CN102400912B - 螺杆泵停机制动系统及方法 - Google Patents

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本发明涉及一种螺杆泵停机制动系统，所述螺杆泵通过电机驱动运行，包括电机驱动单元、电机转速检测单元及控制单元：所述电机驱动单元，用于向电机输出转矩；所述电机检测单元，用于实时检测电机转速；所述控制单元，用于在接收到停机命令并在电机转速下降达到第一阈值时，将电机驱动单元的输出转矩设为最小值；在所述电机被螺杆拖动反转且转速达到第二阈值时，调整电机驱动单元的输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小。本发明还提供一种对应的螺杆泵停机制动方法。本发明通过控制输出转矩实现了螺杆泵的制动，使系统成本明显降低，同时可使制动的可靠性提高。

Description

螺杆泵停机制动系统及方法
技术领域
本发明涉及螺杆泵控制领域，更具体地说，涉及一种螺杆泵停机制动系统及方法。
背景技术
直驱式螺杆泵采油技术能满足油井不同工况下的要求，不仅可以达到高效节能的效果，并且可以有效防止泵杆断裂等机械事故，增加采油工作时间，降低工人劳动强度。
由于螺杆很长，机械储能很大，在停机或者系统出现故障时，如果不能制动，很容易出现电机被拖动高速反转的情况。目前，螺杆泵制动方法有：(1)固定力矩机械制动；(2)可调力矩机械制动；(3)电阻串接制动。
采用固定力矩机械制动方式制动时，电机驱动器停止输出，并直接在电机轴上外加一定的制动力矩，从而在很短的时间内抱死电机。然而，该方式中，由于螺杆很长，其储能很难释放，而且机械装置比较复杂。
采用可调力矩机械制动方式制动时，电机驱动器停止输出，并直接在电机轴上外加可调力矩，例如用磁粉制动器外加与电机反转速度有关的力矩，可以在一定的时间内抱死电机，缓慢释放螺杆的储能。
采用电阻串接制动方式制动时，电机驱动器停止输出，并在电机每相绕组串接一个电阻，电机反转时产生与电机转速成正比的制动力矩进行发电运行，螺杆的储能消耗到外接电阻和电机上。这种方法不需要机械装置，但是输出转矩不可控，可能导致下面的问题：电机反转时，转矩电流大小为其中ke为电机反电动势系数，f为反转频率，L为电机电感，R为串接电阻。
如图1所示，是电机短接电阻后转矩电流与转速的关系(横坐标为转速单位[RPM]；纵坐标转矩电流，单位[A])，电机额定电流20A，额定转速100转，额定功率15KW。在反转时会出现约35A的最大转矩电流值，当采油所需的转矩电流超过这个最大值时，就有可能制动失败，电机会高速反转。另外，如果采油所需的最大转矩电流为30A时，则发电功率最大可为20KW左右，需要很大功率的串接电阻。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述螺杆泵制动方式中结构复杂、螺杆储能不易释放的问题，提供一种螺杆泵停机制动系统及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种螺杆泵停机制动系统，所述螺杆泵电机驱动运行，包括电机驱动单元、电机转速检测单元及控制单元：
所述电机驱动单元，用于向电机输出转矩；
所述电机转速检测单元，用于实时检测电机转速；
所述控制单元，用于在接收到停机命令并在电机转速下降达到第一阈值时，将电机驱动单元的输出转矩设为最小值；在所述电机被螺杆拖动反转且转速达到第二阈值时，调整电机驱动单元的输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小；在所述电机的反转速度达到第三阈值时，使所述电机驱动单元的输出转矩大于等于电机正常工作时所需的最大力矩；在所述电机的反转速度达到第四阈值时，使所述电机驱动单元的输出转矩为最小值，其中所述第二阈值的范围为0到第三阈值，所述第三阈值的范围为第二阈值到驱动器最大允许输出速度,所述第四阈值的范围为0到第二阈值。
在本发明所述的螺杆泵停机制动系统中，所述控制单元在达到设定制动时间时使电机驱动单元停止输出。
在本发明所述的螺杆泵停机制动系统中，还包括设置单元，用于设置第一阈值、第二阈值、输出转矩的最小值。
本发明还提供一种螺杆泵停机制动方法，所述螺杆泵通过由电机驱动器控制的电机驱动运行，包括以下步骤：
a、电机驱动器在接收到停机命令并在电机转速下降达到第一阈值时，将输出转矩设为最小值；
b、在所述电机被螺杆拖动反转且转速达到第二阈值时，电机驱动器调整输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小；
所述步骤b中包括：在所述电机反转速度达到第三阈值时，所述电机驱动器使输出转矩大于等于电机正常工作时所需的最大力矩；以及在所述电机的反转速度达到第四阈值时，所述电机的驱动器调整输出转矩为最小值，其中所述第二阈值的范围为0到第三阈值，所述第三阈值的范围为第二阈值到驱动器最大允许输出速度,所述第四阈值的范围为0到第二阈值。
在本发明所述的螺杆泵停机制动方法中，在所述步骤b之后还包括：电机驱动器在达到设定制动时间时停止输出。
本发明的螺杆泵停机制动系统及方法，通过根据电机运行状态控制输出转矩，从而实现了螺杆泵的制动，使得螺杆的储能可逐步释放。本发明省却了机械制动装置及电阻，只需通过电机驱动器即可实现电机制动，使系统成本明显降低，同时可使制动的可靠性提高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有电阻串接制动方式中电机短接电阻后转矩电流与转速间关系的示意图；
图2是本发明螺杆泵停机制动系统实施例的示意图；
图3是本发明螺杆泵停机制动方法实施例的流程图。
具体实施方式
本发明依靠电机驱动器控制电机的实际输出转矩，可使普通的变频器或者伺服驱动器的硬件平台进行螺杆泵制动，并能够很好地逐步释放螺杆存储的机械能量。
如图2所示，是本发明螺杆泵停机制动系统实施例的示意图。在本实施例中，螺杆泵通过电机驱动转动，该制动系统包括电机驱动单元21、电机转速检测单元23及控制单元22。该制动系统可在普通的变频器或者伺服驱动器的硬件平台上实现，其中控制单元22可以为变频器或伺服驱动器的主控制CPU。
电机驱动单元21用于向电机输出转矩，从而控制电机运转。电机检测单元23用于实时检测电机转速。控制单元22用于在接收到停机命令并在电机检测单元23检测到电机转速下降达到第一阈值(正转速度，数值最小为0，可以由用户设定，范围为0到停机时刻电机运行速度，抽油作业时电机运行方向为正向)时，将电机驱动单元21的输出转矩设为最小值(正向转矩，数值最小为0，可以由用户设定，设置范围为0到驱动器最大允许输出转矩，抽油作业时电机驱动单元的输出转矩方向为正向)；在电机被螺杆拖动反转(该处的反转是指电机运行方向与抽油作业时电机运行方向相反，下同)且转速达到第二阈值(反转速度，数值最小为0，可以由用户设定，范围为0到第三阈值速度)时，调整电机驱动单元21的输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小。例如，使输出转矩与电机反转速度成正比或线性变化。
在上述系统中，为了使螺杆的储能可以完全释放，可设定一个制动时间，控制单元22在达到设定的制动时间时使电机驱动单元21停止输出，制动完成。为了确保在制动时间内使螺杆的储能能够释放完，该制动时间需足够长(任意值，如1分钟或1小时，可由用户设定)。
在上述系统中，为了避免反转对电机造成的损害，可将电机反转速度限制在允许的范围内，可使控制单元22在电机反转速度达到第三阈值(即最大允许反转速度，反转速度，数值最小为第二阈值，可以由用户设定，范围为第二阈值到驱动器最大允许输出速度)时，使所述电机驱动单元21的输出转矩大于等于电机正常工作时所需的最大力矩。这样，电机反转速度就不会超过最大允许反转速度，且控制了最大反转速度与最大输出转矩，控制了最大发电功率。
此外，为了防止电机再次被拖动正转，可设定电机最小反转速度，即在电机反转速度达到第四阈值(最小反转速度，反向速度，数值最小为0，可以由用户设定，范围为0到第二阈值速度)时，控制单元22使电机驱动单元21的输出转矩为最小值。
在上述制动系统中，还可包括一个设置单元(图中未示出)。该设置单元用于设置上述的第一、第二、第三、第四阈值及各阈值对应的输出转矩，从而实现灵活的制动控制。
如图3所示，是本发明螺杆泵停机制动方法实施例的流程图，上述螺杆泵通过由电机驱动器控制的电机驱动运行。该方法包括以下步骤：
步骤S321：电机驱动器控制电机，使电机驱动螺杆泵运行，进行采油作业。
步骤S322：实时判断是否接收到停机指令，若接收到停机指令则执行步骤S323，否则电机驱动器继续驱动螺杆泵运行。
步骤S323：开始计时并将电机驱动器的制动状态设为1。
步骤S314：判断是否达到制动时间，该制动时间应足够长，从而确保在制动时间内使螺杆的储能能够释放完。若制动时间达到，则执行步骤S315，电机驱动器停止输出，制动完成；否则执行步骤S316。
步骤S316：判断电机驱动器是否处于状态2，若是则执行步骤S320，否则执行步骤S317。
步骤S317：对螺杆泵进行减速处理，即按照用户设定的减速时间减小电机的运行速度(例如通过减小输出转矩的方式)。
步骤S318：判断电机转速是否达到第一阈值，并在转速达到第一阈值时执行步骤S319，否则返回步骤S314。
步骤S319：将电机驱动器的制动状态设为2，并使电机驱动器的输出转矩调整为最小值，然后返回步骤S314。
步骤S320：判断电机在螺杆拖动下的反转速度是否小于(或等于)第四阈值，若是则执行步骤S321，否则执行步骤S322。
步骤S321：使电机驱动器的输出转矩调整为最小值，防止电机再次被拖动正转。
步骤S322：判断电机在螺杆拖动下的反转速度是否大于(或等于)第四阈值，若是则执行步骤S323，否则执行步骤S324。
步骤S323：使电机驱动器的输出转矩调整为最大值(该最大值应大于或等于电机采油所需的最大转矩)，从而电机反转速度就不会超过第三阈值，且控制了最大反转速度与最大输出转矩，就控制了最大发电功率。
步骤S324：在电机被螺杆拖动反转且转速达到第二阈值时，电机驱动器调整输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小。
上述螺杆泵停机制动系统及方法，在省却机械制动装置、省却电阻的情况下，只靠电机驱动器来实现电机的制动，可防止电机被螺杆拖动高速反转。由于省却了机械制动装置和制动电阻，可使系统成本明显降低，同时可以使制动的可靠性提高，避免了靠串接电阻制动方法可能失效的风险。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种螺杆泵停机制动系统，所述螺杆泵通过电机驱动运行，其特征在于，包括电机驱动单元、电机转速检测单元及控制单元：
所述电机驱动单元，用于向电机输出转矩；
所述电机转速检测单元，用于实时检测电机转速；
所述控制单元，用于在接收到停机命令并在电机转速下降达到第一阈值时，将电机驱动单元的输出转矩设为最小值；在所述电机被螺杆拖动反转且转速达到第二阈值时，调整电机驱动单元的输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小；在所述电机的反转速度达到第三阈值时，使所述电机驱动单元的输出转矩大于等于电机正常工作时所需的最大力矩；在所述电机的反转速度达到第四阈值时，使所述电机驱动单元的输出转矩为最小值，其中所述第二阈值的范围为0到第三阈值，所述第三阈值的范围为第二阈值到驱动器最大允许输出速度,所述第四阈值的范围为0到第二阈值。
2.根据权利要求1所述的螺杆泵停机制动系统，其特征在于，所述控制单元在达到设定制动时间时使电机驱动单元停止输出。
3.根据权利要求1所述的螺杆泵停机制动系统，其特征在于，还包括设置单元，用于设置第一阈值、第二阈值、输出转矩的最小值。
4.一种螺杆泵停机制动方法，所述螺杆泵通过由电机驱动器控制的电机驱动运行，其特征在于，包括以下步骤：
a、电机驱动器在接收到停机命令并在电机转速下降达到第一阈值时，将输出转矩设为最小值；
b、在所述电机被螺杆拖动反转且转速达到第二阈值时，电机驱动器调整输出转矩使输出转矩随着反转速度的增加而增大、随反转速度减小而减小；所述步骤b中包括：在所述电机的反转速度达到第三阈值时，所述电机驱动器使输出转矩大于等于电机正常工作时所需的最大力矩；以及在所述电机的反转速度达到第四阈值时，所述电机驱动器调整输出转矩为最小值，其中所述第二阈值的范围为0到第三阈值，所述第三阈值的范围为第二阈值到驱动器最大允许输出速度,所述第四阈值的范围为0到第二阈值。
5.根据权利要求4所述的螺杆泵停机制动方法，其特征在于，在所述步骤b之后还包括：电机驱动器在达到设定制动时间时停止输出。
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