專利名稱：用于帶有旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)塊的裝置的節(jié)能系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操作抽油機(jī)和其他帶有旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)塊的裝置的電動(dòng)馬達(dá)。
背景技術(shù)：
抽油機(jī)是用于在油井中安裝于井下的往復(fù)活塞泵的地上驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)井底壓力不足以使液體自行流至地面時(shí)，抽油機(jī)將液體機(jī)械地提升至井外。抽油機(jī)通常由從公用電網(wǎng)接收電能的電動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力。抽油機(jī)將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械作用轉(zhuǎn)換為豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)井下泵。存在抽油機(jī)的許多不同的設(shè)計(jì)，包括但不限于常規(guī)設(shè)計(jì)、拉夫金·馬克 II (LufkinMark II)設(shè)計(jì)、游梁平衡設(shè)計(jì)、氣動(dòng)平衡設(shè)計(jì)、斜直井眼設(shè)計(jì)和常規(guī)便攜式設(shè)計(jì)。 抽油機(jī)可以從許多供應(yīng)商得到，包括拉夫金的拉夫金工業(yè)公司(Lufkin Industries, Inc. of Lufkin)，堪薩斯的科菲維爾的德克薩新和庫(kù)克泵公司(Texas and Cook Pump Company of Coffeyville, Kansas)。
抽油機(jī)電動(dòng)馬達(dá)通常使齒輪傳動(dòng)裝置或變速器的一組帶輪旋轉(zhuǎn)，所述齒輪傳動(dòng)裝置或變速器又驅(qū)動(dòng)一對(duì)曲柄或曲臂。對(duì)于典型的常規(guī)抽油機(jī)設(shè)計(jì)，曲柄提升和降低被稱為 “游梁”的杠桿或梁的端部，杠桿或梁在游梁支柱或A形架上樞轉(zhuǎn)。被稱為“驢頭”的彎曲金屬箱位于游梁的另一端上，曲臂從上述另一端與梁連接。曲柄的一端通常附連有配重或往復(fù)運(yùn)動(dòng)塊。游梁拉桿臂通常跨在配重和游梁的與驢頭相反的端部之間。纜索將驢頭連接至豎直光桿，豎直光桿連接到延伸至井下泵的管件或抽油桿的豎直管柱上。
配重輔助馬達(dá)提升抽油桿或管狀管柱的管柱。當(dāng)馬達(dá)向上提升配重時(shí)，驢頭向下運(yùn)動(dòng)，向下推動(dòng)抽油桿或管狀管柱。在配重到達(dá)其旋轉(zhuǎn)的頂部以后，配重?cái)[轉(zhuǎn)并利用配重的動(dòng)量和質(zhì)量(動(dòng)能)輔助馬達(dá)沿相反的方向旋轉(zhuǎn)游梁。當(dāng)配重從其最上部位置向下自由下落時(shí)，驢頭向上運(yùn)動(dòng)，向上提升抽油桿的管柱。美國(guó)專利No. 4，051，736提出了一種用于使油井泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)的抽油機(jī)。
盡管存在不同的井下泵設(shè)計(jì)，但井下泵通常包括在位于生產(chǎn)油管的端部處或附近的泵筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞或活塞。兩個(gè)獨(dú)立的閥通常完成泵送作用。固定止回閥可以在活塞以下緊固在泵筒內(nèi)，活塞可以包括游動(dòng)止回閥。活塞的上行行程打開(kāi)固定閥，并在游動(dòng)閥保持關(guān)閉時(shí)將流體抽入泵筒內(nèi)?；钊南滦行谐檀蜷_(kāi)游動(dòng)閥，并在固定筒保持關(guān)閉時(shí)從泵筒向上壓迫流體。美國(guó)專利No. 3，578，886,No. 4，173，451和No. 6，904，973提出了井下泵。
眾所周知，電動(dòng)馬達(dá)可以進(jìn)入操作的能量產(chǎn)生模式。對(duì)于與抽油機(jī)一起使用的電動(dòng)馬達(dá)，根據(jù)配重與管件或抽油桿柱之間的平衡的狀態(tài)，在配重旋轉(zhuǎn)期間的任意時(shí)刻均可能發(fā)生能量產(chǎn)生模式。根據(jù)每個(gè)行程中由抽油桿柱提升的流體的量和組分，平衡的狀態(tài)可能從泵送行程到另一個(gè)行程地波動(dòng)。在能量產(chǎn)生模式下，光桿及附連的抽油桿或管狀管柱可以向上或向下運(yùn)動(dòng)。
油井所有者必須基于抽油機(jī)馬達(dá)所消耗的電力的量來(lái)支付其用電賬單。消耗的電能的量通過(guò)電表測(cè)量。過(guò)去，消耗的功率的量通過(guò)模擬電表測(cè)量?，F(xiàn)在則使用許多數(shù)字電表。無(wú)論是模擬設(shè)計(jì)或數(shù)字設(shè)計(jì)，由公共事業(yè)公司自行決定，電表均可以構(gòu)造為允許或防止用戶賒購(gòu)供給回到電力網(wǎng)的產(chǎn)生的電能。抽油機(jī)系統(tǒng)是如此低效的發(fā)電機(jī)，以至于產(chǎn)生任何發(fā)電所需的耗能的量顯著地超過(guò)所產(chǎn)生的電能。因此，無(wú)論公共事業(yè)公司是否賒購(gòu)產(chǎn)生的電能，對(duì)于用戶而言，避免能量產(chǎn)生總是有利的。
在發(fā)電期間，馬達(dá)將試圖獲得超過(guò)設(shè)施線路電壓的電壓，由此導(dǎo)致電流沿相反的方向流動(dòng)。由公用電網(wǎng)提供的負(fù)載用作制動(dòng)，限制了否則將會(huì)發(fā)生的馬達(dá)的加速。馬達(dá)的這種制動(dòng)動(dòng)作防止抽油機(jī)的下落重量產(chǎn)生可能輔助泵送作用的另外的動(dòng)能。該轉(zhuǎn)換的動(dòng)能可以用作對(duì)來(lái)自公用電網(wǎng)的電能的替代。
過(guò)去，有工程師已試圖通過(guò)在可能包括一段發(fā)電時(shí)間的抽油機(jī)循環(huán)的一部分過(guò)程中關(guān)閉抽油機(jī)電動(dòng)馬達(dá)，以節(jié)省相當(dāng)大量的能量，但未成功。這些嘗試通過(guò)各種機(jī)械開(kāi)關(guān)和繼電器來(lái)實(shí)施。但是，井下泵和井的參數(shù)隨時(shí)間而變化，所以這些機(jī)械解決方案并無(wú)效果。
井內(nèi)的流體流可能在井注滿時(shí)變化，隨后“抽空”。在一些情況下，泵送的流體的體積可能從一個(gè)行程到下一個(gè)行程而變化。諸如氣、油、水和泥漿的泵送的材料和/或流體的變化的體積、密度、粘度、重量和其他性質(zhì)可能在很大程度上改變抽油管柱和流體柱的組合重量，由此影響系統(tǒng)的平衡以及對(duì)馬達(dá)的需求。在某些井中，管狀管柱可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千英尺。 不同流體隨著時(shí)間流入井內(nèi)將顯著地影響馬達(dá)的操作。
通過(guò)引入微處理器，使得通過(guò)觀察電流和電壓來(lái)關(guān)閉電動(dòng)馬達(dá)變得可能。然而，問(wèn)題是獲知何時(shí)再次打開(kāi)馬達(dá)。過(guò)去曾不成功地進(jìn)行了各種開(kāi)環(huán)時(shí)間延遲的嘗試。由于井下泵和井的參數(shù)隨時(shí)間而變化，因此也使得微處理器解決方案失敗。
美國(guó)專利No. 6，489，742提出了一種馬達(dá)控制器，其包括用數(shù)字信號(hào)處理器向感應(yīng)馬達(dá)傳送電力，該數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)電源和主電壓通過(guò)控制元件計(jì)算并優(yōu)化用于現(xiàn)有馬達(dá)負(fù)載的電流的供給。
公開(kāi)No. U. S. 2009/0046490提出了一種基于IGBT/FET的節(jié)能裝置、系統(tǒng)和方法，其中，節(jié)省了額定線路電壓以下和/或額定電器電壓以下的預(yù)定量的電壓。公開(kāi) No. U. S. 2009/0051344提出了一種基于TRIAC/SCR的節(jié)能裝置、系統(tǒng)和方法，其中，節(jié)省了額定線路電壓以下和/或額定電器電壓以下的預(yù)定量的電壓。公開(kāi)No. U. S. 2009/0200981 提出了一種用于提供交流電應(yīng)用中的恒定負(fù)載的系統(tǒng)和方法，其中，確定了調(diào)制正弦波的至少一個(gè)半循環(huán)的至少一個(gè)開(kāi)啟點(diǎn)，確定了調(diào)制正弦波的至少一個(gè)半循環(huán)的至少一個(gè)關(guān)閉點(diǎn)，并且去除了位于至少一個(gè)開(kāi)啟點(diǎn)與至少一個(gè)關(guān)閉點(diǎn)之間的至少一個(gè)小部分。公開(kāi) No. U. S. 2010/0033155提出了一種用于IGBT/FET驅(qū)動(dòng)器的電源，其為每個(gè)IGBT/FET驅(qū)動(dòng)器提供獨(dú)立的、隔離的電力。
比例-積分-微分(PID)控制是應(yīng)用于控制算法和反饋機(jī)制的廣泛使用的技術(shù)。 PID控制器如其大致所指的那樣基于“誤差”計(jì)算值。通常，“誤差”計(jì)算為測(cè)量的處理變量與所需設(shè)定點(diǎn)或目標(biāo)值之間的差值。PID控制器試圖通過(guò)調(diào)整處理控制變量來(lái)使誤差最小化。實(shí)質(zhì)上，PID控制器是具有比例、積分和微分參數(shù)的數(shù)字濾波器。比例值確定對(duì)電流誤差的反應(yīng)，積分值基于最近誤差的和確定反應(yīng)，微分值基于誤差變化的速率確定反應(yīng)。
上文所討論的美國(guó)專利No. 3，578，886、No. 4，051，736、No. 4，173，451、 No. 6，489，742 和 No. 6，904，973 以及公開(kāi) No. U. S. 2009/0046490、No. U. S. 2009/0051344、 No. U. S. 2009/0200981和No. U. S. 2010/0033155的全部?jī)?nèi)容出于各種目的通過(guò)參引結(jié)合在本文中。
存在特別是在能量產(chǎn)生模式期間，有效地管理抽油機(jī)電動(dòng)馬達(dá)的能量使用的需要。發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)電壓和電流之間的相角大于90度時(shí)，在馬達(dá)處于開(kāi)環(huán)模式下產(chǎn)生能量時(shí)，閉環(huán)馬達(dá)控制器系統(tǒng)減小對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)馬達(dá)的供給電壓。通過(guò)減小對(duì)馬達(dá)的供給電壓，可以將電壓和電流之間的觀察相角減小至90度以下的值。在這些情況下，馬達(dá)仍不消耗能量。通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)，可以將有功功率分量幾乎減小至零，保特?zé)o功分量大于零。通過(guò)允許主要為無(wú)功性質(zhì)的一些電流流動(dòng)，可以將可觀察的反饋參數(shù)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中用作馬達(dá)負(fù)載狀況的指示，馬達(dá)控制器可以對(duì)該指示作出反應(yīng)，當(dāng)需要時(shí)允許供給功率。類似地，當(dāng)馬達(dá)輕度加載并且消耗能量時(shí)，通過(guò)減小對(duì)馬達(dá)的供給電壓，閉環(huán)馬達(dá)控制器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)能。通過(guò)最小化或消除否則將由系統(tǒng)消耗的能量，可以通過(guò)減小對(duì)馬達(dá)的供給電壓以及最小化或消除來(lái)自公用電網(wǎng)的對(duì)馬達(dá)的制動(dòng)作用而產(chǎn)生節(jié)能。
目標(biāo)相角可被供給作為對(duì)于所有馬達(dá)負(fù)載的恒定值或作為在任意瞬時(shí)馬達(dá)負(fù)載的可變函數(shù)。目標(biāo)相角可以等于或小于90度，但也可以設(shè)想，目標(biāo)相角大于90度。當(dāng)馬達(dá)產(chǎn)生或消耗能量并且開(kāi)環(huán)模式下的觀察相角大于目標(biāo)相角時(shí)，系統(tǒng)可以減小供給電壓，直至觀察相角大致為目標(biāo)相角。目標(biāo)相角以下的觀察相角的任何進(jìn)一步的減小均可以解釋為例如在能量消耗模式期間的馬達(dá)負(fù)載的增大，系統(tǒng)可以通過(guò)增大供給電壓響應(yīng)于馬達(dá)負(fù)載的增大，直至再次達(dá)到目標(biāo)相角。可以從由馬達(dá)消耗的電壓與電流之間的觀察相角來(lái)計(jì)算必要的信息。


通過(guò)下文對(duì)附圖中的各種公開(kāi)的實(shí)施方式的詳細(xì)描述，可以獲得對(duì)本發(fā)明的更好的和進(jìn)一步的理解，圖中相同的部分具有相同的附圖標(biāo)記，在圖中
圖1是具有硬件輸入和輸出的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的框圖2是基于DSP的馬達(dá)控制器的框圖3是示出相旋轉(zhuǎn)檢測(cè)方法的圖示；
圖4是示出相旋轉(zhuǎn)檢測(cè)方法的流程圖5是示出用于正相旋轉(zhuǎn)的功率控制裝置輸出的曲線圖6是示出用于負(fù)相旋轉(zhuǎn)的功率控制裝置輸出的曲線圖7是窗口比較器的框圖8是窗口比較器的示意圖9是電流波形和過(guò)零信號(hào)的曲線圖10是虛擬中性電路的示意圖11是示出用于單相應(yīng)用的功率控制裝置輸出的曲線圖12是示出三維控制線路的三維曲線圖13是示出投影到一個(gè)平面上的控制線路的三維曲線圖14是示出二維繪制控制線路的曲線圖15是示出半自動(dòng)校準(zhǔn)中的掃描觸發(fā)角/占空因數(shù)的曲線圖16是示出觸發(fā)角/占空因數(shù)的導(dǎo)控掃描的曲線圖17是示出繪制的半自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的曲線圖18是示出繪制的半自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的曲線圖19是示出繪制半的自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的曲線圖20是半自動(dòng)高電平校準(zhǔn)的流程圖21是半自動(dòng)高電平校準(zhǔn)的流程圖22是手動(dòng)校準(zhǔn)的流程圖23是固定電壓鉗位的流程圖M是示出RMS馬達(dá)電壓鉗位的曲線圖25是示出RMS馬達(dá)電壓鉗位的曲線圖沈是失速減輕技術(shù)的流程圖27是示出失速減輕技術(shù)的曲線圖觀是與井內(nèi)的管狀管柱一起定位的抽油機(jī)的一個(gè)實(shí)施方式的正視圖四是在開(kāi)環(huán)模式中用于抽油機(jī)馬達(dá)的觀察相角相對(duì)時(shí)間的標(biāo)繪圖30是與馬達(dá)相連的系統(tǒng)框圖31是在閉環(huán)模式中用于抽油機(jī)馬達(dá)的觀察相角相對(duì)時(shí)間的標(biāo)繪圖，其中馬達(dá)電壓減小以在一個(gè)完整的泵送周期內(nèi)獲得目標(biāo)相角。
圖32是輸入線路電壓的單相位波形標(biāo)繪圖32A是在應(yīng)用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)以后供給至馬達(dá)的電壓的重?cái)夭ǖ膯蜗嗖ㄐ螛?biāo)繪圖32B是在應(yīng)用PWM技術(shù)以后供給至馬達(dá)的電壓的輕斬波的單相波形標(biāo)繪圖32C是在應(yīng)用PWM技術(shù)以后供給至馬達(dá)的電壓的可變斬波的單相波形標(biāo)繪圖32D是圖31的標(biāo)繪圖，其示出在重?cái)夭?、輕斬波和無(wú)斬波可能發(fā)生時(shí)的時(shí)期。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，示出了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 1以及硬件輸入端和輸出端的框圖。DSP 1 可以觀察馬達(dá)的工作特性，并且對(duì)正在運(yùn)行以及處于閉環(huán)控制下的馬達(dá)的均方根(RMS)電壓進(jìn)行修正。硬件輸入端2對(duì)相過(guò)零輸入36、相線路電壓37、相馬達(dá)電壓38和電流9進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)DSP 1進(jìn)行處理，然后通過(guò)功率控制裝置輸出端14至功率控制裝置上。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出基于DSP的馬達(dá)控制器4的系統(tǒng)和方法的框圖。首先，馬達(dá)控制器4讀取每相A、B和C的電壓37以及電流9以采集過(guò)零輸入36。此時(shí)，可以利用轉(zhuǎn)換器62將電壓13和電流9從模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。接下來(lái)對(duì)每相的馬達(dá)相角的計(jì)算63進(jìn)行運(yùn)算，以產(chǎn)生觀察相角5。下一步，將已由預(yù)編程的控制線路6得出的目標(biāo)相角10與觀察相角5進(jìn)行比較。目標(biāo)相角10與觀察相角5之間的差產(chǎn)生結(jié)果相位誤差信號(hào)(11J8)，該結(jié)果相位誤差信號(hào)(11、觀)由具有比例、積分和微分部件的PID控制器12處理。從PID控制器12的輸出是至馬達(dá)3的新的控制電壓(13、四)，該新的控制電壓(13、29)可以通過(guò)使用諸如TRIAC、SCR、IGBT或MOSFET的功率控制裝置33獲得，以便為了最大節(jié)能而對(duì)于每相在供給有線路電壓50的情況下產(chǎn)生RMS馬達(dá)電壓13的功率控制裝置輸出14。
在該閉環(huán)系統(tǒng)中，馬達(dá)3的每個(gè)相的電壓13和電流被連續(xù)地監(jiān)控。馬達(dá)控制器4 將觀察相角5驅(qū)動(dòng)至校準(zhǔn)控制線路6上的對(duì)應(yīng)于馬達(dá)上的負(fù)載的點(diǎn)。在該點(diǎn)，因?yàn)榭刂凭€路6基于來(lái)自馬達(dá)3的已知校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因此將實(shí)現(xiàn)最大地節(jié)能。馬達(dá)控制器4可以恰如技師手動(dòng)設(shè)定電壓13那樣控制馬達(dá)3。區(qū)別在于，DSP 1可以動(dòng)態(tài)地響應(yīng)于負(fù)載的實(shí)時(shí)變化， 并且在逐個(gè)周期的基礎(chǔ)上進(jìn)行這些調(diào)整。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，在三相系統(tǒng)中，馬達(dá)控制器4用于自動(dòng)確定相旋轉(zhuǎn)。關(guān)于線路電壓的過(guò)零檢測(cè)器精確測(cè)量相A的線路電壓過(guò)零15與相B的線路電壓過(guò)零16之間的角度。對(duì)于正相旋轉(zhuǎn)18，該角度標(biāo)稱地為120°，對(duì)于負(fù)相旋轉(zhuǎn)19，該角度標(biāo)稱地為60°。
參照?qǐng)D4，示出用于相位旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的流程圖。在上電復(fù)位(POR) 20以后，確定正相位旋轉(zhuǎn)18和負(fù)相位旋轉(zhuǎn)19對(duì)于馬達(dá)控制器4而言是容易的。首先，在39，測(cè)量從相A的線路電壓過(guò)零到相B的線路電壓過(guò)零的時(shí)間。接下來(lái)，在40，確定該時(shí)間大于還是小于90度。 如果該時(shí)間大于90度，則為ACB旋轉(zhuǎn)42。如果該時(shí)間小于90度，則為ABC旋轉(zhuǎn)41。馬達(dá)控制器4可以用相同的基本軟件和硬件結(jié)構(gòu)控制三相或單相馬達(dá)。對(duì)于三相的情況，根據(jù)相旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)控制器4可以驅(qū)動(dòng)功率控制裝置輸出端14。
現(xiàn)在參照示出正驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的功率控制裝置輸出的圖5，如由橢圓2 指示的那樣， 在相A的線路電壓過(guò)零15開(kāi)啟時(shí)間期間，馬達(dá)控制器將相A的功率控制裝置輸出端14和相B的功率控制裝置輸出端14 一起驅(qū)動(dòng)。類似地，如由橢圓22b指示那樣，在相B的開(kāi)啟時(shí)間期間，馬達(dá)控制器將相B的功率控制裝置16和相C的功率控制裝置輸出端14 一起驅(qū)動(dòng)。最后，如由橢圓22c指示那樣，在相C的功率控制裝置輸出端14開(kāi)啟時(shí)間期間，馬達(dá)控制器4將相C 17和相A的功率控制裝置輸出端14 一起驅(qū)動(dòng)。注意，圖5和圖6中示出的示例描述了 90°的觸發(fā)角/占空因數(shù)23。
現(xiàn)在參照示出用于負(fù)相旋轉(zhuǎn)的TRIAC(雙向三極管開(kāi)關(guān))驅(qū)動(dòng)輸出的圖6，如由橢圓22c指示那樣，在相位A的線路電壓過(guò)零15開(kāi)啟時(shí)間期間，馬達(dá)控制器4將相位A的功率控制裝置輸出端14和相位C的功率控制裝置輸出端14 一起驅(qū)動(dòng)。類似地，如由橢圓2 指示那樣，在相位B的線路電壓過(guò)零16開(kāi)啟時(shí)間期間，馬達(dá)控制器4將相位B 16和相位A 的功率控制裝置輸出端14 一起驅(qū)動(dòng)。最后，如由橢圓22b指示那樣，在相位C的線路電壓過(guò)零17開(kāi)啟時(shí)間期間，馬達(dá)控制器將相位C的功率控制裝置輸出端14和相位B的功率控制裝置輸出端14 一起驅(qū)動(dòng)。
現(xiàn)在參照示出窗口比較器的框圖的圖7。基于DSP的馬達(dá)控制器將窗口比較器88 用于檢測(cè)電流波形的正半部和負(fù)半部?jī)烧叩倪^(guò)零。當(dāng)RMS馬達(dá)電壓被馬達(dá)控制器減小時(shí)， 由于對(duì)于兩個(gè)半周期的相當(dāng)大部分的電流為零，因此難以檢測(cè)電流波形的過(guò)零。首先，提供馬達(dá)電流89，提供作為用于正半周期的基準(zhǔn)的正電壓90，以及提供作為基準(zhǔn)的負(fù)電壓91。 接下來(lái)，將電流、正電壓和負(fù)電壓遞送至兩個(gè)比較器92，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算(OR)門93以產(chǎn)生復(fù)合過(guò)零數(shù)字信號(hào)94。
如圖8中進(jìn)一步所示，示出窗口比較器88的示意圖。提供馬達(dá)電流89，提供作為用于正半周期的基準(zhǔn)的正電壓90，以及提供作為基準(zhǔn)的負(fù)電壓91。接下來(lái)，表現(xiàn)為正電壓和負(fù)電壓的電流由兩個(gè)比較器92處理，然后通過(guò)OR門93以產(chǎn)生復(fù)合過(guò)零數(shù)字信號(hào)94。
此夕卜，圖9示出電流波形95、正電壓半周期96、負(fù)電壓半周期97和OR函數(shù)98的曲線圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D10，示出虛擬中性電路的示意圖。在三相電僅在三角形模式下可用而不存在用作基準(zhǔn)的中性點(diǎn)的情形下，可以將虛擬中性電路用作基準(zhǔn)。該虛擬中性電路包括三個(gè)差分轉(zhuǎn)單端(differential-to-single-ended)放大器77。因?yàn)橄辔恢料辔浑妷焊?，所以輸入電阻?8用于與反饋電阻器80和接地基準(zhǔn)電阻器81 —起形成適當(dāng)?shù)乃p器79。 因?yàn)榇嬖跀嘞嗟奈ｋU(xiǎn)，故而將保護(hù)二極管82用于保護(hù)該差分轉(zhuǎn)單端放大器77。差分轉(zhuǎn)單端放大器77通過(guò)隔直電容器84和加和電阻器85以及反饋電阻器80耦合至加和放大器83。 加和放大器83的輸出由放大器27升壓，由此提供在中性電勢(shì)處的低阻抗輸出。額外的電阻器劃分供電軌，由此允許加和放大器83處理交替變化的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)。在中性點(diǎn)86 以及用于交替中性連接87的跳線接塊可用的情形下，交替連接是可用的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D11，圖11示出了用于單相應(yīng)用的功率控制裝置輸出端14，對(duì)于相A，輸出端14在以根據(jù)電壓過(guò)零輸入15獲得的功率控制裝置輸出14為基礎(chǔ)的每個(gè)半周期開(kāi)啟。 用于相B的線路電壓過(guò)零和相C的線路電壓過(guò)零的功率控制裝置輸出端14在DSP 1中被禁用，并且硬件可以不出現(xiàn)。功率控制裝置輸出端14不像它們?cè)谌嗲闆r下那樣配對(duì)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12，圖12圖示了馬達(dá)的馬達(dá)工作空間的三維控制線路，其在y軸上以觀察相角5為邊界。在χ軸上示出了表示電壓的減小的受控觸發(fā)角/占空因數(shù)23，而在ζ 軸上示出了馬達(dá)上的百分比負(fù)載對(duì)。
每個(gè)馬達(dá)均在其工作空間內(nèi)沿著參數(shù)控制線路25工作。例如，當(dāng)給定的馬達(dá)被加載50%，并且觸發(fā)角/占空因數(shù)23被設(shè)定為100°時(shí)，則觀察到約55°的相角5。
圖12中示出的參數(shù)控制線路25由從左上角的加載情況44至右下角的卸載情況 45的范圍內(nèi)變動(dòng)的五個(gè)參數(shù)工作點(diǎn)沈來(lái)限定。此外，參數(shù)控制線路25具有特殊意義，因?yàn)樵摼€路是馬達(dá)使用可能的最小能量的線路。如果觸發(fā)角/占空因數(shù)23增大而馬達(dá)電壓13 減小，則馬達(dá)將減速，并且可能失速。如果馬達(dá)3上的負(fù)載增大，則將看到類似結(jié)果。
如圖13中圖示的，參數(shù)控制線路25可以被參數(shù)化并且投影至一個(gè)平面上，該平面由沿著豎直方向的相角5和沿著水平方向的觸發(fā)角/占空因數(shù)23描述。
此外，如圖14中示出的，參數(shù)控制線路25可以顯示在二維曲線圖上。在χ軸上， 增大觸發(fā)角/占空因數(shù)23可以等同于減小馬達(dá)電壓。這是因?yàn)樾〉挠|發(fā)角/占空因數(shù)產(chǎn)生高電壓，而大的觸發(fā)角/占空因數(shù)產(chǎn)生低電壓。馬達(dá)控制器將把觀察相角5驅(qū)動(dòng)至控制線路25上對(duì)應(yīng)于馬達(dá)上當(dāng)前的負(fù)載的點(diǎn)。為了做到這一點(diǎn)，DSP計(jì)算電壓和電流之間的相
再參照?qǐng)D2的框圖，隨后，基于RMS電壓13的當(dāng)前值，或者等效地，基于觸發(fā)角/ 占空因數(shù)的當(dāng)前值，DSP 1計(jì)算下一個(gè)目標(biāo)相角5。觀察相角與目標(biāo)相角10之間的差導(dǎo)致相角誤差，該相角誤差通過(guò)PID控制器12或者類似裝置進(jìn)行處理以產(chǎn)生新的控制目標(biāo)。此控制目標(biāo)以使相角誤差最小的方式改變電壓。目標(biāo)相角10是動(dòng)態(tài)的，其根據(jù)觸發(fā)角/占空因數(shù)來(lái)改變。
如上所述，馬達(dá)控制器4將把觀察相角5驅(qū)動(dòng)至控制線路25上對(duì)應(yīng)于馬達(dá)3上的當(dāng)前負(fù)載的點(diǎn)。因?yàn)榭刂凭€路25直接根據(jù)受控的馬達(dá)3來(lái)校準(zhǔn)，故而此工作點(diǎn)沈提供可能的最大節(jié)能。
此校準(zhǔn)方法被稱為半自動(dòng)校準(zhǔn)。此半自動(dòng)校準(zhǔn)以掃描馬達(dá)的控制空間的DSP 1為基礎(chǔ)。如圖15中示出的，掃描控制空間的意思是DSP增大觸發(fā)角/占空因數(shù)23，沿途在離散的點(diǎn)記錄每個(gè)相位的電流9和觸發(fā)角/占空因數(shù)23。因此，以此方式，有可能看到馬達(dá)的失速點(diǎn)21的開(kāi)始。用于確定控制線路6上的點(diǎn)的、通過(guò)掃描控制空間7獲得的觀察數(shù)據(jù)曲線的良好限定的線性部分具有在低觸發(fā)角/占空因數(shù)23處的恒定的負(fù)斜率。隨后，當(dāng)觸發(fā)角/占空因數(shù)23繼續(xù)增大時(shí)，隨著馬達(dá)3開(kāi)始滑動(dòng)并且開(kāi)始失速，電流9開(kāi)始變平并且實(shí)際上開(kāi)始增大，其被稱為“膝部(knee)”31。
如圖16中示出的，隨后的掃描可以在馬達(dá)電壓的較小范圍被導(dǎo)控為在膝部“放大”。馬達(dá)控制器4需要多次掃描以獲取在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上精確的數(shù)據(jù)。掃描的數(shù)量與校準(zhǔn)控制線路25所需的時(shí)間之間存在權(quán)衡?？梢允褂靡阎y(tǒng)計(jì)處理通過(guò)DSP 1來(lái)維持對(duì)準(zhǔn)品質(zhì)的程度(measure)并且必要時(shí)可以進(jìn)行額外的掃描。由于DSP 1已經(jīng)從第一次掃描得知膝部31的近似位置，故而這是可信的。
由于裝備的受控環(huán)境，故而在半自動(dòng)掃描過(guò)程中，幾乎不存在失速的危險(xiǎn)。技師或者工作員幫助確保在進(jìn)行半自動(dòng)校準(zhǔn)的同時(shí)，正接受測(cè)試的馬達(dá)3上不會(huì)被突然施加負(fù)載。
可以在任意固定負(fù)載下進(jìn)行掃描控制空間的過(guò)程。例如，該過(guò)程可以在馬達(dá)3完全加載的情況下進(jìn)行一次，并且可以在馬達(dá)3卸載的情況下進(jìn)行一次。這兩個(gè)點(diǎn)成為限定控制線路25的兩個(gè)點(diǎn)。沒(méi)有必要精確地在這兩個(gè)點(diǎn)處進(jìn)行校準(zhǔn)。如果需要，DSP 1將把控制線路25延伸超過(guò)這兩個(gè)點(diǎn)。
存在許多方法可以用于在電流馬達(dá)電壓23的繪制圖中尋找失速點(diǎn)23。如圖17中示出的，一種方法使用“最小二乘法”方法計(jì)算最佳地?cái)M合由最初五個(gè)馬達(dá)電壓23列表顯示的積累的數(shù)據(jù)的直線。
圖18中示出了此方法的延續(xù)?？梢允褂弥暗臄?shù)據(jù)點(diǎn)預(yù)測(cè)電流9的值。以圖形的方式，DSP 1檢查從預(yù)測(cè)的直線沿正方向偏離的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)。
如圖19中示出的，DSP 1尋找曲線中膝部的開(kāi)始。從預(yù)測(cè)控制線路偏離的第一點(diǎn)可以是或者可以不是膝部31的開(kāi)始。帶有正誤差的第一點(diǎn)可以僅僅是噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)。核實(shí)通過(guò)掃描控制空間7獲得的觀察校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線正在轉(zhuǎn)彎的唯一方式是觀察通過(guò)額外的掃描獲得的數(shù)據(jù)。
半自動(dòng)校準(zhǔn)可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。現(xiàn)在參照?qǐng)D20，圖20示出了示出如何進(jìn)行半自動(dòng)校準(zhǔn)的流程圖。首先，將馬達(dá)3置于重載配置44中。理想地，此配置大于完全額定負(fù)載的50%。接下來(lái)，按壓馬達(dá)控制器4上的校準(zhǔn)按鈕32，告知DSP 1進(jìn)行完全加載測(cè)量。DSP 1 運(yùn)行校準(zhǔn)46，這需要數(shù)秒鐘時(shí)間研究馬達(dá)3的工作空間以確定完全加載點(diǎn)。借助于開(kāi)啟 LED,馬達(dá)控制器4指示其已經(jīng)完成此步驟。
接下來(lái)，將馬達(dá)3置于卸載配置45。理想地，此配置小于額定負(fù)載的25%。隨后， 按壓47馬達(dá)控制器4上的校準(zhǔn)按鈕32，以告知DSP 1進(jìn)行卸載測(cè)量。DSP 1運(yùn)行校準(zhǔn)46 以確定卸載點(diǎn)。借助于開(kāi)啟發(fā)光二極管(LED)，馬達(dá)控制器4指示其已經(jīng)完成校準(zhǔn)控制線路 25的兩端47。隨后，DSP 1使用兩個(gè)測(cè)量確定控制線路48，并且當(dāng)DSP 1管理馬達(dá)3時(shí)應(yīng)用此控制線路?？刂凭€路25的值存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器49。
圖21示出了半自動(dòng)校準(zhǔn)的更詳細(xì)的流程圖。首先，根據(jù)其是否為第一次掃描或者之前已經(jīng)運(yùn)行過(guò)掃描106，在馬達(dá)電壓設(shè)定在一定度數(shù)51的情況下，運(yùn)行第一次校準(zhǔn)掃描 46，其中馬達(dá)控制器測(cè)量馬達(dá)52，直至馬達(dá)控制器檢測(cè)到膝部53。如果檢測(cè)到膝部53，觸發(fā)角/占空因數(shù)減小兩度M，并且將相角和馬達(dá)電壓記錄至存儲(chǔ)器55。重復(fù)此過(guò)程以獲得至少四次掃描56，從而獲得相角和觸發(fā)角/占空因數(shù)的計(jì)算平均值57。如果在校準(zhǔn)掃描時(shí)的任意步驟期間，未檢測(cè)到膝部，則觸發(fā)角/占空因數(shù)增大至少一度58并且測(cè)量下一步驟 59。
一種用于校準(zhǔn)的替代性方法被稱為手動(dòng)校準(zhǔn)。圖22示出了手動(dòng)校準(zhǔn)的流程圖。首先，將馬達(dá)放置在測(cè)功計(jì)70。接下來(lái)，將馬達(dá)連接至計(jì)算機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制71，這允許使馬達(dá)在開(kāi)環(huán)模式下運(yùn)行，并且將交流感應(yīng)馬達(dá)的觸發(fā)角/占空因數(shù)手動(dòng)地設(shè)定為任何工作點(diǎn)。 隨后，將馬達(dá)置于完全卸載配置45。接下來(lái)，增大觸發(fā)角/占空因數(shù)并且減少RMS馬達(dá)電壓 72，直至馬達(dá)即將失速。記錄觸發(fā)角/占空因數(shù)和相角，其變?yōu)楸挥涗浀男?zhǔn)點(diǎn)73。隨后， 在驅(qū)動(dòng)元件完全開(kāi)啟的情況下，起動(dòng)馬達(dá)74。隨后，將馬達(dá)置于完全加載配置44。接下來(lái)， 增大或減小觸發(fā)角/占空因數(shù)，直至RMS馬達(dá)電壓由馬達(dá)控制器75斬波至馬達(dá)即將失速。 記錄觸發(fā)角/占空因數(shù)，其變?yōu)楸挥涗浀牧硪恍?zhǔn)點(diǎn)73。最后，使用兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)形成控制線路76。
當(dāng)RMS線路電壓大于已編程的固定電壓時(shí)，DSP控制器將RMS馬達(dá)電壓鉗位為即使在完全負(fù)載下也可能節(jié)能的固定電壓。例如，如果在單一相位的情況下電源電壓在115V 的馬達(dá)銘牌電壓以上，則將馬達(dá)電壓鉗位在115V。即使當(dāng)在單一相位或者三相應(yīng)用中馬達(dá)完全加載時(shí)，鉗位馬達(dá)電壓的此工作允許馬達(dá)控制器節(jié)能。
圖23示出了固定電壓鉗位的流程圖。首先，計(jì)算相位誤差64。接下來(lái)，計(jì)算電壓誤差65。隨后，確定交流感應(yīng)馬達(dá)的RMS馬達(dá)電壓，并且將其與固定電壓閾值比較66。如果RMS馬達(dá)電壓大于固定電壓閾值，則確定控制目標(biāo)是否為正67。如果控制目標(biāo)為正，則運(yùn)行電壓控制循環(huán)68。如果交流感應(yīng)馬達(dá)的RMS馬達(dá)電壓小于固定電壓閾值，則運(yùn)行控制線路閉環(huán)69，并重復(fù)整個(gè)過(guò)程。如果控制目標(biāo)被確定為不為正，則運(yùn)行控制線路循環(huán)69，并再次重復(fù)整個(gè)過(guò)程。
在某些情況下，在校準(zhǔn)過(guò)程期間，可能有可能使馬達(dá)3完全加載。在現(xiàn)場(chǎng)安裝馬達(dá)的同時(shí)，可能50%就是可能獲得的最大負(fù)載。相反地，可能沒(méi)有可能使馬達(dá)完全卸載；可能 40%就是可能獲得的最低負(fù)載。
圖M示出了兩負(fù)載點(diǎn)均在工作范圍的中心附近的示例。在控制線路25的右側(cè)的卸載端45上，DSP 1將電壓的固定電壓鉗位60設(shè)定為最小電壓35。當(dāng)馬達(dá)上的負(fù)載增大時(shí)，DSP 1將依循控制線路向左上移動(dòng)達(dá)到控制段61。此實(shí)施例是保守方法，保護(hù)馬達(dá)3不在未校準(zhǔn)空間內(nèi)運(yùn)行。
如圖25中進(jìn)一步示出的，在左側(cè)的完全加載端44上，DSP 1將使控制段61與大的負(fù)斜率合成。此實(shí)施是保守方法，并且將電壓驅(qū)動(dòng)至完全開(kāi)啟。
現(xiàn)在參照?qǐng)D沈，基于DSP的馬達(dá)控制器使用特殊技術(shù)保護(hù)馬達(dá)不失速。首先，DSP 主動(dòng)監(jiān)控電流中的顯著增大，這指示馬達(dá)上的負(fù)載已經(jīng)增大。接下來(lái)，如果觀察到顯著的增大100，則DSP將馬達(dá)電壓轉(zhuǎn)為全開(kāi)狀態(tài)101。接下來(lái)，DSP將試圖減少馬達(dá)電壓，以返回控制102，而DSP返回對(duì)電流中的顯著增大的主動(dòng)監(jiān)控99。此技術(shù)是保守的以及對(duì)試圖追蹤該時(shí)刻未知的功率需求的DSP的安全替代。
如圖27中進(jìn)一步示出的，圖27是失速減輕技術(shù)的曲線圖，χ軸上表示馬達(dá)上的負(fù)載，y軸上表示時(shí)間。底部線103表示馬達(dá)上的負(fù)載103，而頂部線表示由DSP施加至馬達(dá)的功率104。在點(diǎn)a 105以前，DSP在固定負(fù)載的情況下動(dòng)態(tài)地控制馬達(dá)。在點(diǎn)a 105與點(diǎn) b 30之間，馬達(dá)上的負(fù)載突然增大，DSP將馬達(dá)電壓變?yōu)橥耆_(kāi)啟。在點(diǎn)c 34，DSP將馬達(dá)電壓減少至點(diǎn)d 43。
在圖28中，抽油機(jī)30’與井W鄰近地設(shè)置在地面上。原動(dòng)機(jī)或馬達(dá)6’用傳動(dòng)帶 18’驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)裝置或變速器8’。馬達(dá)6’可以與用于供給電力的公用電網(wǎng)連接。配重臂或曲臂10’的一端與齒輪傳動(dòng)裝置8，設(shè)置在一起，配重臂10’的另一端與配重或旋轉(zhuǎn)塊 12’設(shè)置在一起。優(yōu)選地，存在兩個(gè)配重臂10’，配重12’設(shè)置在兩個(gè)配重臂10’之間。杠桿或游梁2’在游梁支柱或A形架14’上樞轉(zhuǎn)。游梁拉桿臂或梁臂16’與梁2’的一端旋轉(zhuǎn)地附連，梁臂16’的另一端與旋轉(zhuǎn)塊12’和配重臂10’的端部旋轉(zhuǎn)地附連。梁伸出部或頭部4’與井W鄰近地設(shè)置在游梁2’的端部?，F(xiàn)在可以理解，抽油機(jī)30’具有常規(guī)設(shè)計(jì)。
纜索20’的一端與游梁頭部4’附連，纜索20’的另一端與光桿或桿22’附連。桿 22’設(shè)置有大致豎直的管狀管柱或抽油桿沈’，管狀管柱或抽油桿26’在井W內(nèi)通過(guò)生產(chǎn)油管延伸至井下泵觀’。管狀管柱可以包括抽油桿、管、管件、或者與抽油機(jī)或輔助從井中泵送或提升流體的其他類似裝置一起使用的其他部件。馬達(dá)6’可以通過(guò)使配重臂10’的端部圍繞水平軸線旋轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)30’。當(dāng)配重12’向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，梁2’在A形架14’上圍繞水平軸線樞轉(zhuǎn)，并且使游梁頭部4’向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)配重12’運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)其最上方位置時(shí)，配重12’由于重力及其動(dòng)量而向下自由降落，梁2’圍繞A形架14’樞轉(zhuǎn)并使游梁頭部4’向上運(yùn)動(dòng)。游梁頭部4’對(duì)管件沈’的管柱的推動(dòng)和拉動(dòng)操作井下泵觀’內(nèi)的活塞。管狀管柱26’在井W內(nèi)大致豎直地運(yùn)動(dòng)和往復(fù)。
馬達(dá)6’通常為能量消耗模式。然而，當(dāng)降落塊(配重12’或者桿或管狀管柱沈’) 自由降落時(shí)，馬達(dá)6’可以處于能量產(chǎn)生模式，由此將馬達(dá)6’加速至超過(guò)其同步速度，其中該速度由所產(chǎn)生的電流限制。盡管圖觀中示出了示例性常規(guī)抽油機(jī)30’，但可以設(shè)想，本發(fā)明的實(shí)施方式可以采用所有抽油機(jī)設(shè)計(jì)，包括但不局限于不同的常規(guī)設(shè)計(jì)、拉夫金 馬克 II設(shè)計(jì)、游梁平衡設(shè)計(jì)和常規(guī)便攜式設(shè)計(jì)。盡管上述實(shí)施方式以抽油機(jī)示出，但也可以設(shè)想，所有實(shí)施方式均可以用于具有旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)塊的任何裝置。
轉(zhuǎn)到圖四，圖四示出了用于在開(kāi)環(huán)模式下附連至抽油機(jī)的電動(dòng)馬達(dá)、例如圖觀中示出的馬達(dá)6’和抽油機(jī)30’的標(biāo)繪圖36’，該圖的縱軸32’上示出了觀察相角，橫軸34’上是時(shí)間。下文通過(guò)圖30至圖32D描述的本發(fā)明的實(shí)施方式尚未附連至電動(dòng)馬達(dá)；因此，馬達(dá)處于開(kāi)環(huán)模式。在縱軸32’上的90度觀察相角處，畫出了第二水平線40’。當(dāng)繪制圖36’ 在第二水平線40’上方的繪制圖第一節(jié)段42’超過(guò)90度的觀察相角時(shí)，則馬達(dá)處于能量產(chǎn)生模式。在馬達(dá)產(chǎn)生能量而非消耗能量時(shí)，電流以超出90度的相角落后于電壓。在產(chǎn)生能量過(guò)程中相角越大，產(chǎn)生的功率越大。在第一水平線38’下方的繪制圖第二節(jié)段44’中，馬達(dá)處于重耗能模式。在縱軸32’上小于90度的目標(biāo)相角處，畫出第一水平線38’。下文通過(guò)圖30和圖31詳細(xì)討論目標(biāo)相角。
在圖30中，閉環(huán)馬達(dá)控制器50’示意性地示出為連接至可以與諸如圖28中的抽油機(jī)30’的抽油機(jī)連接的諸如圖觀中的馬達(dá)6’的電動(dòng)馬達(dá)62’。也可以設(shè)想其他抽油機(jī)設(shè)計(jì)用于圖30。馬達(dá)控制器50’可以是PID控制器。然而，也可以設(shè)想其他閉環(huán)馬達(dá)控制器。設(shè)想了諸如圖1和圖2中的基于DSP的馬達(dá)控制器的基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的馬達(dá)控制器，但是也可以設(shè)想其他類型的基于DSP的馬達(dá)控制器。以與圖1和圖2中示出的相同的方式，閉環(huán)馬達(dá)控制器50’可以與馬達(dá)(6’、62’)連接。也可以設(shè)想基于微型處理器的控制器。在一個(gè)實(shí)施方式中，閉環(huán)控制器系統(tǒng)可以具有PID控制器作為部件。在閉環(huán)控制系統(tǒng)或者伺服系統(tǒng)48’中，控制器50’可以根據(jù)供給至馬達(dá)62’的電壓和電流計(jì)算52’ 觀察相角。
有利地，馬達(dá)(6’、62’ )、抽油機(jī)30’或者井下泵28’無(wú)需設(shè)置傳感器。此外，閉環(huán)系統(tǒng)48’可以適用于每個(gè)單獨(dú)的井下泵觀’，并且適用于隨著時(shí)間改變泵觀’和井W的參數(shù)和要求，包括但不局限于改變諸如氣、油、水和泥漿的泵送的材料和/或流體的體積、密度、 粘度、重量和其他性質(zhì)。由系統(tǒng)48’監(jiān)控的電壓和電流用作井狀態(tài)的指示，使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)于變化的井參數(shù)。在大致連續(xù)的基礎(chǔ)上監(jiān)控電壓和電流使得能夠大致連續(xù)地讀取井狀態(tài)。當(dāng)用具有不同特性的其他部件替代抽油機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)有部件，例如用具有不同重量的不同管狀管柱來(lái)替代管狀管柱、或者用不同尺寸的配重來(lái)替代配重時(shí)，假定更換部件后機(jī)械系統(tǒng)重新平衡，則閉環(huán)系統(tǒng)48’也適用。在機(jī)械系統(tǒng)重新平衡以后，本發(fā)明的實(shí)施方式允許重新開(kāi)始節(jié)能。
輸入控制器50’的目標(biāo)相角58’可以與通過(guò)控制器50’確定的兩個(gè)值之間的差或誤差60’以及所計(jì)算的觀察相角52’相比較?？梢栽O(shè)想，目標(biāo)相角58’可以大致為90度， 或者目標(biāo)相角58’可以大于或者小于90度。在安裝時(shí)，目標(biāo)相角58’可以選擇為為使用中的馬達(dá)產(chǎn)生最佳結(jié)果。對(duì)于例如65度的所有馬達(dá)負(fù)載，目標(biāo)相角58’均可以是恒定的，但也可以設(shè)想其他恒定的目標(biāo)相角58’。目標(biāo)相角58’也可以是任何瞬時(shí)的馬達(dá)負(fù)載的可變函數(shù)。對(duì)目標(biāo)相角58’的設(shè)定可以是如下最低的可能目標(biāo)相角，其在所有時(shí)刻維持足夠的可觀察電流同時(shí)提供足以滿足馬達(dá)在所有負(fù)載情況下的需求的功率。
基于誤差信號(hào)60’，馬達(dá)控制器50’可以控制施加至馬達(dá)62’的供給電壓54’。當(dāng)因?yàn)橛^察相角過(guò)大、例如在開(kāi)環(huán)能量產(chǎn)生模式期間誤差60’相當(dāng)大時(shí)，控制器50’可以將對(duì)馬達(dá)62’的供給電壓減少至更低值，例如將觀察相角52’減少至目標(biāo)相角58’。當(dāng)因?yàn)橛^察相角過(guò)小、例如在重載能量消耗模式期間誤差60’相當(dāng)大時(shí)，控制器50’可以將對(duì)馬達(dá)62’ 的供給電壓54’增大至更高的值，以便使觀察相角52’移動(dòng)至目標(biāo)相角58’。在此閉環(huán)系統(tǒng)48’中，可以連續(xù)監(jiān)控電壓和電流，并且由馬達(dá)控制器50’控制。也可以設(shè)想，如圖2中示出的，供給電壓54，可以通過(guò)使用諸如TRIAC、SCR、IGBT或者M(jìn)OSFET的功率控制裝置來(lái)控制。此外，控制器50’使用計(jì)時(shí)器和脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)來(lái)控制供給電壓，這將在下文通過(guò)圖32至圖32D詳細(xì)討論。也可以設(shè)想其他技術(shù)。
再參照?qǐng)D30，控制器50’讀取馬達(dá)62’中的電流和每個(gè)相位的電壓以采集過(guò)零點(diǎn)。 出版物U. S. 2009/0046490的圖5和圖6分別提出了設(shè)想的電壓過(guò)零點(diǎn)確定裝置的示波圖和電路圖。也可以設(shè)想其他類型的電壓過(guò)零點(diǎn)確定裝置。如圖2中示出的，可以使用一個(gè)或多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓和電流從模擬式轉(zhuǎn)換為數(shù)字式，以便進(jìn)行監(jiān)控和/或控制?？刂破?0’可以進(jìn)行馬達(dá)相角的計(jì)算52’以獲得觀察相角。控制器50’可以將觀察相角52’與目標(biāo)相角58’比較，并且作為響應(yīng)而控制馬達(dá)供給電壓54’?？梢栽谝粋€(gè)或多個(gè)相位中觀察相角?？刂破?0，可以用于自動(dòng)地確定相旋轉(zhuǎn)。出版物No. U. S. 2009/0046490的圖7中提出了設(shè)想的相支承裝置和相旋轉(zhuǎn)確定裝置的電路圖，其中采用了多相工作。
此外，可以設(shè)想，可以從相位至相位、或者從相位至中性點(diǎn)監(jiān)控電壓。圖10中是設(shè)想的虛擬中性電路的示意圖。也可以設(shè)想其他虛擬中性電路。在三相功率僅在三角形模式下可用并且不存在用于用作基準(zhǔn)的中性點(diǎn)的情形下，虛擬中性電路可以用作基準(zhǔn)。也可以設(shè)想，可以使用窗口比較器檢測(cè)電流波形的正半部和負(fù)半部?jī)烧叩倪^(guò)零。圖7和圖8中是窗口比較器。也可以設(shè)想其他窗口比較器。出版物No. U. S. 2009/0046490的圖8、圖9和圖 10分別提出了設(shè)想的半周期識(shí)別裝置的電路圖和示波圖。
轉(zhuǎn)到圖31，該圖示出了用于閉環(huán)模式下諸如圖觀中的馬達(dá)6’和抽油機(jī)30’的與抽油機(jī)附連的電動(dòng)馬達(dá)的標(biāo)繪圖64’，縱軸32’是觀察相角，而橫軸34’上是時(shí)間。如圖四中，在第一水平線38’處，存在小于90度的目標(biāo)相角。與圖四中不同，圖31中表示的電動(dòng)馬達(dá)輸出來(lái)自于如圖30中示出的設(shè)置有馬達(dá)的閉環(huán)系統(tǒng)48’。圖31中的標(biāo)繪圖第一節(jié)段 70’是觀察相角超過(guò)開(kāi)環(huán)模式下的目標(biāo)相角處。然而，在閉環(huán)模式下在標(biāo)繪圖第一節(jié)段70’ 中，誤差信號(hào)60’借助于控制器50’產(chǎn)生控制工作以便減少對(duì)馬達(dá)的供給電壓M’以維持目標(biāo)相角38’。當(dāng)開(kāi)環(huán)模式中觀察相角超過(guò)90度時(shí)，觀察相角的大值產(chǎn)生圖30中誤差信號(hào) 60，的大值。
在標(biāo)繪圖第一節(jié)段70’期間，使用PWM技術(shù)有效地關(guān)閉馬達(dá)，而不實(shí)際上切斷對(duì)馬達(dá)的供電。此時(shí)馬達(dá)中仍有電流流動(dòng)，這允許控制器50’知曉何時(shí)增大在能量模式消耗期間所需的對(duì)馬達(dá)的供給電壓。電流的有功分量可以幾乎減少為零，無(wú)功分量大于零。借助于當(dāng)減少電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分為無(wú)功性質(zhì)的一些電流，提供了可觀察的反饋參數(shù)，所述反饋參數(shù)在閉環(huán)控制系統(tǒng)48’中用作負(fù)載狀況的指示標(biāo)記，控制器50’可能對(duì)所述指示標(biāo)記產(chǎn)生反應(yīng)，在能量消耗相位按需供給功率。
由于電流為無(wú)功性質(zhì)，故而僅有的功率保留具有表觀(apparent)性質(zhì)。電流允許控制器持續(xù)觀察電流和電壓之間的相角。當(dāng)如圖四中示出的開(kāi)環(huán)模式下的觀察相角不然則在其大于90度的最大值時(shí)，近似在圖31中的標(biāo)繪圖第一位置66’處，出現(xiàn)最大的馬達(dá)電壓減少。
當(dāng)在閉環(huán)模式下觀察相角超過(guò)目標(biāo)相角時(shí)，可以通過(guò)PWM技術(shù)減少供給電壓，直至觀察相角達(dá)到目標(biāo)相角。在圖31中的繪制圖第一節(jié)段71’的開(kāi)始處，馬達(dá)控制器50’將觀察相角從開(kāi)環(huán)模式減少至目標(biāo)相角。此后，控制器50’將觀察相角大致維持在目標(biāo)相角。 觀察相角在目標(biāo)相角以下的任何進(jìn)一步減少可以被理解為負(fù)載增大，對(duì)此控制器50’可以借助于增大供給電壓54’來(lái)響應(yīng)，直至再次達(dá)到目標(biāo)相角。當(dāng)觀察相角下降至目標(biāo)相角以下時(shí)，在繪制圖第二位置68’處出現(xiàn)對(duì)馬達(dá)的供給電壓的最大增大。當(dāng)配重或者往復(fù)塊借助于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)，觀察相角的值將通常小于目標(biāo)相角，這將產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)產(chǎn)生借助于控制器50’將供給至馬達(dá)的電壓增大的控制工作。在第一水平線38’以下的繪制圖第二節(jié)段44’中，馬達(dá)處于重耗能模式。
轉(zhuǎn)到圖32，輸入線路電壓的波形繪制圖200在單一相位中圖示，但也可以設(shè)想為三相電壓。圖32A中，已經(jīng)使用PWM技術(shù)以斬除或去除電壓波形繪制圖節(jié)段204，同時(shí)保留電壓波形繪制圖節(jié)段202。圖32A圖示了供給電壓的重?cái)夭?，其中斬除了電壓波形的大?jié)段 204。圖32B圖示了通過(guò)PWM技術(shù)對(duì)電壓波形的輕斬波，其中，被斬除的電壓波形繪制圖節(jié)段206小于圖32A中示出的斬除節(jié)段204。在圖32B中，留下的波形繪制圖節(jié)段208大于圖 32A中留下的波形繪制圖節(jié)段202。
在產(chǎn)生開(kāi)環(huán)能量產(chǎn)生模式期間，例如在圖31中在繪制圖第一位置66’處，產(chǎn)生圖 32A中的重?cái)夭?。在圖32D中，重?cái)夭?10A的時(shí)期在繪制圖節(jié)段210處圖示。圖32A中示出的電壓減少將電流的有功分量幾乎減少為零，同時(shí)留下大于零的無(wú)功分量。這是當(dāng)馬達(dá)被有效地美閉、同時(shí)仍留下足夠的電流以觀察相角時(shí)的時(shí)期。
當(dāng)馬達(dá)處于例如在圖31中在繪制圖第二節(jié)段44’處所發(fā)生的重載耗能模式時(shí)，則大致無(wú)電壓波形節(jié)段被消除，而馬達(dá)供給電壓大致如圖32中所示。在圖32D中，大致無(wú)斬波的時(shí)期212A在繪制圖節(jié)段212處出現(xiàn)。
在圖32D中，DSP控制器在繪制圖位置2 和2 處處于控制模式。在那些時(shí)期期間，馬達(dá)不處于重載耗能模式，并且不在將產(chǎn)生開(kāi)環(huán)能量產(chǎn)生模式時(shí)的時(shí)期內(nèi)。在控制模式下，可以產(chǎn)生如圖32B中示出的輕斬波226A，或者可以產(chǎn)生如圖32C中示出的可變斬波以控制馬達(dá)電壓。當(dāng)馬達(dá)輕度加載時(shí)，這可能發(fā)生，在馬達(dá)仍然耗能的同時(shí)節(jié)能。圖32C中的可變斬波使用PWM斬除變化尺寸的波形繪制圖節(jié)段Ο14、216、218、220、222、2Μ)以控制馬達(dá)電壓。圖32C中斬除的電壓波形繪制圖節(jié)段Q14、216、218、220、222、2M)的尺寸可以均不相同，留下均為不同尺寸的電壓波形節(jié)段。
應(yīng)當(dāng)理解，馬達(dá)控制器可以使用輕斬波、重?cái)夭ā⒖勺償夭ɑ蛘邿o(wú)斬波的任何組合或排列以便將馬達(dá)供給電壓的觀察相角控制為目標(biāo)相角。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或者馬達(dá)控制器試圖維持大致恒定的觀察相角，并且將斬除為達(dá)此點(diǎn)所需的量?；谟^察相角，DSP 控制馬達(dá)電壓。供給電壓的斬波量可以變化。
當(dāng)運(yùn)行開(kāi)環(huán)的電動(dòng)馬達(dá)處于能量產(chǎn)生模式時(shí)，由輸電系統(tǒng)顯示出的負(fù)載有效地用作對(duì)馬達(dá)的制動(dòng)，由此限制馬達(dá)的速度。這由于產(chǎn)生的電壓試圖超過(guò)由所述公共設(shè)施顯示出的電壓而發(fā)生，由此導(dǎo)致顯示出的電流沿反方向流動(dòng)。當(dāng)如圖30至圖32D所示應(yīng)用閉環(huán)控制器系統(tǒng)和方法時(shí)，可以有效地最小化或者消除此制動(dòng)作用，在此期間，馬達(dá)和系統(tǒng)將通常加速。系統(tǒng)中儲(chǔ)存的此額外的動(dòng)能將用于執(zhí)行部分泵送作用，而不消耗馬達(dá)中的能量。最小化或者大致防止能量產(chǎn)生消除了在泵送周期的其他部分中消耗能量的需要，由此節(jié)能。
現(xiàn)在可以理解，供給至馬達(dá)的電功率在開(kāi)環(huán)下會(huì)發(fā)生的能量產(chǎn)生模式期間被有效地“關(guān)閉”，同時(shí)維持電壓和電流的反饋信號(hào)以確定當(dāng)觀察相角減弱時(shí)何時(shí)再次開(kāi)啟電動(dòng)馬達(dá)。此系統(tǒng)和方法將始終如一地適配于井中變化的參數(shù)，這在過(guò)去是無(wú)法做到的。舉一個(gè)例子，所述馬達(dá)和系統(tǒng)適配于在不同時(shí)刻泵送具有不同密度或者重量的兩個(gè)或更多個(gè)流體。 由所述系統(tǒng)監(jiān)控的電壓和電流用作井狀況的指示標(biāo)記，允許系統(tǒng)適應(yīng)于變化的井參數(shù)。借助于不進(jìn)入能量產(chǎn)生模式，可以最小化或者消除由開(kāi)環(huán)能量產(chǎn)生模式產(chǎn)生的制動(dòng)作用，故而獲得了系統(tǒng)中加速的益處。借助于最小化或者消除不然則被系統(tǒng)消耗的能量，可以從減少對(duì)馬達(dá)的供給電壓以及從當(dāng)在產(chǎn)生模式時(shí)最小化或者消除馬達(dá)的制動(dòng)作用兩方面引起節(jié)能。
設(shè)想電動(dòng)馬達(dá)的所有類型和設(shè)計(jì)，用于與上文描述的本發(fā)明的不同實(shí)施方式一起使用，這些類型和設(shè)計(jì)包括但不局限于交流感應(yīng)馬達(dá)和交流同步馬達(dá)。設(shè)想抽油機(jī)的所有類型和設(shè)計(jì)，用于與上文描述的本發(fā)明的不同實(shí)施方式一起使用，這些類型和設(shè)計(jì)電括但不局限于所有常規(guī)設(shè)計(jì)、拉夫金·馬克II設(shè)計(jì)、游梁平衡設(shè)計(jì)和常規(guī)便攜式設(shè)計(jì)。盡管所述實(shí)施方式隨抽油機(jī)示出，但也可以設(shè)想，上文描述的所有實(shí)施方式也可以用于具有旋轉(zhuǎn)或往復(fù)塊的任何裝置。盡管一些實(shí)施方式已經(jīng)示出為帶有單向電壓和電流，但也可以設(shè)想， 本發(fā)明的所有實(shí)施方式帶有單相或多相電壓和電流。
本發(fā)明的上述公開(kāi)和描述是其示例和說(shuō)明，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以對(duì)圖示的設(shè)備和系統(tǒng)、構(gòu)造和工作的方法的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于隨井設(shè)置的帶有配重的抽油機(jī)的節(jié)能方法，所述方法電括如下步驟 從公用電網(wǎng)向與所述抽油機(jī)連接的電動(dòng)馬達(dá)供給電壓和電流；利用所述電動(dòng)馬達(dá)使所述抽油機(jī)的配重旋轉(zhuǎn)； 觀察供給至所述馬達(dá)的所述電壓和所述電流之間的相角； 將所述觀察相角與目標(biāo)相角進(jìn)行比較；以及當(dāng)所述觀察馬達(dá)相角大于所述目標(biāo)相角時(shí)，減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電流包括有功分量和無(wú)功分量，所述減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓的步驟使得所述電流的所述有功分量為基本上零，并使得所述電流的所述無(wú)功分量大于零。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述減小的步驟仍然允許足夠的電流，以觀察所述相角。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述減小的步驟使得所述抽油機(jī)的配重與所述配重在沒(méi)有減小的步驟的情況下的旋轉(zhuǎn)相比旋轉(zhuǎn)得更快。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟在所述井中沿基本上豎直的方向使與所述抽油機(jī)連接的管狀管柱運(yùn)動(dòng)； 其中，所述減小的步驟使得所述管狀管柱與所述管狀管柱在沒(méi)有減小的步驟的情況下的運(yùn)動(dòng)相比運(yùn)動(dòng)得更快。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述減小的步驟使得所述馬達(dá)與所述馬達(dá)在沒(méi)有減小的步驟的情況下的旋轉(zhuǎn)相比旋轉(zhuǎn)得更快。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟 在第一時(shí)間泵送具有第一流體密度的第一流體；當(dāng)在所述泵送所述第一流體的步驟期間所述觀察馬達(dá)相角大于所述目標(biāo)相角時(shí)，減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓；在第二時(shí)間泵送具有第二流體密度的第二流體；當(dāng)在所述泵送所述第二流體的步驟期間所述觀察馬達(dá)相角大于所述目標(biāo)相角時(shí)，減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟 將所述觀察相角保持在基本上所述目標(biāo)相角。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括如下步驟當(dāng)所述觀察相角小于所述目標(biāo)相角時(shí)，增大對(duì)所述馬達(dá)的所述供給電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，對(duì)于施加至所述馬達(dá)的所有負(fù)載，所述目標(biāo)相角恒定。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述目標(biāo)相角是在任意瞬時(shí)施加至所述馬達(dá)的負(fù)載的可變函數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述比較的步驟通過(guò)與所述馬達(dá)電連接的閉環(huán)馬達(dá)控制器執(zhí)行。
13.一種用于節(jié)能的系統(tǒng)，包括電動(dòng)馬達(dá)，所述電動(dòng)馬達(dá)與具有配重的抽油機(jī)連接；以及與所述馬達(dá)電連接的閉環(huán)控制器，用于觀察供給至所述馬達(dá)的電壓和電流之間的相角、比較所述觀察相角與目標(biāo)相角、并且當(dāng)所述觀察相角大于所述目標(biāo)相角時(shí)，減小供給至所述馬達(dá)的電壓。
14.一種用于與井內(nèi)的管狀管柱連接的抽油機(jī)的節(jié)能方法，所述方法包括如下步驟 向與所述抽油機(jī)設(shè)置在一起的馬達(dá)供給電壓和電流，其中，所述電流具有有功分量和無(wú)功分量；利用所述馬達(dá)使所述管狀管柱在所述井內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 觀察供給至所述馬達(dá)的所述電壓和電流之間的相角； 比較所述觀察相角與目標(biāo)相角；以及當(dāng)所述觀察馬達(dá)相角大于所述目標(biāo)相角時(shí)，減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓，使得所述電流的有功分量為基本上零，并使得所述電流的無(wú)功分量大于零。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述減小的步驟仍然允許足夠的電流，以觀察所述相角。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述減小的步驟使得所述管狀管柱與所述管狀管柱在沒(méi)有減小的步驟的情況下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)相比往復(fù)運(yùn)動(dòng)得更快。
17.一種用于具有配重的抽油機(jī)的節(jié)能方法，所述方法包括如下步驟 從公用電網(wǎng)向與所述抽油機(jī)連接的電動(dòng)馬達(dá)供給電壓和電流；利用所述電動(dòng)馬達(dá)使所述抽油機(jī)的配重旋轉(zhuǎn)； 觀察供給至所述馬達(dá)的所述電壓和所述電流之間的相角； 比較所述觀察相角與目標(biāo)相角；當(dāng)所述觀察馬達(dá)相角大于所述目標(biāo)相角時(shí)，減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓； 其中，所述減小的步驟使得所述抽油機(jī)的配重與所述配重在沒(méi)有減小的步驟的情況下的旋轉(zhuǎn)相比旋轉(zhuǎn)得更快。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述電流包括有功分量和無(wú)功分量，所述減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓的步驟使得所述電流的有功分量為基本上零，并且使得所述電流的無(wú)功分量大于零。
19.一種用于隨井設(shè)置的具有配重的抽油機(jī)的節(jié)能方法，所述方法包括如下步驟 向與所述抽油機(jī)電連接的電動(dòng)馬達(dá)供給電壓和電流；通過(guò)閉環(huán)控制器控制所述電動(dòng)馬達(dá)； 利用所述電動(dòng)馬達(dá)使所述抽油機(jī)旋轉(zhuǎn)；以及在如果所述馬達(dá)不通過(guò)所述閉環(huán)控制器控制則所述馬達(dá)產(chǎn)生能量的情況下，通過(guò)所述閉環(huán)控制器減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，如果供給至在開(kāi)環(huán)中操作的所述馬達(dá)的所述電壓和電流之間的相角大于90度，則所述電動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生能量。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述電流包括有功分量和無(wú)功分量，所述減小對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓的步驟使得所述電流的有功分量為基本上零，并且使得所述電流的無(wú)功分量大于零。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括如下步驟觀察供給至所述馬達(dá)的所述電壓和電流之間的相角；以及保持供給至所述馬達(dá)的所述電壓和電流之間的目標(biāo)相角。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括如下步驟當(dāng)所述觀察相角小于所述目標(biāo)相角時(shí)，增大對(duì)所述馬達(dá)的供給電壓。
全文摘要
提供一種通過(guò)當(dāng)馬達(dá)在開(kāi)環(huán)模式下產(chǎn)生能量時(shí)減小對(duì)馬達(dá)的供給電壓來(lái)減少由抽油機(jī)電動(dòng)馬達(dá)消耗的能量的系統(tǒng)和方法。通過(guò)大致消除能量產(chǎn)生模式，消除了公用電網(wǎng)的否則將會(huì)發(fā)生的限制馬達(dá)和系統(tǒng)的加速的制動(dòng)作用。馬達(dá)和系統(tǒng)將加速，使得循環(huán)運(yùn)動(dòng)的自然動(dòng)能能夠執(zhí)行部分泵送作用。與馬達(dá)電連接的閉環(huán)控制器從供給至馬達(dá)的電壓和電流之間的觀察相角計(jì)算必要的信息。通過(guò)減小對(duì)馬達(dá)的供給電壓，可以將觀察相角減小至目標(biāo)相角。
文檔編號(hào)F04B49/00GK102498294SQ201080039849
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者保羅·H·凱利, 瓦?！の目ㄋ? 約翰·L·拉姆斯登 申請(qǐng)人:智能動(dòng)力股份有限公司