螺杆泵运行控制方法及其控制系统技术领域
本发明涉及一种螺杆泵运行控制领域，尤其涉及一种螺杆泵运行控制方法及其控制系统。
背景技术
螺杆泵(screwpumps或progressivecavitypumps)常用于石化工业中，以从油井中抽吸石油。一般而言，螺杆泵的运行是由一控制系统控制，其中控制系统包含一电动马达及一马达驱动器，而螺杆泵则包含具有一转子及一定子的一泵杆，螺杆泵的泵杆实体上是位于油井的深处，以抽吸石油至表面，转子与定子的组合所形成的几何形状则构成两个或更多组螺旋形而独立的腔体。当转子在定子内转动时，腔体是由定子的一端以螺旋状方式移动至另一端而建立正位移(正转)的抽吸作动，藉此将石油吸出至表面。
当螺杆泵正转而进行正常的抽吸运行时，由电动马达所驱动的螺杆泵将提供电能而卷取泵杆，以将石油吸出至表面。然而当瞬间的电力中断使螺杆泵的抽吸作动为反转时便遭遇到许多显著的问题，亦即当电力失效时，螺杆泵将因乘载于泵杆上的石油而失去控制储存于泵杆的电能的能力，然而在螺杆泵的泵杆上仍存在庞大的储存能量，使得螺杆泵类似于卷绕的螺旋弹簧，故储存能量将通过螺杆泵的泵杆反向转动而释放，并使得螺杆泵的转子改为转向相反的方向，而螺杆泵的泵杆也将旋转于相反的方向，直到所有的石油已经下降至生产管内，且因为重力因素，最后在生产管中的石油液面的高度将与在油井中的石油液面的高度相等。而螺杆泵反转的时间可以持续几个小时，端看螺杆泵的具体应用。在前述情况下，当电力恢复而再次供应时，螺杆泵的抽吸作动并不能立即重新启动，因此在反转的过程以及等待石油重新再被抽吸至地表所花费的时间皆失去生产力，故电力中断或遗失便造成螺杆泵的生产力显著的降低。
此外，当马达驱动器被使用者关闭时，螺杆泵的抽吸作动速度将减缓，并进而根据预定的关闭排程而被煞车装置中止，当马达驱动器停止提供驱动电压至电动马达而使电动马达被关闭时，所储存的能量将通过螺杆泵的泵杆以高速反转而被释放，且因电动马达的驱动机制通常与螺杆泵的转子直接电连接，故电动马达也将被驱动而反转，然不受控制的反转将严重破坏电动马达的驱动机制及其它生产设备，例如反转可能导致设备损坏。再者，若此损坏发生在油井的地平面，将可能造成工作人员受伤及环境污染。
因此，如何发展一种可在电力失效时，控制螺杆泵的抽吸作动而消除反转所具有的影响，进而改善上述公知技术缺失的螺杆泵的控制方法及其适用的控制系统，实为相关技术领域者目前所迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺杆泵运行控制方法及其控制系统，其可在电力失效时，通过使用由螺杆泵上的储存位能所转换的发电电能而维持马达驱动器及电动马达的作动，以进行螺杆泵的反转控制，且可利用煞车装置的煞车单元及煞车电阻将螺杆泵在进行反转时所产生的多余的储存位能消耗掉，进而缩短螺杆泵的煞车时间，解决传统控制系统在电能中断而导致螺杆泵进行反转时所具有的电动马达的驱动机制或设备等容易损坏、工作人员的安全性不佳，环境污染以及螺杆泵的生产力显著降低等缺失。
为达上述目的，本发明的一较广义实施态样为提供一种螺杆泵运行控制方法，是应用螺杆泵运行控制系统，其中螺杆泵运行控制系统是用于控制螺杆泵的运行，且具有与螺杆泵同步转动的电动马达及用来控制电动马达运行的马达驱动器，马达驱动器具有直流/交流转换器，直流/交流转换器接收由电源提供的电力所产生的直流总线电压，并将直流总线电压进行转换，以提供给电动马达，控制方法包含步骤如下：(a)监控直流总线电压；(b)检测直流总线电压是否小于第一阀值，并于检测结果为是时执行步骤(c)；(c)将螺杆泵因进行反转运行所释放的储存位能转换为发电电能，并提供给马达驱动器，使马达驱动器维持作动；(d)由马达驱动器驱动电动马达根据反转转矩限制策略(即方法)而控制螺杆泵的反转运行；(e)限制直流总线电压大于第二阀值；(f)检测电力是否恢复；(g)当步骤(f)的检测结果为否时，监控反向发电转矩的等级；(h)检测反向发电转矩的等级是否小于预设转矩值；以及(i)当步骤(h)的检测结果为是时，允许螺杆泵的反转运行以自然的方式停止。
于本发明一实施例中，该第二阀值低于该第一阀值。
于本发明一实施例中，当步骤(b)的检测结果为否时，再次执行步骤(a)。
于本发明一实施例中，当步骤(f)的检测结果为是时，执行步骤(j)：驱动该电动马达正向转动并加快旋转速度，并再次执行步骤(a)。
于本发明一实施例中，当步骤(h)的检测结果为否时，再次执行步骤(c)。
于本发明一实施例中，在步骤(e)中，通过该控制系统的一煞车装置消耗部分该发电电能而限制该直流总线电压大于该第二阀值。
于本发明一实施例中，步骤(d)中的该反转转矩限制策略包含步骤如下：
(d1)设定马达转动速度指令为负，且当该电动马达的转动速度被评估为正时，将正向电动转矩限制设定为零，将正向发电转矩限制设定为一正常操作值；
(d2)当该电动马达的转动速度被评估为负且低于一预定值时，将反向电动转矩限制设定为零，将反向发电转矩限制设定为该正常操作值；以及
(d3)当该电动马达的转动速度被评估为负且大于或等于该预定值时，执行反转速度控制模式，使该反向电动转矩限制及该反向发电转矩限制皆设定为该正常操作值。
于本发明一实施例中，步骤(f)还包含子步骤如下：
(f1)当该马达驱动器检测到该电动马达执行反转运行所经过的时间区间长于第一预设时间时，控制该正向电动转矩限制返回该正常操作值，并设定该马达转动速度指令为正值，使该马达驱动器操作于正常正向运行模式而驱动该电动马达由反正转动改为正向转动；
(f2)当检测到该直流总线电压再次小于该第一阀值时，判断电力为未恢复状态；以及
(f3)当步骤(f2)判断出电力并未恢复且经过第二预设时间时，执行步骤(g)。
为达上述目的，本发明的另一较广义实施态样为提供一种螺杆泵运行控制系统，用于控制螺杆泵的运行，该螺杆泵运行控制系统包含：电动马达，该电动马达与该螺杆泵进行同步转动；以及马达驱动器，与电源及电动马达电连接，用以将电源所提供的电力进行转换，以提供给电动马达，其中马达驱动器包含：直流/交流转换器，与电动马达电连接，用以接收由电源提供的电力所产生的直流总线电压，并将直流总线电压进行转换，以提供给电动马达；以及控制器，与直流/交流转换器电连接，用以控制直流/交流转换器的运行，且监控直流总线电压；其中当电源所提供的电力中断而螺杆泵进行反转运行，使控制器检测到直流总线电压小于第一阀值时，马达驱动器是使用由螺杆泵释放的储存位能所转换的发电电能来进行运行，并根据反转转矩限制策略而控制螺杆泵的反转运行。
于本发明一实施例中，该马达驱动器包含：
一交流/直流转换器，与该电源电连接，用以将该电源所提供的电力转换为直流电压；以及
一直流链；与该交流/直流转换器电连接，用以将该直流电压稳压滤波，以产生该直流总线电压，且该直流链与该控制器电连接。
于本发明一实施例中，该控制器包含：
一速度估测器，与该电动马达电连接，用以估测该电动马达的一转子的转动速度而输出一转动速度估测值；
一反转转矩限制单元，与该速度估测器电连接，用以储存该反转转矩限制策略，并根据该转动速度估测值而提供转矩限制；
一速动控制电路，与该反转转矩限制单元电连接，用以根据一马达转动速度指令及该转矩限制而提供一转矩指令；
一转矩控制器，与该速度控制电路电连接，用以转换该转矩指令为一Q轴坐标电流指令；
一磁通量控制器，用以产生一D轴坐标电流指令；
一电流控制电路，与该转矩控制器及该磁通量控制器电连接，用以根据该Q轴坐标电流指令及该D轴坐标电流指令而分别产生一α电流指令及一β电流指令；以及
一脉冲宽度调制产生器，与该电流控制电路及该交流/直流转换器电连接，用以根据该α电流指令及该β电流指令产生一脉冲宽度调制信号，以控制该交流/直流转换器的至少一开关进行导通或截止的切换运行。
于本发明一实施例中，该控制系统还具有一煞车装置，且该煞车装置是由一煞车单元及一煞车电阻所构成，该煞车单元电连接于该马达驱动器及该煞车电阻之间，用以控制该煞车电阻的作动，使该煞车电阻消耗能量。
于本发明一实施例中，该反转转矩限制策略为设定一马达转动速度指令为负，并当该电动马达的转动速度被评估为正时，将一正向电动转矩限制设定为零，将一正向发电转矩限制设定为一正常操作值，而当该电动马达的转动速度被评估为负且低于一预定值时，将一反向电动转矩限制设定为零，将一反向发电转矩限制设定为该正常操作值，又当该电动马达的转动速度被评估为负且大于或等于该预定值时，执行一反转速度控制模式，使该反向电动转矩限制及该反向发电转矩限制皆设定为该正常操作值。
于本发明一实施例中，该控制系统用于执行如上任一项所述的螺杆泵运行控制方法。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的螺杆泵运行控制系统的结构示意图；
图2为图1所示的螺杆泵运行控制系统的电路结构示意图；
图3为本发明较佳实施例的螺杆泵运行控制方法的步骤流程图；
图4为图3所示的步骤S14中的反转转矩限制策略的步骤流程图；
图5为图3所示的步骤S16的子步骤的步骤流程图；
图6为本发明的控制方法应用于图2所示的螺杆泵运行控制系统时，交流电压、直流总线电压、电动马达的转速以及反转状态的波形时序图；
图7为本发明的控制方法应用于图2所示的螺杆泵运行控制系统时，反转状态、电动转矩限制及发电转矩限制的波形时序图。
其中，附图标记说明如下：
1：控制系统
11：电动马达
12：马达驱动器
121：交流/直流转换器
122：直流链
123：直流/交流转换器
124：控制器
2：螺杆泵
3：电源
Vbus：直流总线电压
1241：速度估测器
1242：反转转矩限制单元
1243：速度控制电路
1244：电流控制电路
1245：脉冲宽度调制产生器
1246：转矩控制器
1247：磁通量控制器
W^r：转动速度估测值
T*e_backspin_limit：转矩限制
T*e：转矩指令
I*q：Q轴坐标电流指令
I*d：D轴坐标电流指令
u*α：α电流指令
u*β：β电流指令
S11～S20：本发明的控制方法的步骤流程
S141～S143：反转转矩限制策略的步骤流程
S161～S163：子步骤
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本发明。
请参阅图1及图2，其中图1为本发明较佳实施例的控制系统的结构示意图，图2为图1所示的控制系统的电路方块示意图。如图1及图2所示，本实施例的控制系统1架构于控制及驱动一螺杆泵2的抽吸作动，以将油井中的石油抽吸至地表，其中螺杆泵2的构造为公知技术，故在此不多赘述。控制系统1主要结构包含一电动马达11、一马达驱动器12及一煞车装置。电动马达11与螺杆泵2的泵杆的转子电连接，架构于与螺杆泵2同步转动，进而带动螺杆泵2的泵杆的转子转动而将石油从油井抽吸至地表，且电动马达11较佳可为感应马达。煞车装置是由一煞车单元5及一煞车电阻6所构成，其中煞车单元5电连接于马达驱动器12及煞车电阻6之间，用以控制煞车电阻6的作动，使煞车电阻6释放或消耗能量。
马达驱动器12与一电源3(例如三相电源)及电动马达11电连接，用以控制电动马达11的运行，且可包含一交流/直流转换器121、一直流链122(例如直流总线)、一直流/交流转换器123及一控制器124，但并不以此为限。交流/直流转换器121可为但不限于由具有多个二极管二极管的三相整流器所构成，且交流/直流转换器121的一输入端与电源3电连接，交流/直流转换器121从电源3接收电力，例如交流电压(三相交流电压)，并将交流电压转换为直流电压。直流链122可由一电容所构成，其是电连接于交流/直流转换器121的一输出端，用以将交流/直流转换器121所输出的直流电压稳压滤波，以产生一直流总线电压Vbus。直流/交流转换器123可为但不限于由具有一个或多个绝缘闸双极性晶体管(IGBTs)的三相逆变器所构成，且直流/交流转换器123与直流链122及电动马达11电连接，用以接收直流总线电压Vbus，并转换为一驱动电压，以驱动并控制电动马达11的运行。控制器124可为但不限于为信号处理器(DSP)，且与直流/交流转换器123及直流链122电连接，用以控制直流/交流转换器123的绝缘闸双极性晶体管的作动，并可监控直流总线电压Vbus。在其它实施例中，马达驱动器12利用脉冲宽度调制(PWM)技术改变直流/交流转换器123所输出的驱动电压的频率及振幅，藉此控制电动马达11的转动速度，当驱动电压的频率增加时，电动马达11加速转动，同时，电源3的电力将透过马达驱动器12传输至电动马达11，以提供驱动电动马达11所需的能量。马达驱动器12较佳可为变频驱动器或变速驱动器，其是通过改变电动马达11所接收的驱动电压的频率及振幅来控制电动马达11的速度及转矩。
于本实施例中，控制器124包含一速度估测器1241、一反转转矩限制单元1242、一速度控制电路(ASR)1243、一电流控制电路(ACR)1244、一脉冲宽度调制产生器1245、一转矩控制器1246及一磁通量控制器1247，其中速度控制电路1243、电流控制电路1244、脉冲宽度调制产生器1245、转矩控制器1246及磁通量控制器1247的结构及作动方式为公知技术，故于此不再赘述。于本实施例中，速度估测器1241与电动马达11电连接，用以估测电动马达11的转子的转动速度而输出一转动速度估测值W^r。反转转矩限制单元1242架构于储存一反转转矩限制策略，并与速度估测器1241电连接，以根据来自于速度估测器1241的转动速度估测值W^r而提供一转矩限制T*e_backspin_limit。速度控制电路1243与反转转矩限制单元1242电连接，架构于接收一马达转动速度指令W*r及来自反转转矩限制单元124的转矩限制T*e_backspin_limit，并根据马达转动速度指令W*r及转矩限制T*e_backspin_limit而提供一转矩指令T*e。转矩控制器1246与速度控制电路1243电连接，架构于接收转矩指令T*e，并转换转矩指令T*e为一Q轴坐标电流指令I*q。磁通量控制器1247架构于产生一D轴坐标电流指令I*d。电流控制电路1244与转矩控制器1246及磁通量控制器1247电连接，架构于根据转矩控制器1246的Q轴坐标电流指令I*q及磁通量控制器1247的D轴坐标电流指令I*d而分别产生一α电流指令u*α及一β电流指令u*β。脉冲宽度调制产生器1245与电流控制电路1244及交流/直流转换器123电连接，架构于根据电流控制电路1244所输出的α电流指令u*α及β电流指令u*β而产生脉冲宽度调制信号，藉此控制交流/直流转换器123的开关元件(例如绝缘闸双极性晶体管)的导通或截止的切换作动，进而驱动及控制电动马达11的作动，并消除电动马达11在反转时所造成的影响。
而于本实施例中，当控制系统1控制电动马达11正转而使螺杆泵2正转，以进行正常的抽吸作动时，螺杆泵2的泵杆将被电动马达11驱动而将石油从油井抽吸至地表，此时螺杆泵2因泵杆上的石油逐渐上升至地表而储存对应的位能(以下称为储存位能)。
请参阅图3并配合图6及图7，其中图3为本发明较佳实施例的控制方法的步骤流程图，图6为本发明的控制方法应用于图2所示的控制系统时，交流电压、直流总线电压、电动马达的转速以及反转状态的波形时序图，图7为本发明的控制方法应用于图2所示的控制系统时，反转状态、电动转矩限制及发电转矩限制的波形时序图。如图3、图6、图7所示，本发明的控制方法可应用于图2所示的控制系统1的控制器124中，且包含以下步骤：首先，马达驱动器12的控制器124监控直流总线电压Vbus(请参阅步骤S11)。接着，控制器124检测直流总线电压Vbus是否小于第一阀值(请参阅步骤S12)。当控制器124检测到直流总线电压Vbus大于或等于第一阀值时，螺杆泵2的泵杆将持续被电动马达11驱动，且螺杆泵2处于正向转动运行而正常抽吸油井中的石油，在此情况下，将再次执行步骤S11，控制器124便持续监控直流总线电压Vbus。反的，当步骤S12中控制器124检测到直流总线电压Vbus小于第一阀值时，控制器124便判定电源3用来使直流链122产生直流总线电压Vbus而提供的交流电压因发生电力中断(例如跳电而交流电压为零)或因马达驱动器12回应指令而关闭而正在减少，此时便执行步骤S13。在步骤S13中，因电力中断而直流总线电压Vbus小于第一阀值时，螺杆泵2的泵杆将因螺杆泵2上的石油受重力影响而由正转逐渐切换至反转，而螺杆泵2上的石油所具有的储存位能便通过泵杆的反转作用而释放并进一步转换为发电电能，以供给马达驱动器12，以维持马达驱动器12及电动马达11的作动，亦即当电源3所提供的电力失去或当马达驱动器12因回应指令而关闭时，控制系统1可通过重新产生的发电电能(即由储存位能转换后所产生的发电电能)而维持马达驱动器12及电动马达11的作动，进而控制螺杆泵2的反转运行，直到螺杆泵2上所有的石油皆已经下降至生产管内，而生产管内的石油液面的高度也和油井的石油液面的高度相等。
当执行完步骤S13后，马达驱动器12便驱动电动马达11根据一反转转矩限制策略而控制螺杆泵2的反转运行(即螺杆泵2由正转逐渐变为反转的运行过程)，例如螺杆泵2反转时的转速等(请参阅步骤S14)。再请参阅图4，其为图3所示的步骤S14中的反转转矩限制策略的步骤流程图。如图4所示，在步骤S14的反转转矩限制策略中，首先设定马达转动速度指令W*r为负，而当电动马达11的转动速度被速度估测器1241评估为正时，便将一正向电动转矩限制(Torquelimit_motor)设定为零，藉此不驱动电动马达11朝正向转动，且将一正向发电转矩限制(Torquelimit_generative)设定为一正常操作值，该正常操作值可为一额定转矩的倍数(例如120)，藉此在螺杆泵2仍正向转动的过程中(螺杆泵2正向转动的转速逐渐降低)将螺杆泵2所释放的储存位能转换为发电电能(请参阅步骤S141)，在此情况下，发电电能被传输至马达驱动器12的直流链122，且由马达驱动器12所输出的能量(例如驱动电压)也缩减。当电动马达11的转动速度被速度估测器1241评估为负且低于一预定值时(即代表电动马达11已为反转状态但转速尚未到达预定值)，将一反向电动转矩限制设定为零，藉此不强迫驱动电动马达11朝反向转动，而是使电动马达11因螺杆泵2上的石油受到重力影响而自然地反转，且将一反向发电转矩限制设定为该正常操作值，该正常操作值可为额定转矩的倍数(例如120)，藉此在螺杆泵2为反向转动的过程中(螺杆泵2反向转动的转速逐渐提升)将螺杆泵2上的储存位能转换为发电电能(请参阅步骤S142)。当电动马达11的转动速度被速度估测器1241评估为负且大于或等于该预定值时，便执行一反转速度控制模式，在此情况下，反向电动转矩限制及反向发电转矩限制皆设定为该正常操作值(例如120)，藉此控制电动马达11在反向转动时的速度，例如维持在预定值，同时也将螺杆泵2上的储存位能转换为发电电能(请参阅步骤S143)。
请再参阅图3，当执行完步骤S14后，通过煞车单元5及煞车电阻6释放多余的发电电能而限制直流总线电压Vbus大于第二阀值(请参阅步骤S15)，其中第二阀值可为但不限于低于第一阀值。当步骤S15执行完后，控制器124便检测电源3所提供的电力是否恢复而再次供应(请参阅步骤S16)。
而于步骤S16中，当控制器124在进行控制电动马达11的反转运行期间检测到电源3所提供的电力已恢复而再次供应时，马达驱动器12便驱动电动马达11执行正向转动并加快旋转速度，以控制螺杆泵2立即由油井抽吸石油(请参阅步骤S17)，然后再次执行步骤S11。反之，在步骤S16中，当控制器124检测电源3所提供的电力并未恢复而仍中断时，便监控反向发电转矩的等级(请参阅步骤S18)。接着，将所述反向发电转矩的等级与一预设转矩值比对而检测所述等级是否小于预设转矩值(请参阅步骤S19)。在步骤S19中，当所述等级小于预设转矩值时，便允许螺杆泵2的反转以自然的方式停止(请参阅步骤S20)。反之，在步骤S19中，当反向发电转矩的等级大于预设转矩值时，便再次执行步骤S13。
请参阅图5，其为图3所示的步骤S16的子步骤的步骤流程图。如图5所示，在步骤S16中，首先，当马达驱动器12的控制器124检测到电动马达11执行反转运行所经过的时间区间长于第一预设时间时，控制正向电动转矩限制返回该正常操作值，该正常操作值可为额定转矩的倍数(例如120)，并设定马达转动速度指令W*r为正值，藉此使马达驱动器12操作于正常正向运行模式而驱动电动马达11由反正转动改为正向转动(请参阅步骤S161)。然而在步骤S161执行完后，若控制器124检测到直流总线电压Vbc再次小于第一阀值时，即代表电源3并无法提供电力而维持直流总线电压Vbc，控制器124便判断电源3所提供的电力为未恢复状态(请参阅步骤S162)。而当步骤S162判断出电源3所提供的电力并未恢复且经过第二预设时间时，控制器124便判断电力为遗失很长一段时间而执行步骤S18(请参阅步骤S163)。
综上所述，本发明提供一种螺杆泵的控制方法及其适用的控制系统，其可控制螺杆泵的运行，以消除当电力遗失而进行反转时的影响，亦即当本发明的控制系统的马达驱动器检测到电力失效时，本发明的控制系统可通过使用由螺杆泵上的储存位能所转换的发电电能(其中当电力失效时，螺杆泵的泵杆便会因石油受重力影响而释放储存位能，该储存位能在所有的石油皆已经下降至生产管内，而生产管的石油液面高度也和油井的石油液面高度相等时才为零，而发电电能便由转换储存位能而产生)而维持马达驱动器及电动马达的作动，以对螺杆泵的反转运行进行控制，藉此避免电动马达的相关驱动机制或设备损坏，同时提升工作人员的安全性。此外，当电动马达及螺杆泵因电力失去而反转时，煞车装置的煞车单元及煞车电阻可将多余的储存位能转呈热能而消耗掉，故可缩短螺杆泵的煞车时间，如此一来，一旦电能再次供应时，本发明的控制系统的马达驱动器便可驱动电动马达控制螺杆泵立即执行正向移位抽吸作动，故本发明的螺杆泵的控制方法及其适用的控制系统可提升螺杆泵的生产力。
本发明经过本领域普通技术人员任施匠思而为诸般修饰，则都属于本发明权利要求请求保护的范围。