CN106030027A - 通过旋转电动机直接驱动游梁式抽油机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了利用游梁式抽油机(200)来提取地下物的系统和方法，所述游梁式抽油机(200)包括旋转电动机(204)以及与实现提取的游梁(220)耦接的一个或多个曲柄(212)。根据一些实施例，所述方法包括：在控制系统(206)处接收一个或多个输入信号；以及基于所述输入信号来向所述旋转电动机(204)提供一个或多个控制信号，以使旋转电动机(204)能够直接驱动一个或多个曲柄(212)，用来提取地下物。所述方法还包括：基于一个或多个控制信号，根据地下物的一个或多个条件来改变所述旋转电动机(204)的旋转速度；以及基于所述旋转电动机(204)的变化的旋转速度，以往复运动方式实现提取。

Description

通过旋转电动机直接驱动游梁式抽油机的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于提取诸如液体、气体或固体的地下物的方法和系统，尤其涉及通过旋转电动机直接驱动游梁式抽油机的方法和系统。
背景技术
许多用于提取地下原油的游梁式抽油机具有用于驱动在油井中往复运动活塞泵的地上驱动机构。地上驱动机构通常包括交流(AC)电动机，如感应电动机或异步电动机。在游梁式抽油机中，AC电动机的输出轴所提供的旋转运动转换成垂直的往复运动，也称为磕头运动，来驱动光杆用来提取地下油。
在常规的游梁式抽油机中，AC电动机的输出轴的旋转运动转换成垂直往复运动利用的是，除了其他以外，齿轮减速机和带。齿轮减速机和带将高速旋转机构转换成低速旋转机构，用于产生低速垂直往复运动。AC电动机、齿轮减速机和带产生足够大的扭矩来驱动用于提取油的负载。然而，齿轮减速机和带通常使用寿命短且需要昂贵的维护。而且，AC电动机通常从其控制器接收具有固定频率和固定电压的控制信号。因此，不能根据例如负载变化、油位变化等来调节AC电动机所产生的扭矩。
在其他常规的游梁式抽油机中，使用直线电动机来驱动用于提取油的负载。直线电动机的定子和转子是展开的(unrolled)，使得直线电动机产生延其长度的线性力，而不是产生扭矩(旋转)。但是，直线电动机昂贵且减弱了其商业价值和在工业中的广泛应用。
因此，需要一种智能游梁式抽油机，其利用相对不昂贵的直接驱动式电动机来产生足够大的扭矩来驱动用来提取诸如液体、气体或固体的地下物的负载，调节电动机的扭矩和速度来增加所提取的液体或气体的量，减少或消除地上驱动机构的维护花费。
发明内容
本公开包括利用游梁式抽油机提取地下物的系统和方法，所述游梁式抽油机包括旋转电动机以及与实现提取的游梁联接的一个或多个曲柄。根据一些实施例，方法包括：在控制系统处接收一个或多个输入信号；以及基于输入信号，向旋转电动机提供一个或多个控制信号，以使旋转电动机能够直接驱动一个或多个曲柄，用于提取地下物。所述方法还包括：基于一个或多个控制信号，根据地下物的一个或多个条件来改变旋转电动机的旋转速度；以及基于旋转电动机的变化的旋转速度，以往复运动方式来实现提取。
应理解的是，前面的大概说明和下面的详细说明都是仅为示例性的和说明性的，而不是限制如权利要求的本发明。
附图说明
现在将参考显示出本申请的示例性实施例的附图，并且其中：
图1示出了常规的游梁式抽油机。
图2示出了符合本公开原理的通过旋转电动机直接驱动的智能游梁式抽油机。
图3是示出符合本公开原理的示例性的智能游梁式抽油机的子系统的框图。
图4是示出符合本公开原理的直接驱动式旋转电动机的框图。
图5是示出符合本公开原理的示例性的无位置传感器控制系统的详细框图。
图6A是示出符合本公开原理的包含了自学习系统的另一示例性的无位置传感器转子控制机构的详细框图。
图6B是示出示例性的自学习系统的框图。
图7是示出地下泵浦子系统的详细图。
图8是示出用于控制直接驱动式旋转电动机的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在将具体参考示例性的实施例，其实例图示于附图之中。在全部附图中相同的附图标记尽可能用来指代相同或相似的部件。当前权利要求的主题的前述的以及其他的方面、解决方案和优点将通过下面的说明书和对应的附图变得显而易见。实施例进一步阐明了当前权利要求的主题，而不应解释为限制当前权利要求主题的范围。
图1示出了常规的游梁式抽油机100。如图1所示，游梁式抽油机100包括用来支撑游梁式抽油机100的其他结构的底座102。底座102与AC电动机104刚性联接。AC电动机104由交流(AC)驱动以在其输出轴处产生旋转运动。AC电动机104通过分别在其转子和定子上的两个旋转或移动的磁场而运转。在AC电动机104中，推动或拉动两个磁场的磁极，使得定子旋转磁场的速度和转子旋转磁场的速度，相对于输出轴速度，为了平均扭矩的产生而保持同步。
在图1中，AC电动机104通过带106与轮108耦接。AC电动机104的输出轴的旋转运动经由带106传递到轮108。轮108与齿轮减速机110耦接。齿轮减速机110包括用于将轮108的速度减至适合于旋转曲柄112的速度的齿轮箱。轮108的速度通常比曲柄112的旋转速度高得多。齿轮减速机110与曲柄112可旋转地耦接。曲柄112上安装有配重114来平衡用来提取油的负载。曲柄112进一步通过转向臂116和枢轴118来与游梁120的后端耦接。减速机110的输出轴旋转曲柄112以使游梁120震荡。游梁120由位于游梁120的两端之间的中间位置的中央轴承121来支撑。中央轴承121与起重柱122通过枢轴方式耦接，起重柱具有两个支腿，两个支腿的下端固定到底座102。起重柱122支撑游梁120，使得游梁120的前端以上下运动方式，即以磕头运动方式，震荡。游梁120的前端安装有驴头124，驴头124进一步通过束带和/或线缆(未显示)与光杆126耦接。
参考图1，光杆126通过填料盒128延伸到油井(未显示)中，进一步与用于提取油的地下结构(未显示)耦接。光杆126与填料盒128紧密配合。因此，当驴头124使光杆126上下移动通过填料盒128时，所提取的油不会溢出，会流到专用管道129。在常规的游梁式抽油机100中，虽然AC电动机104、齿轮减速机110和带106可以提供足够大的扭矩来驱动用于提取油的负载，但是齿轮减速机110和带106通常具有较短的使用寿命和/或需要经常的且昂贵的维护。而且，AC电动机104通常从其控制器接收固定的频率和固定的电压控制信号，因此不能根据负载的变化、油位的变化等来调节其输出扭矩。
图2示出了与本公开原理一致的智能游梁式抽油机200。如图2所示，智能游梁式抽油机200包括用于支撑智能游梁式抽油机200的其他组件的底座202。直接驱动式电动机204可以与底座202刚性地或固定地耦接。不同于图1所示的AC电动机104，直接驱动式电动机204的输出轴可以与一个或多个曲柄212直接且可旋转地耦接，而无需带和/或齿轮减速机。在一些实施例中，直接驱动式电动机204能够提供适合于驱动一个或多个曲柄212的足够高的扭矩和足够低的速度，用于提取诸如液体、气体或固体的地下物。直接驱动式电动机204可以是任何旋转电动机，例如，电刷或无刷电动机、同步磁阻电动机(synRM)、DC电动机、永磁同步电动机(PMSM)、复合PMSM、转子绕组同步电动机或诸如感应电动机或AC电动机等异步电动机。下面进一步描述直接驱动式电动机204的各个实施例。
参考图2，智能游梁式抽油机200可以包括控制系统206。控制系统206能够由底座202支撑且与直接驱动式电动机204电耦接。直接驱动式电动机204可以由控制系统206来控制。控制系统206能够向直接驱动式电动机204来提供电控制信号。例如，当直接驱动式电动机204包括PMSM、复合PMSM、或永磁电动机(PMM)时，控制系统206可以向PMSM、复合PMSM或PMM的定子提供VVVF(可变电压可变频率)三相脉宽调制(PWM)控制信号。利用控制信号，控制系统206可以实现与直接驱动式电动机204相关联的位置(例如，转子位置)和速度(例如，输出轴的速度)的控制。为提供控制信号，控制系统206可以包括由诸如绝缘栅型双极晶体管(IGBT)或碳化硅(SiC)的功率半导体开关实现的供电系统(例如，逆变器)以及由CPU或数字信号处理器(DSP)中的软件实现的控制系统。下面更详细地描述了控制系统206。
参考图2，直接驱动式电动机204可以与一个或多个曲柄212可旋转地或可移动地耦接。例如，可以在直接驱动式电动机204每侧的输出轴上安装独立的曲柄212。曲柄212能够安装有一个或多个配重214以平衡由延伸到固体/液体/气体承载区230和泵240的光杆226所产生的负载。在一些实施例中，液体/气体承载区230可以是固体承载区。在一些实施例中，智能游梁式抽油机200的控制系统206提供无位置传感器控制，因此使得在直接驱动式电动机204的每侧的输出轴能够与独立的曲柄212可旋转地或可移动地耦接。结果，直接驱动式电动机204可以在其输出轴的两侧提供扭矩，因此能够承载宽范围的负载。
如图2所示，一个或多个曲柄212进一步通过一个或多个转向臂216和枢轴218耦接到游梁220的后端。在一些实施例中，直接驱动式电动机204的输出轴能够旋转一个或多个曲柄212以使游梁220震荡。游梁220可由位于游梁220的两端之间的中间位置的一个或多个中央轴承221来支撑。一个或多个中央轴承221可以通过枢轴、可旋转地、可移动地、永久地、可拆除地或者可闩锁地耦接到起重柱222，起重柱222包括两个以上的支腿，支腿下端固定地、刚性地、永久地、可拆除地或者可闩锁地耦接到底座202。起重柱222支撑游梁220，使得游梁220的前端可以在上下运动(例如，磕头运动)中震荡。游梁220的前端可以安装有驴头224，驴头224可以进一步通过束带和/或线缆(未显示)与光杆226耦接。
参考图2，光杆226可以通过填料盒228延伸到地下液体/气体承载区230中，用于提取液体(例如，油、水等)、气体(例如，天然气)或固体(例如，流动的固体矿物)。光杆226可与填料盒228紧密配合。结果，当驴头224使光杆226上下移动通过填料盒228时，提取的物体不会溢出且可以流入专用管道229。
如图2所示，智能游梁式抽油机200的示例性的地下泵浦子系统可以包括泵240，泵240与光杆226的端部联接。在一些实施例中，光杆226可以与一个或多个抽油杆耦接，抽油杆依次与泵240联接。泵240可以包括例如固定阀、行进阀、泵筒和/或用于感测待提取的地下物的水平的传感器。下面更详细地进一步描述了智能游梁式抽油机200的示例性的地下泵浦子系统。
图3是示出与本公开原理一致的智能游梁式抽油机200的子系统300的框图。在一些实施例中，子系统300包括控制系统206，控制系统206与直接驱动式电动机204耦接，如图2所示。例如，控制系统206可以通过有线和/或无线信号来与直接驱动式电动机204耦接。控制系统206能够提供控制信号322，包括例如三相脉宽调制信号，来控制与直接驱动式电动机204相关联的位置(例如，直接驱动式电动机204的转子的角度)和速度(例如输出轴的速度)。
为控制电动机204的位置和速度，电动机控制系统可以使用电动机位置传感器，其包括例如编码器、解码器或计数器、控制器和放大器(未示出)。电动机位置传感器，如霍尔效应位置传感器或光学位置传感器，向控制器提供位置(例如，转子角从0°至360°)，控制器产生相应的控制电压信号或电流信号，用于改变与电动机相关联的速度和位置。电动机位置传感器可以包括旋转编码器，其将电动机的输出轴的角位置或运动转换成模拟信号或诸如二进制码的数字信号。数字信号随后可由解码器或计数器解码且提供给控制器。在一些实施例中，为感测转子位置，可能要求电动机位置传感器与电动机的输出轴的一端电耦接、磁耦接或光耦接。
参考图3，在一些实施例中，控制系统206可以是无位置传感器控制系统。控制系统206能够基于一个或多个计算的电动机供应电流信号和一个或多个测得的电动机供应电流信号来估算与直接驱动式电动机204相关联的位置和/或速度。能够基于控制信号322来获得测得的电动机供应电流信号。结果，控制系统300不需要位置传感器。下面更详细地描述无位置传感器控制系统。
当控制系统206为无位置传感器控制系统时，直接驱动式电动机204能够以更灵活的方式提供力或扭矩。例如，如图3所示，基于从控制系统206接收到的一个或多个控制信号322，直接驱动式电动机204能够在输出轴303的两侧提供扭矩以承载一个或两个曲柄304A和304B。曲柄304A和304B可以分别承载负载305A和305B。结果，无位置传感器控制系统206能够使直接驱动式电动机204能够更灵活地提供扭矩，用于承载宽范围的负载。
图4是示出与本公开原理一致的图2的直接驱动式电动机204的框图。直接驱动式电动机204可以是任意旋转电动机。在一些实施例中，直接驱动式电动机204可以包括转子402和定子404。转子402和定子404中的一个或多个可以包括用于接收电动机供应电流和/或永磁体(未示出)的电绕组。定子404和/或转子402所产生的磁力可以驱动转子402旋转。转子402可以与直接驱动式电动机204的输出轴耦接。结果，直接驱动式电动机204的输出轴的旋转可以驱动直接驱动式电动机204的负载。
在一些实施例中，直接驱动式电动机204可以是诸如永磁体同步电动机(PMSM)或永磁体电动机(PMM)的无刷电动机。无刷电动机能够由交流(AC)或直流(DC)来驱动。无刷电动机可以包括同步电动机和利用一个或多个电动机供应电流来使电动机运转的控制系统。在同步电动机中，在其稳态下，其输出轴的旋转可以与一个或多个电动机供应电流的频率同步，旋转周期等于一个或多个电动机供应电流的AC周期的整数倍。为驱动输出轴，同步电动机可以包括位于电动机定子上的永磁体或电磁体。永磁体或电磁体能够产生磁场，磁场随一个或多个电动机供应电流的振荡而旋转。同步电动机还可以包括转子(例如，转子402)，转子可以与输出轴机械耦接。转子可以包括永磁体或电磁体。当转子使用永磁体时，电动机可以是PMSM或PMM。在PMSM中，具有永磁体的转子以相同的速率随定子场转动，因此提供了第二同步旋转磁场。
在一些实施例中，PMSM或PMM可以包括具有永磁体的转子以及具有三相绕组的定子(例如，定子404)。永磁体可以为例如钕(NdFeB、NIB或Neo)磁体。永磁体可以安装到转子的表面上，使得磁场沿径向横穿转子与定子之间的气隙。在其他一些实施例中，永磁体可以安置到转子表面中或者插入转子表面下方的槽中。在其他一些实施例中，周向定向的永磁体可以放置在径向槽中，径向槽向磁极提供磁通，磁极依次在气隙中建立径向场。
为使PMSM或PMM运转，诸如可变电压可变频率(VVVF)信号的电控制信号可以提供给定子以使转子运转按期望速度旋转。可以控制PMSM或PMM以与一个或多个电动机供应电流的频率同步的旋转速度运转。可以基于恒定电压或变化电压的供应来产生一个或多个电动机供应电流。在自然冷却、风扇冷却和/或水冷条件下，PMSM或PMM可以提供例如10kN.m/m3-30kN.m/m3的扭矩密度。进一步提高扭矩密度可以需要额外的冷却措施。
在一些实施例中，直接驱动式电动机204还可以是复合PMSM。复合PMSM可以包括PMSM和永磁体耦合器。永磁体耦合器能够作为磁力齿轮随PMSM的一个或多个转子(例如，转子402)和一个或多个定子(例如，定子404)运转。磁力齿轮可以按期望比率提高PMSM的扭矩并且降低PMSM的速度。例如，利用永磁体耦合器，复合PMSM的输出轴可以提供比常规PMSM高“x”倍(例如，2-10)的扭矩以及比常规PMSM低“x”倍(例如，2-10)的速度。在一个实施例中，当在自然冷却、风扇冷却和/或水冷条件下运转时，复合PMSM可以提供例如80kN.m/m3-120kN.m/m3的扭矩密度。
在一些实施例中，直接驱动式电动机204可以是同步磁阻电动机(synRM)。在一些实施例中，synRM可以包括转子(例如，转子402)和定子(例如，定子404)。转子可以包括例如不具有电绕组的四个磁极(ironpole)。定子可以包括例如各具有载流线圈的六个磁极。在synRM中，能够产生会使承载磁通的磁极彼此对准的力。作为示例，在具有六个磁极定子的synRM运转时，电流传递通过第一对定子线圈(例如，a-a'线圈)，在转子上产生扭矩，使其中两个磁极与a-a'定子磁极的那些对准。然后，将第一对定子线圈(a-a'线圈)中电流切断，第二对定子线圈(b-b'线圈)电流导通。这在转子上产生了使两个转子磁极与b-b'定子磁极对准的逆时针扭矩。然后第三对定子线圈(c-c'线圈)重复该过程，然后是a-a'线圈。扭矩取决于线圈电流的大小，但是可与其极性无关。通过改变给线圈通电的次序，能够改变旋转方向。在一些实施例中，synRM还能够具有任何其他磁极配置，诸如八个定子磁极和六个转子磁极。
在synRM中，通常通过连接线圈与直流电压源的半导体开关来控制定子线圈中的电流。来自安装在synRM的轴上的位置传感器的信号可用来在适当的时刻启动开关。在位置传感器的一个实施例中，可以使用基于霍尔效应的磁传感器。霍尔效应涉及到，当半导体材料载有电流且放置在垂直于电流的磁场中时，在半导体材料中产生横向电场。利用半导体开关的控制，synRM可以在变化的且受控的速度范围内运转。
在一些实施例中，直接驱动式电动机204可以是直流(DC)电动机。DC电动机包括环绕着载有直流电流的场线圈的固定磁体组或定子磁极，用于产生穿过转子的固定磁场。在DC电动机中，转子(例如，转子402)或电枢可以包括两个或以上的一系列线绕组，所述线绕组缠绕在围绕磁极的绝缘叠槽中，且线的末端终止于换向器上。通过依次接通和关断转子或电枢的绕组，可以产生旋转磁场。旋转磁场与定子产生的静态磁场相互作用以在转子或电枢上产生旋转力。换向器可允许依次激活各个转子或电枢绕组。
在一些实施例中，直接驱动式电动机204可以是转子绕组同步电动机。如上所述，当同步电动机在其稳态下运转时，转子(例如，转子402)或轴的旋转可以与电动机供应电流的频率同步，且旋转周期等于电动机供应电流的AC循环的整数倍。转子绕组同步电动机可以包括使用通过滑环或其他机构与直流源连接的绝缘绕组的转子。在一些实施例中，转子绕组同步电动机还可以包括在电动机的定子(例如，定子404)上的绕组，该绕组产生随供应给定子的三相交流的振荡而旋转的磁场。
在转子绕组同步电动机中，定子电流可以建立以例如120f/p转每分钟旋转的磁场，其中“f”是频率，“p”是定子磁极数。转子上的p磁极场绕组中的直流电流还可以产生以转子速度旋转的磁场。如果电动机没有承载负载，则定子磁场和转子磁场可以彼此对准。随着负载增加，转子可以相对于定子的旋转磁场反向滑动。定子磁场与转子磁场之间的角度随着负载增大而增大。在一些实施例中，转子绕组同步电动机所能够提供的最大扭矩对应于转子磁场滞后定子磁场的角度为90°时。
在一些实施例中，直接驱动式电动机204可以是诸如感应电动机或AC电动机的异步电动机。异步电动机能够或者不能提供用于使智能游梁式抽油机200运转的足够大的扭矩或足够低的速度。在其他实施例中，如果负载条件允许，异步电动机或感应电动机可用来驱动一个或多个曲柄212。在其他实施例中，直接驱动式电动机204还能够为可以提供足以使智能游梁式抽油机200运转的扭矩和速度的任何其他适合的旋转电动机。
图5是示出与本公开原理一致的示例性的无位置传感器控制系统500的详细框图。在一些实施例中，无位置传感器控制系统500可以包括电动机控制器504、电动机模块观测器506、供电系统逆变器508以及模数转换器(ADC)和直接正交(DQ)变换电路510。参考图5，无位置传感器控制系统500接收输入信号501。输入信号501可以是例如一个或多个数字控制信号，代表用于使图2的直接驱动式电动机204运转的期望的电动机供应电流。输入信号501可以由主机、电控制面板或远程控制系统(未显示)来提供来作为控制程序的一部分。
参考图5，信号503最初可以仅基于输入信号501。在无位置传感器控制系统500运转期间，信号503可以基于输入信号501和诸如信号509的反馈信号之一或全部。信号503可以是数字信号。利用信号503，电动机控制器504可以产生电动机电压信号505。电动机电压信号505可以包括与期望的电动机供应电流对应的一个或多个专用调节电压。供电系统逆变器508接收电动机电压信号505且将电动机电压信号505转换成一个或多个电源电压信号515。供电系统逆变器508可以是诸如IGBT或SiC的半导体开关，其将DC电源电压信号转换成AC电源电压信号。例如，供电系统逆变器508能够将可为DC信号的电动机电压信号505转换成可为AC电源电压信号的三相脉宽调制电压信号。在一些实施例中，供电系统逆变器508还能够将任意类型的AC/DC信号转换成任意其他类型的AC/DC信号，用于使直接驱动式电动机204运转。
如图5所示，基于电源电压信号515，能够通过例如ADC和DQ变换电路510来测量或以其他方式获得直接驱动式电动机204的两相电动机供应电流信号517A/B。测得的两相电动机供应电流信号517A/B可以是模拟信号，因此，ADC(模数转换器)和DQ变换电路510可以将测得的两相电动机供应电流信号517A/B转换成其数字表示。ADC和DQ变换电路510可以进一步向测得的两相电动机供应电流信号517A/B的数字表示应用DQ变换。DQ变换是一种旋转三相系统的参照系以简化三相信号分析的变换。应用DQ变换将三个AC量减少至两个DC量。在执行逆变换以恢复实际的三相AC结果之前对这些DC量实施简化计算。如图5所示，应用DQ变换，ADC和DQ变换电路510能够将测得的两相电动机供应电流信号517A/B转换成可以是具有DC量的数字信号的变换后的电动机供应电流信号511。
参考图5，在一些实施例中，电动机模块观测器506还可以接收电动机电压信号505或电动机电压信号505的副本或样本。基于接收到的电动机电压信号505，电动机模块观测器506能够计算与直接驱动式电动机204的电动机供应电流(例如，提供给直接驱动式电动机204的外定子466的电动机供应电流)相关联的信息且产生计算的电动机供应电流信号519。在一些实施例中，节点512处的比较器(未示出)将变换后的电动机供应电流信号511与计算的电动机供应电流信号519进行比较且产生间隙信号(gap signal)513。间隙信号513代表了计算的电动机供应电流和测得的电动机供应电流之差。基于间隙信号513，电动机模块观测器506能够产生补偿信号509以动态地修正节点502处的输入信号501，从而补偿信号503。基于补偿信号503，电动机控制器504能够产生补偿电动机电压信号505，该信号使减小计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差(例如，减小或最小化间隙信号513)成为可能。减小计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差的过程可以重复。
参考图5，在一些实施例中，当间隙信号513的量小于阈值量时，电动机模块观测器506能够计算与直接驱动式电动机204相关联的位置(例如内转子462的角度)和速度(例如，磁性调制环464的速度或直接驱动式电动机204的输出轴的速度)信息，并且向电动机控制器504提供位置和速度信号507，用于产生适当的电动机电压信号505。在一些实施例中，电动机控制器504、电动机模块观测器506和节点502和512可以实现在数字信号处理器或通用处理器中。
图6A是示出与本公开原理一致的包含自学习系统640的另一示例性的无位置传感器转子控制系统600的详细视图。参考图6A，类似于无位置传感器转子控制系统500，无位置传感器转子控制系统600可以包括电动机控制器604、电动机模块观测器606、供电系统逆变器608以及ADC和DQ变换电路610。无位置传感器转子控制系统600还可以包括自学习系统640。虽然图6A示出了自学习系统640是与无位置传感器转子控制系统600的其余组件分离的组件，但是自学习系统640还可以与图6A所示的一个或多个其余的组件或者智能游梁式抽油机200的其他组件集成在一起。例如，自学习系统640可以与电动机模块观测器606和/或ADC和DQ变换电路610集成在一起。
在一些实施例中，自学习系统640能够基于两相电动机供应电流信号617A/B的测量来获得与图2的直接驱动式电动机204相关联的控制信息。参考图6A，电动机控制器604产生电动机电压信号605。供电系统逆变器608接收电动机电压信号605且能够将电动机电压信号605转换成电源电压信号615。类似于供电系统逆变器508，供电系统逆变器608是将DC信号转换成AC信号的电子装置或电路。例如，供电系统逆变器608将可为DC信号的电动机电压信号605转换成可为三相AC电源电压信号的电源电压信号615。在一些实施例中，供电系统逆变器608还能够将任意类型的DC信号转换成任意类型的AC信号，用于使直接驱动式电动机204运转。
如图6A所示，基于电源电压信号615，能够通过例如自学习系统640来获得或测得两相电动机供应电流信号(例如，信号617A/B)。自学习系统640能够进行在线估算，例如，对测得的两相电动机供应电流信号617A/B应用信号或频谱处理，以获取或获得与直接驱动式电动机相关联的信息，诸如直接驱动式电动机的操作参数。这些参数可以包括例如转子角、旋转速度、转子电阻、定子电阻、漏电感、d轴电抗、q轴电抗、额定供应电流、额定扭矩、磁场系数、诸如噪声协方差的卡尔曼滤波器的一个或多个参数。存在获取或获得这些参数的各种在线估算技术。例如，自学习系统640可以基于在数字信号处理器或任何其他适合的硬件和/或软件结构上实现的卡尔曼滤波器算法来执行在线估算。利用卡尔曼滤波器算法，能够基于来自接收控制信号的电动机的反馈电信号来计算或获得直接驱动式电动机的噪声协方差、转子电阻和/或其他操作参数。在一些实施例中，还能够使用其他算法。
而且，在一些实施例中，无位置传感器控制系统500或600能够以更高效的方式实现对直接驱动式电动机的控制。例如，电动机模块观测器506或606能够在诸如大约0.3秒的短时间段内计算与直接驱动式电动机相关联的位置和速度信息。
而且，无位置传感器控制系统500或600还可以实现基于负载条件的直接驱动式电动机的智能控制。作为示例，在提取诸如液体、气体或固体的地下物的早期阶段中，无位置传感器控制系统500或600可以自动提高直接驱动式电动机的旋转速度。结果，可以使智能游梁式抽油机200比常规的游梁式抽油机100提取更多的地下物(例如，多30％)。在提取地下的液体或气体的中期或后期，可用地下物量通常减少。无位置传感器控制系统500或600可以自动降低直接驱动式电动机的旋转速度，从而降低智能游梁式抽油机200的运转成本，同时保持或增加地下物的提取。下面更详细地描述基于负载条件对直接驱动式电动机的速度控制。
图6B是示出示例性的自学习系统640的框图。参考图6B，在一些实施例中，自学习系统640可以包括静态学习子系统642和动态学习子系统644。自学习系统640、静态学习子系统642和动态学习子系统644中的一个或多个可以包括一个或多个处理器(例如通用处理器或数字信号处理器)和存储器。存储器可以是非暂态计算机可读存储介质。静态学习子系统642能够获取与直接驱动式电动机204相关的信息，而无需启动或运转直接驱动式电动机204。静态学习子系统642能够存储之前采集的数据，诸如直接驱动式电动机204的测得的两相电动机供应电流信号。基于所存储的数据，静态学习子系统642能够获取或获得直接驱动式电动机204的各种操作参数。
参考图6A和图6B，动态学习子系统644能够获取当直接驱动式电动机运转时与图2的直接驱动式电动机204相关联的信息。在一些实施例中，动态学习子系统644能够基于对电动机供应电流信号617A/B的实时测量来获取与直接驱动式电动机相关联的信息。结果，动态学习子系统644能够获取或获得直接驱动式电动机的更新的或近期操作参数。在一些实施例中，静态学习子系统642和动态学习子系统644能够集成为一个单一的子系统。此外，静态学习子系统642和动态学习子系统644还可以利用数字信号处理器或通用处理器来实现。
自学习系统640可以降低控制、调节或调谐直接驱动式电动机的难度，因为其能够基于与直接驱动式电动机的运转相关联的历史数据和/或实时数据来自动调节或改变直接驱动式电动机的操作参数。
此处的控制系统(例如，控制系统206、500和600)和自学习系统(例如，自学习系统640)的各个实施例可以包括计算机实现的方法、有形非暂态计算机可读介质和系统。例如，通过从非暂态计算机可读存储介质接收指令的至少一个处理器来执行计算机实现的方法。类似地，与本公开一致的系统可以包括至少一个处理器和存储器，存储器可以是非暂态计算机可读存储介质。如本文所使用，非暂态计算机可读存储介质是指能够在其上面存储至少一个处理器可读的信息或数据的任意类型的物理存储器。示例的存储介质包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、易失性存储器、非易失性存储器、硬盘驱动器、CD ROM、DVD、闪存驱动器、磁盘以及任何其他已知的物理存储介质。诸如“存储器”和“计算机可读存储介质”的单数术语可另外指代多种结构，诸如多个存储器或计算机可读存储介质。如本文所提到的，除非另外规定，“存储器”能够包括任意类型的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质能够存储由至少一个处理器执行的指令，包括用于使处理器执行与本文实施例一致的步骤或阶段的指令。另外，一个或多个计算机可读存储介质能够用于实现计算机实现方法。术语“计算机可读存储介质”应当理解为包含有形品项且排除载波和暂态信号。
图7是示出智能游梁式抽油机200的地下泵浦子系统700的详细视图。参考图7，地下泵浦子系统700包括光杆726的一部分，其从地上延伸到地下液体/气体承载区730。在一些实施例中，地下液体/气体承载区730可以是地下固体承载区。光杆726与泵740机械耦接。泵740包括两个阀门，例如行进阀742和固定阀746。在一些实施例中，固定阀746位于行进阀742的下方。行进阀742与光杆726的端部耦接，行进阀742可包括抽油杆且可以随着光杆726的行进而上下移动。
如图7所示，在一些实施例中，行进阀742可以最初与固定阀746紧密接近。当光杆726在向上行程中上移时，行进阀742和固定阀746可以随着行进阀742上移而开始彼此分离。在向上行程中，行进阀742可以关闭，固定阀746可打开。结果，泵筒744可以被从液体/气体承载区730穿过的诸如液体、气体或固体等地下物填充。在向上行程中，泵筒744向上行进且液体/气体被提升到地上。当光杆726在向下行程中下移时，行进阀742可以打开，固定阀746可以关闭。行进阀742可以朝向固定阀746下移。在光杆726到达其向下行程的末端之后，向上行程过程重复。
参考图5、图6A、图6B和图7，在一些实施例中，无位置传感器控制系统500或600能够动态地调节图2的直接驱动式电动机204的旋转速度以调节光杆726的行进速度。作为示例，为了增加能够从包括一个向上行程和一个向下行程的一个往复运动中提取的诸如液体、气体或固体的地下物的量，可能需要向下行程的行进速度低于向上行程的行进速度。放缓的向下行程可允许更多的地下物穿过而进入泵筒744。加快的向上行程可允许更高的向上行进速度，因此可以在一定时间段内执行更多的往复运动。作为放缓的向下行程和加快的向上行程的结果，可以增加能够从一个往复运动中提取的地下物的量。
在一些实施例中，无传感器控制系统500或600可以基于诸如液体、气体或固体的地下物的水平来调节向上行程和向下行程的速度。例如，随着时间的推移提取地下物，地下物的水平可逐渐减少。结果随时间推移，保持相同的向上行程和向下行程的速度可能减少地下物的量，因为随着液体或气体的水平降低液体/气体需要更多的时间穿过进入泵筒744。在一些实施例中，无传感器控制系统500或600能够检测到地下物的水平的变化。作为示例，液体/气体传感器(未显示)能够安装到泵740和/或光杆726上，用于向无传感器控制系统500或600提供感测信号。作为另一示例，自学习系统640能够检测和/或监控与直接驱动式电动机相关的操作参数的变化(例如，负载变化)，并且获得表明所提取的诸如液体、气体或固体的地下物的水平变化的地下物信息。在检测到地下物的水平变化之后，无传感器控制系统500或600可以通过调节例如电源电压信号515或615来调节光杆726的向上行程和向下行程的速度。
图8是示出用于控制直接驱动式电动机的示例性的方法800的流程图。参考图8，本领域普通技术人员将理解的是，可以改变图示的过程以删除步骤或者进一步包括额外的步骤。在初始步骤802中，控制系统(例如，控制系统206、320、500或600)接收输入信号。输入信号可以是数字信号。在步骤804中，控制系统可以基于输入信号和/或反馈信号诸如在步骤812中产生的补偿信号来提供一个或多个电动机电压信号。电动机电压信号可以包括与期望的电动机供应电流对应的一个或多个专用调节电压。电动机电压信号可以是模拟信号。
在步骤806中，控制系统可以基于电动机电压信号来产生一个或多个电源电压信号。例如，控制系统可以将可为DC信号的电动机电压信号转换成可为AC电源电压信号的三相脉宽调制电压信号。
如图8所示，基于一个或多个电源电压信号，控制系统可以获得(步骤808)变换后的电动机供应电流信号。在一些实施例中，在步骤808中，控制系统可以基于一个或多个电源电压信号来测量或获得两相的电动机供应电流信号。测得的两相电动机供应电流信号可以是模拟信号，因此控制系统可以将其转换成其数字表示。控制系统可以进一步向测得的两相电动机供应电流信号的数字表示应用DQ变换以获得可为具有DC量的数字信号的变换后的电动机供应电流信号。
参考图8，在一些实施例中，控制系统还可以计算与电动机供应电流相关的信息且生成(步骤810)计算的电动机供应电流信号。在一些实施例中，控制系统将变换后的电动机供应电流信号与计算的电动机供应电流信号进行比较且获得(步骤812)间隙信号。间隙信号可以表示计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差。基于间隙信号，控制系统能够产生(步骤814)补偿信号，补偿信号能够减小计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差。补偿信号能够发送到步骤804，用于提供下一电动机电压信号。用于减少计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差的步骤可以重复。
参考图8，在步骤816中，控制系统能够判定计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差是否满足阈值条件(例如，小于阈值量)。当计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差不满足阈值条件时，控制系统能够重复步骤804以及上述的其他步骤。当计算的电动机供应电流与测得的电动机供应电流之差满足阈值条件时，控制系统能够提供(步骤818)与直接驱动式电动机相关的位置(例如，直接驱动式电动机的内转子的角度)和速度(例如，磁性调制环的速度或直接驱动式电动机的输出轴的速度)信息。
本文所公开的方法可以实现为计算机程序产品，即，在信息载体中，例如在机器可读存储设备或者在传播信号中具体有形地实施的计算机程序，以便由例如可编程处理器、计算机或多台计算机的数据处理装置来执行或者控制其操作。计算机程序能够以包括汇编或解释语言的任意形式的编程语言来编写，并且其能够以任意形式布置，包括作为独立式程序或作为模块、组件、子程序或适合用于计算环境中的其他单元。计算机程序能够布置成在一台计算机上或者在一个地点的或者分布在多个地点且由通信网络互连的多台计算机上执行。
在前面的说明书中，已经参考因实现方式而变化的多个具体细节描述了实施例。能够对上述实施例进行一些改变和改进。通过考量本文所公开的本发明的说明书和实践，其他实施例对于本领域技术人员是显而易见的。说明书和示例仅意在示例性地考量，本发明的真正的范围和精神由随附的权利要求书来表明。图中所示的步骤的序列仅为示例性的目的，不旨在局限于步骤的任何特定序列。因此，本领域技术人员能够理解的是，这些步骤能够以不同的次序来执行，而实现相同的装置或方法。

Claims (20)

1.一种利用游梁式抽油机来提取地下物的方法，所述游梁式抽油机包括旋转电动机和与实现提取的游梁耦接的一个或多个曲柄，所述方法包括：
在控制系统处接收一个或多个输入信号；
基于所述输入信号来向所述旋转电动机提供一个或多个控制信号，以使所述旋转电动机实现直接驱动所述一个或多个曲柄用于提取所述地下物；
基于所述一个或多个控制信号，根据所述地下物的一个或多个条件来改变所述旋转电动机的旋转速度；以及
基于所述旋转电动机的变化的旋转速度，以往复运动方式实现提取。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述旋转电动机至少是如下之一：永磁同步电动机、同步磁阻电动机、复合永磁同步电动机、无刷电动机、直流电动机、转子绕组式同步电动机、异步电动机或感应电动机。
3.如权利要求1所述的方法，其中提供所述一个或多个控制信号包括：在不存在位置传感器的情况下，确定与所述电动机相关联的位置或旋转速度中至少之一。
4.如权利要求1所述的方法，其中提供所述一个或多个控制信号包括：
提供一个或多个电动机电压信号；以及
基于所述一个或多个电动机电压信号来生成一个或多个电源电压信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个电源电压信号包括三相脉宽调制(PWM)电压信号。
6.如权利要求4所述的方法，还包括：
基于所述一个或多个电源电压信号来获得两相电动机供应电流信号，所述两相电动机供应电流信号是模拟信号；
利用所获得的两相电动机供应电流信号来生成所述两相电动机供应电流信号的数字表示；以及
将DQ变换应用于所述两相电动机供应电流信号的所述数字表示以获得变换后的电动机供应电流信号。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
基于所述一个或多个电动机电压信号来生成计算的电动机供应电流信号；
基于所述计算的电动机供应电流信号和所述变换后的电动机供应电流信号来获得间隙信号，所述间隙信号表示所述计算的电动机供应电流信号与所述变换后的电动机供应电流信号之差；以及
基于所述间隙信号，生成实现减小所述计算的电动机供应电流信号和所述变换后的电动机供应电流信号之差的补偿信号。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
判定所述计算的电动机供应电流信号与所述变换后的电动机供应电流信号之差是否满足阈值条件；以及
基于所述判定来提供与所述电动机相关联的位置或旋转速度中至少之一。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
获得与所述旋转电动机相关联的一个或多个参数，所述一个或多个参数包括以下至少之一：转子角、旋转速度、转子电阻、定子电阻、漏电感、d轴电抗、q轴电抗、额定供应电流、额定扭矩、磁场系数或包括噪声协方差在内的卡尔曼滤波器的一个或多个参数。
10.如权利要求9所述的方法，其中基于两相电动机供应电流信号来获得与所述电动机相关联的所述一个或多个参数。
11.如权利要求1所述的方法，其中以往复运动方式提取所述地下物包括：
基于所述旋转电动机的变化的旋转速度来提供向上和向下运动，其中所述向上运动具有第一速度，所述向下运动具有第二速度。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一速度大于或等于所述第二速度。
13.一种存储有指令的非暂态计算机可读存储介质，当通过一个或多个处理器来执行时，所述指令使游梁式抽油机执行用于提取地下物的方法，所述方法包括：
在控制系统处接收一个或多个输入信号；
基于所述输入信号来向旋转电动机提供一个或多个控制信号，以直接驱动一个或多个曲柄用来提取地下物；
基于所述一个或多个控制信号，根据所述地下物的一个或多个条件来改变所述旋转电动机的旋转速度；以及
基于所述旋转电动机的变化的旋转速度，以往复运动方式实现提取。
14.如权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中提供所述一个或多个控制信号包括：在不存在位置传感器的情况下，确定与所述电动机相关联的位置或旋转速度中至少之一。
15.如权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中提供所述一个或多个控制信号包括：
提供一个或多个电动机电压信号；以及
基于所述一个或多个电动机电压信号来生成一个或多个电源电压信号。
16.如权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中所述一个或多个电源电压信号包括三相脉宽调制(PWM)电压信号。
17.如权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中通过所述一个或多个处理器执行的所述指令集使所述游梁式抽油机进一步执行：
基于所述一个或多个电源电压信号来获得两相电动机供应电流信号，所述两相电动机供应电流信号是模拟信号；
利用所获得的两相电动机供应电流信号来生成所述两相电动机供应电流信号的数字表示；以及
将DQ变换应用于所述两相电动机供应电流信号的所述数字表示以获得变换后的电动机供应电流信号。
18.如权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中通过所述一个或多个处理器执行的所述指令集使所述游梁式抽油机进一步执行：
基于所述一个或多个电动机电压信号来生成计算的电动机供应电流信号；
基于所述计算的电动机供应电流信号和所述变换后的电动机供应电流信号来获得间隙信号，所述间隙信号表示所述计算的电动机供应电流信号和所述变换后的电动机供应电流信号之差；以及
基于所述间隙信号来生成实现减小所述计算的电动机供应电流信号与所述变换后的电动机供应电流信号之差的补偿信号。
19.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中通过所述一个或多个处理器执行的所述指令集使所述游梁式抽油机进一步执行：
判定所述计算的电动机供应电流信号与所述变换后的电动机供应电流信号之差是否满足阈值条件；以及
基于所述判定来提供与所述电动机相关联的位置或旋转速度中至少之一。
20.如权利要求13所述的计算机可读存储介质，其中通过所述一个或多个处理器执行的所述指令集使所述游梁式抽油机进一步执行：
获得与所述电动机相关联的一个或多个参数，所述一个或多个参数包括如下至少之一：转子角、旋转速度、转子电阻、定子电阻、漏电感、d轴电抗、q轴电抗、额定供应电流、额定扭矩、磁场系数或包括噪声协方差在内的卡尔曼滤波器的一个或多个参数。
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