltagem de motor de magnetismo permanente assim realizando o ajuste sem pólo da velocidade. Modalidade 2
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor compreende a haste polida 1, o grampo de haste poli- da 2, o motor 4, o controlador de motor 7, a saída de petróleo do flange 6, o flange do poço de petróleo 8, o corpo principal da bomba de perfuração 9, o referido motor é um motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical com um eixo oco, a haste polida passa através do referido eixo oco; o motor foi fixado com o eixo oco como peça única a- través do grampo de haste polida e se conecta ao eixo da bomba ao canal perfurado da bomba de perfuração; o referido controlador de motor compre- ende um circuito de retificação para realizar o ajuste correto da corrente al- ternada na corrente contínua; circuito de conversão para transformar a cor- rente contínua na corrente alternada ajustável; Sensor de parede para detec- tar a posição de rotação do rotor de motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical; CPU para a modulação da on- da senoidal da corrente contínua sem escova de microcomputador de mono- chip com Sensor de parede; circuito de condução para isolar o sinal e au- mento de potência, assim como atuar no circuito de comutação e realizar suavemente o ajuste da velocidade do motor. Modalidade 3
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 1 com a exceção de que o circuito de retificação é uma ponte trifásica de semicontro- Ie1 nenhum interruptor de corrente de limitação de carga. Modalidade 4
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans-
missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 2 com a exceção de que o circuito de comutação é uma saída de comutação de pon- te completa trifásica empregando transistor bipolar de porta de isolamento IG BT.
Modalidade 5
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans-
missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 1 ou 2 com a exceção de que o circuito de retificação é uma ponte trifásica de se- micontrole, nenhum interruptor de corrente de limitação de carga. O circuito de comutação é uma saída de comutação de ponte completa trifásica em-
pregando transistor bipolar de porta de isolamento IGBT. CPU é dotado de umas entradas de tensão de barramento de corrente contínua do controla- dor, corrente do motor e sinal da temperatura do radiador do módulo, e o controlador é dotado uma saída de calor de espaço desumidificante. Modalidade 6
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans-
missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que o motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical é instalado com um mancai de empuxo com a carga dinâmica de 20 toneladas.
Modalidade 7
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que o motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical é instalado com um mancai de empuxo com a carga dinâmica de 30 toneladas. Modalidade 8
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans-
missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que o motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical emprega insulação de nível F, o nível de segu- rança do revestimento é IP54 e a temperatura aumenta em avaliação classe B.
Modalidade 9
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que o torque de motor do sistema de motor de corrente contínua sem escova de magnetismo permanente trifásico vertical é de 200-6000 N ■ m, a velocidade de rotação é de 0-1000 rpm/min. Modalidade 10
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que o sinal de amostragem da corrente entre o circuito de comu- tação e o motor é transferido na CPU. Modalidade 11
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que a faixa para a entrada para o controlador de fornecimento de força é 3X380V-3X690V, f=50/60hz. Modalidade 12
O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que o CPU é dotado uma interface de comunicação e um painel de operação homem-máquina. Modalidade 13 O dispositivo de bomba de perfuração fixa com haste de trans- missão direta a motor é dotado da mesma estrutura da modalidade 5 com a exceção de que a CPU é dotada de uma porta de entrada de sinal li- ga/desliga.