JPWO2008050595A1 - ポンプジャックのポンプオフ制御方法及びポンプジャック制御装置 - Google Patents

Abstract

ポンプオフ発生で速度を低下させても過負荷異常や原油の凝固で停機せず、油井の継続的な生産を行うことができ、しかも、ポンプオフ時にも、生産能力の低下をなるべく防ぐことが可能なポンプジャックのポンプオフ制御方法とポンプジャック制御装置を提供する。ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替える。また、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるようにするか、又は、インバータでの運転においてトルク制限をかけながらアップストローク動作をさせるようにする。

Description

本発明は、ポンプジャックで駆動されるビームポンプのポンプオフ制御方法及びポンプジャック制御装置に関する。

ビームポンプ油井（Ｂｅａｍ ｐｕｍｐｅｄｗｅｌｌｓ）における、ポンプオフコントロールのセンサとしては、流体レベルや圧力検出器（Ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｆｌｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｏｒ ｐｒｅ−ｓｓｕｒｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ）、流量センサ（Ｆｌｏｗ ａｎｄ ｎｏ−ｆｌｏｗ ｓｅｎｓｏｒｓ）、振動センサ（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｓ）更には、モータ電流センサ（Ｍｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒｓ）から、最近のロッド負荷の解析や記録が出来る近代的なダイナグラフカード方式（Ｄｙｎａｇｒａｐｈ ｃａｒｄ ｍｅｔｈｏｄｓ）へと展開して来た。
しかしながら、これらの従来方式のセンサを応用する方法では、精度面に問題があってほとんど実用されていないし、ダイナグラフカード方式では、たとえ精度面は満足されても、サッカロッド荷重を検出するセンサやその検出信号処理装置等が必要になり、結果として複雑・高価になる欠点があった。

また、ポンプオフコントロールにおいて各種のセンサを用いずに行う方法として、ポンプジャックのポンプオフを検出し、検出するとポンプジャックの速度をポンプオフがなくなる状態まで低下させて制御する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
図６において、１はポンプジャック駆動用の誘導電動機、２は誘導電動機１に直結され、誘導電動機１の速度を検出する速度検出器、３は電流マイナーループを有するベクトル制御インバータ、４ａはポンプオフ制御装置である。
ベクトル制御インバータ３は、直線指令器３１、速度調整器３２、電流調整器３３、ＰＷＭ制御器３４、変流器３５及びベクトル演算器３６を備えている。直線指令器３１は、ポンプオフ制御装置４ａの出力である速度基準Ｎｐを、内部に設定された加速レートに制限し、誘導電動機１の速度基準Ｎｓに変換する働きをする。速度基準Ｎｓは速度検出器２で検出された実際の速度Ｎｉと比較され、その偏差が速度調整器３２によって増幅されて二次電流指令Ｉ２ｑが出力される。
電動機電流は変流器３５で検出され、ベクトル演算器３６によってその二次電流成分のみがＩ２として検出され、二次電流指令Ｉ２ｑと比較される。そして、その偏差が電流調整器３３によって増幅され、ＰＷＭ制御器３４によって電圧のパルス幅が調節されて負荷を駆動するのに必要な二次電流が誘導電動機１に供給される。このようにベクトル制御インバータ３は、実際の速度Ｎｉが速度基準Ｎｐに等しくなるように電動機速度を自動調整する。

ポンプオフ制御装置４ａのポンプオフコントロールは、例えば図７に示すブロック図で行われる。図７において、ポンプオフ制御装置４ａは、演算器４１、二次電流基準発生器４２、比較器４３、出力リレー４４、シーケンサ４５ａ、速度指令関数発生器４６、ポンプジャックの主速度設定器４７、速度指令切替器４８及び速度指令器４９を備えている。演算器４１はポンプジャックの毎回のダウンストローク時間に対する二次電流の瞬時値の平均値（あるいは実効値）を演算及び記憶する機能を有し、誘導電動機１の実際の速度Ｎｉに対応してＩ２ＡＶ（あるいはＩ２ＲＭＳ）を検出する。二次電流基準発生器４２は、ポンプオフが無い正常運転中における二次電流の平均値基準Ｉ２ＡＶ*（あるいは実効値基準Ｉ２ＲＭＳ*）を設定し、ポンプジャックの実際の速度Ｎｉに対応してその設定値を調整する。
実際に検出された二次電流の瞬時値の平均値Ｉ２ＡＶ（あるいは実効値Ｉ２ＲＭＳ）は、設定値Ｉ２ＡＶ*（あるいはＩ２ＲＭＳ*）と比較器４３で比較され、もし、Ｉ２ＡＶ＞Ｉ２ＡＶ*（あるいは、Ｉ２ＲＭＳ＞Ｉ２ＲＭＳ*）ならば、ポンプオフ発生を検出し、逆にＩ２ＡＶ≦Ｉ２ＡＶ*（あるいは、Ｉ２ＲＭＳ≦Ｉ２ＲＭＳ*）ならば、ポンプオフ解除を検出する。

シーケンサ４５ａは、ポンプオフシーケンスを統括制御する機能とポンプオフの発生と解除に対応してポンプジャックの速度を降速・昇速するための速度指令を発する機能を有し、運転中のポンプジャック速度のノッチを自動的に判断し、それより１ノッチだけ低い速度や、１ノッチだけ高い速度になるように速度指令関数発生器４６を制御する。
主速度設定器４７は、例えばＮｐｓ＝１００％速度、Ｎｐｓ＝８０％速度のように、その時の油井状況に対応した最高速度を設定するものである。
したがって、この設定された速度で運転中にポンプオフが検出されると１ノッチ分の速度だけ強制的に速度指令関数発生器４６で降速させる。つまり、ポンプジャック速度は、△Ｎｐｎを△Ｎｐ１に設定してＮｐはＮｐｓ−△Ｎｐ１とし、ポンプオフ条件の消滅を待つ。引き続きポンプオフが検出されると、更にもう１ノッチ分だけ、例えば△Ｎｐ２を２×△ＮＰ１とし降速させる。
ただし、Ｎｐｓ−Ｎｐｎ≦０の場合、ポンプジャックは停止する。この場合、速度指令切替器４８を速度指令器４９側に切り替える。
速度指令器４９は、ポンプオフ条件の有無をチェックするための微速指令を発生するものである。この切り替えが完了すると、ポンプオフで停止中のポンプジャックを一定時間後に強制的に再起動し、微速運転し、微速運転中にポンプオフ条件の有無のチェックを行う。
この微速運転中にポンプオフ解除を検出した場合、速度指令切替器４８を主速度設定Ｎｐｓ側に切り替える。このようにして、ポンプジャックはＮｐｓ−△Ｎｐｎ＝Ｎｐの速度で、再び制御されるようになり、順次ポンプオフ条件の解除を確認しつつ、自動的に昇速させられ、設定された当初の速度Ｎｐｓに復元する。
以上述べたようにポンプオフ制御装置４ａは、誘導電動機１の二次電流の瞬時値の平均値（あるいは実効値）を演算及び記憶し、基準値と比較することにより、ポンプオフ又はポンプオフ解除を検出するものである。

吐出時の吐出弁の時間遅れを二次電流の立ち上がり時間で見てポンプオフの発生又は解除の検出については、図８に示す第２のポンプオフ制御装置４ｂのポンプオフコントロールのブロック図で行われる。
図８において、ＩＰＣＡＬブロック５１は、ポンプジャックの毎回のダウンストローク時間に対する二次電流瞬時値の最大値Ｉ２Ｐを演算、検出するもので、二次電流がＩ２Ｐに到達するとＡＮＤ論理素子６２に、論理信号”１”を与える。
ＳＩＧＭＡブロック６１は、ポンプオフ検出リレーＤＥＴ７１がＯＮの間、一定タイミングパルス発生器６０が発生する時間パルスΔｔを積算する。そしてＡＮＤ論理素子６２が”１”の間、二次電流サンプリング時間毎に記憶素子６４にＳＩＧＭＡブロック６１の積算結果を書き込む。つまり、ＩＰＣＡＬブロック５１が検出したＩ２ＰによってＡＮＤ論理素子６２に論理信号”１”が与えられると、その時点までに積算されたΔｔ時間、つまりΣΔｔの値が記憶素子６４に記憶されることになる。このようにして検出されたダウンストロークの時のΣΔｔをＴｐ１（ｓｅｃ）とすれば、この値は、基準サイクルタイム演算器（ＣＴＣＡＬ）６６の出力Ｔｃｔｒ（ｓｅｃ）で割算され、ｔＰ１（ｐ．ｕ．）となる。

記憶素子５２は、このｔＰ１と比較するための設定基準時間ｔＰＲ（ｐ．ｕ．）を記憶するものである。この場合、Ｔｐｒは、ＡＮＤ論理素子６９を通して設定する手動設定による場合と、ＡＮＤ論理素子６３を通して、記憶素子６５に与えられた値を、Ｔｃｔｒで割算した値ｔＰＲを設定する自動設定による場合の二つがある。すなわち、実際の二次電流最大値時間ｔＰ１（ｐ．ｕ．）は、上記何れかの方法にて設定された設定基準時間ｔＰＲ（ｐ．ｕ．）と比較され、その差は、比較器４３に入力され、比較器４３は出力リレー４４を次のように切り替える。
ｔＰ１＞ｔＰＲ（ポンプオフ発生）の場合、出力リレー４４を”ＤＮ”側に切り替え、逆に、ｔＰ１≦ｔＰＲ（ポンプオフ解除）ならば、出力リレー４４を”ＵＰ”側に切り替える。
シーケンサ４５ｂ、速度指令関数発生器４６の動作は、図７での動作と同様なのでここでは省略する。
なお、基準サイクルタイム演算器（ＣＴＣＡＬ）６６は、ポンプジャック速度をＮｉで取り込み、これと機械定数として設定されている減速比から、１／２ストローク時間（＝ＴS／２）を演算し、演算値を基準サイクルタイムＴｃｔｒとして出力する。また、ポンプジャックが正常運転している場合の基準の二次電流最大値時間を設定基準時間として、記憶素子５２に記憶されている。

このようにして、ポンプジャックはＮｐｓ−△Ｎｐｎ＝Ｎｐの速度で、再び制御されるようになり、順次ポンプオフ条件の解除を確認しつつ、自動的に昇速させられ、当初の速度油井の状況に対応した最高速度に復元する。
このように、従来の速度調整可能な誘導電動機を用いたポンプジャックでは、吸込時の二次電流の平均値（あるいは実効値）、あるいは吐出時の吐出弁の時間遅れを二次電流の立ち上がり時間でポンプオフの発生又は解除を検出し、ポンプジャックの速度をポンプオフがない状態まで低下させるという手順がとられていた。
国際公開第００／６６８９２号パンフレット

従来のポンプオフ制御方法では、油井の浮遊ガス等によるポンプオフの発生を検出すると、モータの回転数を下げるという手順をとっているので、パラフィンが多く、粘度も高く、砂も混じっていて凝固し易い原油に適用するポンプジャックでは、速度を低下させてもポンプオフの状態から抜けにくいという問題があった。また、ポンプジャックは速度に関わらず一定負荷であるため、ポンプオフ検出後にモータの回転数を下げて低速運転になると、特にモータ構造が全閉外扇のような場合には、モータは過負荷異常になりやすく、また、間欠運転において強制的な再起動は一定時間後であるので、停機時間が短くてモータ過負荷異常となって運転ができなくなったり、逆に必要以上の時間停機して原油が凝固して再起動できなくなるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプオフ発生で速度を低下させても過負荷異常や原油の凝固で停機せず、油井の継続的な生産を行うことができ、しかも、ポンプオフ時にも、生産能力の低下をなるべく防ぐことが可能なポンプジャックのポンプオフ制御方法とポンプジャック制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、交流電動機を用いて可変電圧、可変周波数電源のインバータで駆動し、前記交流電動機の過負荷保護を行い、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出するポンプジャックのポンプオフ制御方法において、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、
その低下した速度においても前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的にポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させ、ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に前記交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替えるという手順をとったのである。
請求項２に記載の発明は、前記間欠運転において、前記交流電動機の過負荷警告信号の解除を再運転の開始条件とするという手順とし、請求項３に記載の発明は、前記間欠運転において、前回ポンプジャックのポンプオフ条件を再運転の開始条件とするという手順をとったのである。

ところで、本発明者の知見、検討によれば、上記問題の要因は、ポンプオフ状態はシリンダ内にガスが混入し、ピストンがアップストロークエンドからダウンストロークエンドに向かう途中、吸込弁の密閉（＝吐出弁の開放）時間が長くなり、吸込弁の密閉の瞬間にポンプジャックの運動エネルギーが一瞬に弁や内壁にかかるためであることであり、ピストンを速く引き抜く動きに粘度の高い原油が追従できず、ガスの混入を招き、キャビテーションや液柱分離現象を誘発しやすくなる。さらに、これらを防止するためには、吸込工程でのピストンの引き抜く最高速度を、現行の正弦波状にこだわらずに矩形波状にして最高速度を下げると効果的である。
これら本発明者の知見、検討により、請求項４に記載の発明は、交流電動機を用いて可変電圧、可変周波数電源のインバータで駆動し、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出するポンプジャックのポンプオフ制御方法において、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるようにするか、又は、前記インバータでの運転においてトルク制限をかけながらアップストローク動作をさせるようにするという手順をとったのである。
請求項５に記載の発明は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなるように運転させるという手順をとったのである。

さらに、上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項６に記載の発明は、可変電圧、可変周波数電源のインバータと、交流電動機の速度制御部と、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出し、前記ポンプオフ条件が検出されると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、その低下した速度においても、前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的にポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させるポンプオフ制御部を備えたポンプジャック制御装置において、前記交流電動機に流れる電流の大きさに基づき、少なくとも積算を用いた演算値、あるいは、前記交流電動機に取り付けられた温度センサの検出値により過負荷警告信号を出力する過負荷保護部を有した速度制御部と、ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に、前記交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替えるポンプジャック制御部とを備えるものである。
請求項７に記載の発明は、請求項６記載のポンプジャック制御装置において、前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるように前記速度制御部へ速度指令を出力するようにし、請求項８に記載の発明は、前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなる速度指令を速度制御部へ出力するものである。

請求項１、６に記載の発明によると、ポンプオフ条件検出後、過負荷異常にならずに運転継続でき、原油の凝固を防止することができる。請求項２、３に記載の発明によると、間欠運転における待ち時間を最適にできる。請求項４、７に記載の発明によると、使用する交流電動機やインバータの能力最大限で運転することができ、さらに、請求項５、８に記載の発明によると、ポンプジャックのサイクルタイムの低減をピストンの吐出側で挽回することができる。
さらに、このようなポンプオフコントロールのソフトウェアを、ポンプジャックの速度制御のために使用するベクトル制御インバータに搭載すれば、ロッド荷重センサとマイクロコンピュータから構成される高価なダイナグラフカードシステムを使用しないで、安価で、しかもポンプオフ時にも、ポンプジャックの生産能力の低下をなるべく防ぐことが可能なポンプジャック制御装置を提供できる。

本発明の実施例を示すポンプジャック制御装置の構成を示すブロック図 本発明第１実施例の第１のポンプオフコントロールを示すブロック図 本発明第１実施例の第２のポンプオフコントロールを示すブロック図 第２実施例のポンプオフコントロールを示すブロック図 第２実施例で使用される矩形波状速度設定の例 従来のポンプジャック制御装置の構成を示すブロック図 従来の第１のポンプオフコントロールを示すブロック図 従来の第２のポンプオフコントロールを示すブロック図

符号の説明

１ 誘導電動機
１’ 交流電動機
２ 速度検出器
３、３’ ベクトル制御インバータ
４、４ａ、４ｂ、４ａ’、４ｂ’、４ｂ” ポンプオフ制御装置
２０ ストローク位置センサ
３１ 直線指令器
３２ 速度調整器
３３ 電流調整器
３４ ＰＷＭ制御器
３５ 変流器
３５’ 電流検出器
３６ ベクトル演算器
３７ 過負荷検出器
４１ 演算器
４２ 二次電流基準発生器
４３ 比較器
４４ 出力リレー
４５ａ、４５ｂ、４５ａ’、４５ｂ’、４５ｂ” シーケンサ
４６、４６’ 速度指令関数発生器
４７ 主速度設定器
４８ 速度指令切替器
４９ 速度指令器
５１ ＩＰＣＡＬブロック
５２ 記憶素子
６０ 一定タイミングパルス発生器
６１ ＳＩＧＭＡブロック
６２、６３ ＡＮＤ論理素子
６４、６５ 記憶素子
６６ 基準サイクルタイム演算器（ＣＴＣＡＬ）
６９ ＡＮＤ論理素子
７１ ポンプオフ検出リレー
７３ ストローク位置切替器
７４ 基準点信号発生器（ＲＰＯＳＧ）

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るポンプジャック制御装置の構成を示すブロック図である。図１（ａ）において、本実施の形態では、図６に示した従来図から過負荷検出器３７を追加し、これに伴いベクトル制御インバータを３’とし、ポンプオフ制御装置４の機能を一部追加し、これを４ａ’としている。図６に示した従来図と同一構成には、同一符号を付して重複する構成、動作について説明は省略する。なお、誘導電動機１０１を交流電動機１’とし、同一構成ではあるが変流器３５を電流検出器３５’としている。

次に動作について説明する。
過負荷異常の検出は、電流検出器３５’で検出した電動機電流から所定値１（例えば、モータ定格電流の１１０％）を差し引き、それを積算し所定値２に達すると過負荷異常とする方法が知られている。
過負荷検出器３７は、上記方法で積算量が所定値２に達する前、例えば所定値２の９０％に達したところで警告信号（ｗａｒｎｉｎｇ）を出力する。なお、この演算の際、モータ速度の関数で係数を持たせて積算し、駆動しているモータ特性に合う熱モデルとしている。
ポンプオフ制御装置４ａ’のポンプオフコントロールを示すブロック図は、例えば図２のように構成されている。図２において、図７に示した従来図からシーケンサ４５ａにあるポンプオフシーケンスを統括制御に関する機能の動作を一部変更し、４５ａ’としている。図７に示した従来図と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
シーケンサ４５ａ’におけるポンプオフシーケンスを統括制御は、過負荷検出器３７からの過負荷警告信号（ｗａｒｎｉｎｇ）がポンプオフ制御装置４ａ’に入力されると、運転を停止してポンプジャックを停機させ、過負荷警告信号が解除されると、ポンプジャックを速度指令器４９からの速度設定、つまり、最低速度で再始動させるようにしている。

このようにして、過負荷検出器３７からの過負荷警告信号（ｗａｒｎｉｎｇ）により、運転停止、最低速度での再起動を行うようにすることができ、ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に、交流電動機１’の過負荷保護が動作（過負荷異常）してポンプジャックが運転不能とすることなく、間欠運転を行うことができる。
また、ポンプオフ制御装置４ａ’のポンプオフコントロールを示すブロック図を、従来技術の図７に対応した図２のような構成としたが、従来技術の図８に対応するようにした図３の構成にしても同様に実現できる。
図３において、図８に示した従来図の差異は、図２と図７の差異と同様にシーケンサ４５ａ’のポンプオフシーケンスを統括制御に関する機能の動作を一部変更し、４５ｂ’としているだけであるので説明は省略する。
なお、過負荷検出器３７は、図示していない温度センサを交流電動機１’に内蔵し、その温度が過負荷異常値の所定値の例えば１０℃程度手前で警告信号を出力するようにしても代用できる。

このように構成しているため、本実施の形態によれば、間欠運転の再運転のタイミングを過負荷警告信号（ｗａｒｎｉｎｇ）で判断できるようになる。
上記では、間欠運転におけるインターバル時間を過負荷検出器３７からの警告信号（ｗａｒｎｉｎｇ）により決定するように説明したが、前回ポンプジャック吸込時のポンプオフ条件で決定したり、あるいは前回ポンプジャック吸込時のポンプオフ条件を考慮して、ポンプオフ条件に大きくかかっている程、つまり、Ｉ２ＡＶがＩ２ＡＶ*（あるいは、Ｉ２ＲＭＳがＩ２ＲＭＳ*）に比べより大きい程、あるいは、ＴＰ１がＴＰＲに比べより大きい程、ポンプオフ条件の消滅を待つ時間をより大きく確保するように、間欠運転のインターバル時間を長くとる方向に決定するようにしてもよい。

図１（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るポンプジャック制御装置の構成を示すブロック図である。図１（ｂ）において、図６に示した従来図からポンプオフ制御装置４の機能を一部追加し、これを４ｂ”としているだけで、その他は図６に示した従来図と同一なので、説明は省略する。なお、誘導電動機１０１を交流電動機１’とし、同一構成ではあるが変流器３５を電流検出器３５’としている。
図４は、第２実施例のポンプジャック制御装置でのポンプオフコントロールを示すブロック図である。図４において、図８に示した従来図の速度指令関数発生器４６を速度指令のパターンが正弦波状から矩形波状に切り替え可能な速度指令関数発生器４６’とし、ストローク位置切替器７３を介して出力されるポンプジャックのストローク位置を検出するストローク位置センサ２０又はソフトウェア処理の基準点信号発生器７４の何れかを速度指令関数発生器４６’に入力するようにし、また、シーケンサ４５ｂにあるポンプオフシーケンスを統括制御に関する機能の動作を一部変更して４５ｂ”としている。図８に示した従来図と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。

次に動作について説明する。
シーケンサ４５ｂ”は、比較器４３の出力でポンプオフの発生を検出すると、ポンプジャックのストローク速度が、アップストローク時には正弦波動作から矩形波状（一定速）動作となるように速度指令関数発生器４６’を制御する。
速度指令関数発生器４６’は、主速度設定器４７出力であるその時の油井状況に対応した最高速度Ｎｐｓと、シーケンサ４５”出力であるポンプオフの発生状況により速度設定Ｎｐｎを演算する。
まず、ストローク位置切替器７３を介して出力されるポンプジャックのストローク位置を参照して求めたクランク角度θから、アップストローク動作かダウンストローク動作かを判断する。
次に、アップストローク動作であれば、速度設定Ｎｐｎを{０．６３７×（Ｎｐｓ-ΔＮｐｎ）/Ｋ−Δ}×Ｋ/ｓｉｎ（θ＋１８０°）として、ダウンストローク動作であれば、速度設定Ｎｐｎを２×（Ｎｐｓ−ΔＮｐｎ）＋Ｋ×Δ/０．６３７として、アップダウン時の平均速度が下がっていれば、それを補うように出力する。
なお、２／π＝０．６３７はストローク平均速度を正弦波状にした際に平均速度が変化しないようにした係数、ΔＮｐｎはポンプオフを検出して降速させる速度、Ｋはポンプジャックのリンク機構による機械的定数（機械設計諸元）によって決定されるストローク速度とモータ速度の変換係数、Δは矩形波状速度の調整用の値である。
このようにして、ストローク速度が矩形波状となるモータの速度設定を与える。
ポンプオフが解除され当初の速度に戻っている場合は、速度指令関数発生器４６’は、主速度設定器４７の出力値Ｎｐｓを速度設定Ｎｐｎとして出力する。
そして、速度設定Ｎｐｎはモータ仕様で上限を制限され、速度指令切替器４８を介して、速度基準Ｎｐとしてベクトル制御装置３に出力される。

図５は、上述のようにして求められた速度設定の例であり、クランク角度θを横軸にアップストローク動作とダウンストローク動作でのモータ速度、ストローク速度、ストローク位置の各信号を描いたものである。
アップストローク時のストローク速度は、通常時の正弦波状指令値のピーク値よりも小さい所定値で制限されるとともに、クランク角度θの０及び−１８０度付近ではほぼステップ状に変化している。このようにしているため、モータ速度は、モータ仕様の最高速度で制限され、電動機やインバータの最大電流やダウンホールポンプやサッカロッド系を始めとした機械保護のためのトルク制限にかかった状態で運転される。
この結果、実際のストローク速度は台形波状となり、ポンプジャックは駆動系の最大能力で運転されるようになる。このようにして、吐出時の最高速度を下げることができ、ピストン部の吐出平均速度が下がった場合でも、吸込速度を上げることでサイクルタイムの低減を図ることができる。
また、速度パターンの変形例として、ダウンストローク動作時においても、アップストローク時と同様にストローク速度を矩形波状になるようにしてもよい。

次に、クランク角度θの検出方法について説明する。
クランク角度検出のため、ポンプジャックに機械的、磁気的又は光学的なストローク位置センサ２０を設け、これから得られるポンプジャックのストローク位置からクランク角度θを求めることができる。
また、機械構造上の制約等でストローク位置センサ２０の設置が難しいときは、基準点信号発生器７４でダウンストロークスタートとアップストロークスタートの信号を求めたのち、ストローク速度から演算推定するようにすればよい。なお従来技術として挙げた特許文献１に記載のダウンストロークスタート信号と同様にアップストロークスタート信号についても演算すればよいので、ここでは説明は省略する。
このような構成しているため、本実施の形態によれば、ポンプオフ条件を検出するとポンプジャックのアップストローク（吸込動作）の最高速度を抑え、かつ平均速度の変わらない運転を実施することができる。

なお、上記実施例において、速度検出器があるとして説明したが、速度検出器なしでのベクトル制御装置に適用してもよい。
また、最近の電動機制御の進歩により、Ｖ／ｆ一定制御でありながらトルク制限をかけたり、交流電動機の二次電流を別手法で演算したりすることが可能となってきた。このような電動機制御装置を用いて、本発明を適用するようにしてもよい。
さらに、適用電動機は、誘導電動機、同期電動機をはじめとして他の交流電動機にも適用可能であることは言うまでもない。

本発明は、ポンプジャックで駆動されるビームポンプのポンプジャック制御装置とそのポンプオフ制御方法に適用可能である。

Claims (8)

1. 交流電動機を用いて可変電圧、可変周波数電源のインバータで駆動し、前記交流電動機の過負荷保護を行い、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出するポンプジャックのポンプオフ制御方法において、
   前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、
   その低下した速度においても前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的にポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させ、
   ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に前記交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替えることを特徴とするポンプジャックのポンプオフ制御方法。
2. 前記間欠運転において、
   前記交流電動機の過負荷警告信号の解除を再運転の開始条件とすることを特徴とする請求項１記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。
3. 前記間欠運転において、
   前回ポンプジャックのポンプオフ条件を再運転の開始条件とすることを特徴とする請求項１記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。
4. 交流電動機を用いて可変電圧、可変周波数電源のインバータで駆動し、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出するポンプジャック駆動系のポンプオフ制御方法において、
   前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるようにするか、又は、前記インバータでの運転においてトルク制限をかけながらアップストローク動作させるようにすることを特徴とするポンプジャックのポンプオフ制御方法。
5. 前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなるように運転させることを特徴とする請求項４記載のポンプジャックのポンプオフ制御方法。
6. 可変電圧、可変周波数電源のインバータと、交流電動機の速度制御部と、ポンプジャックのサイクル毎のダウンストローク期間における前記交流電動機の二次電流の平均値又は実効値に基づき、あるいは、各ダウンストローク基準点から前記交流電動機の二次電流の最大値までの遅れ時間に基づき、ポンプオフ条件を検出し、前記ポンプオフ条件が検出されると、ポンプジャック速度を予め設定された速度だけ低下させ、その低下した速度においても、前記ポンプオフ条件を検出すると、順次段階的にポンプジャック速度を予め設定された最低速度まで低下させるポンプオフ制御部を備えたポンプジャック制御装置において、
   前記交流電動機に流れる電流の大きさに基づき、少なくとも積算を用いた演算値、あるいは、前記交流電動機に取り付けられた温度センサの検出値により過負荷警告信号を出力する過負荷保護部を有した速度制御部と、
   ポンプジャック速度を低下させる間での運転中、あるいは最低速度での運転中に、前記交流電動機の過負荷警告信号により、ポンプジャックを間欠運転に切り替えるポンプジャック制御部とを備えたことを特徴とするポンプジャック制御装置。
7. 前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのアップストローク時のストローク速度が正弦波状から矩形波状になるように前記速度制御部へ速度指令を出力することを特徴とする請求項６記載のポンプジャック制御装置。
8. 前記ポンプオフ制御部は、前記ポンプオフ条件を検出すると、ポンプジャックのダウンストローク平均速度は、アップストローク平均速度に比べて大きくなる速度指令を速度制御部へ出力することを特徴とする請求項７記載のポンプジャック制御装置。

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